基于液壓混合動力車輛的蓄能器特性分析

那天明

(上海汽車變速器有限公司檢測中心，上海 201800)

0 引言

液壓混合動力車輛是在車輛本身加裝一套液力驅(qū)動系統(tǒng)，通過液壓系統(tǒng)在車輛制動過程回收制動能量，并在車輛起步過程中釋放，驅(qū)動車輛前進，從而達到節(jié)能減排的目的[1]。該系統(tǒng)主要由蓄能器、液壓泵、液壓馬達及其他電氣控制元件組成。

蓄能器在液壓混合動力系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))整個運行階段始終處于重要地位。忽略系統(tǒng)液壓環(huán)節(jié)流量損失及沿程壓力損失，蓄能器在系統(tǒng)制動蓄能階段作為系統(tǒng)的唯一負載存在，在系統(tǒng)放能驅(qū)動階段作為車輛唯一動力來源，其工作過程和工作特性直接影響到系統(tǒng)的能量再生性能和車輛驅(qū)動特性。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實際運行工況，研究蓄能器配置參數(shù)對其輸出參數(shù)的影響，對車輛液壓混合動力技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。同時，為系統(tǒng)優(yōu)化配置蓄能器提供理論依據(jù)。

1 蓄能器配置參數(shù)及工作過程分析

蓄能器的配置參數(shù)是指某特定系統(tǒng)中，根據(jù)功能要求，需要選擇匹配的蓄能器某些基本參數(shù)。該系統(tǒng)中，相關(guān)的蓄能器配置參數(shù)包括蓄能器的公稱容積、蓄能器充氣壓力、工作壓力上限和工作壓力下限。皮囊式蓄能器以其結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)快、漏損小[2]等優(yōu)點成為該系統(tǒng)配置蓄能器的首選，已被用在目前多數(shù)液壓混合動力技術(shù)中。文中以皮囊式蓄能器為研究對象，通過對蓄能器工作過程的熱力學(xué)分析，并結(jié)合實際使用過程中的參數(shù)配置，研究它在系統(tǒng)工況下的工作過程和工作特性。

蓄能器在工作過程中主要有3個基本狀態(tài)：充液前狀態(tài)，工作壓力上限狀態(tài)，工作壓力下限狀態(tài)。設(shè)充液前狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)初始充氣壓力p0，氣體體積近似為蓄能器的公稱容積V0，氣體溫度為T0。工作壓力上限狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)設(shè)定最高工作壓力p2。工作壓力下限狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)設(shè)定最低工作壓力p1。

系統(tǒng)工況下，蓄能器在4種工況下往復(fù)變化，分別為制動能量回收工況、壓力上限保壓工況、系統(tǒng)驅(qū)動工況和壓力下限保壓工況。在制動能量回收過程中，蓄能器氣體體積減小，壓力增大；當(dāng)壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓力pt≥p2時，車輛ECU(Electronic Control Unit)立刻發(fā)出指令，切換油路。此時系統(tǒng)壓力為p2，蓄能器氣體體積為V2。在系統(tǒng)蓄能保壓階段，蓄能器油路切斷，蓄能器氣體體積保持不變。系統(tǒng)驅(qū)動工況時，蓄能器氣體體積增大，壓力減小；當(dāng)壓力傳感器檢測到系統(tǒng)實際壓力pt≤p1時，車輛ECU立刻發(fā)出指令，切換油路。此時系統(tǒng)壓力為p1，蓄能器氣體體積為V1。同前，在系統(tǒng)放能保壓階段，蓄能器氣體體積不變。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知，蓄能器氣體體積與其輸出壓力間的關(guān)系為(K為常數(shù))：

pVn=K

(1)

式中：p為蓄能器充氣腔的氣體壓力(絕對壓力)；V為蓄能器充氣腔的氣體體積；n為多變指數(shù)，n=1～1.4。為了定性分析，設(shè)定環(huán)境溫度維持在T0狀態(tài)不變，且不受蓄能器自身吸熱散熱影響，并忽略液壓管路泄漏及溫度和壓力變化引起的液壓油體積的變化。系統(tǒng)蓄能和放能過程時間很短，蓄能器氣體狀態(tài)變化可看作絕熱過程[3]，取n=1.4。在保壓階段，假定蓄能器與外部環(huán)境有足夠時間達到熱平衡，即蓄能器氣體溫度恢復(fù)為T0。從而根據(jù)式(1)，得到系統(tǒng)典型工況下蓄能器的參數(shù)變化曲線如圖1所示。

圖1 蓄能器氣體狀態(tài)參數(shù)變化圖

2 蓄能器輸出參數(shù)特性理論分析

蓄能器的輸出參數(shù)是指系統(tǒng)運行過程中，蓄能器對其以外系統(tǒng)有貢獻的物理參量，即蓄能器與其外部元件相關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)。這里，對液壓混合動力系統(tǒng)影響較大的輸出參數(shù)包括：蓄能器的壓力輸出、有效蓄能容積、比能量及能量效率。

2.1 蓄能器壓力輸出

蓄能器輸出壓力瞬時值直接影響到系統(tǒng)工作性能，在車輛制動蓄能階段決定車輛制動力的大小,在系統(tǒng)驅(qū)動起步階段決定車輛驅(qū)動力大小。由圖1可知，系統(tǒng)在制動蓄能階段和驅(qū)動起步階段壓力輸出線并不重合。其中，系統(tǒng)設(shè)定最高工作壓力p2和最低工作壓力p1在系統(tǒng)控制策略中設(shè)置，但在系統(tǒng)制動蓄能起點，蓄能器的實際壓力p1e大于系統(tǒng)設(shè)定最低壓力p1。在系統(tǒng)驅(qū)動起步起點，蓄能器的實際壓力p2e小于系統(tǒng)設(shè)定最高壓力p2。結(jié)合蓄能器系統(tǒng)工況工作過程(如圖1)，利用氣體狀態(tài)方程推出：

(2)

(3)

作者用p1與p1e的比值和p2e與p2的比值分別表征蓄能器制動蓄能起點時的壓力增益和蓄能器驅(qū)動起步起點時的壓力損失。根據(jù)式(2)、(3)有：

(4)

于是，在系統(tǒng)制動蓄能階段，某m狀態(tài)工作點下，根據(jù)式(1)得到此時蓄能器輸出壓力大小pm為：

(5)

同樣，在系統(tǒng)驅(qū)動起步階段，某n狀態(tài)工作點下，根據(jù)式(1)得到此時蓄能器輸出壓力大小pn為：

(6)

通過以上的熱力學(xué)分析及計算結(jié)果，有以下結(jié)論：

(1)蓄能器輸出壓力受系統(tǒng)設(shè)定壓力上限p2、壓力下限p1、蓄能器充氣壓力p0和蓄能器公稱容積V0影響；且在某特定狀態(tài)工作點上，蓄能器輸出壓力(兩種工況下分別對應(yīng)比較)隨p1、p2上升而下降，隨p0、V0上升而上升。

(2)系統(tǒng)制動蓄能的起點壓力p1e與系統(tǒng)驅(qū)動起步的起點壓力p2e只受系統(tǒng)設(shè)定壓力上限p2和壓力下限p1影響，且隨p1、p2增大而升高。

(3)系統(tǒng)兩工況下起點實際工作壓力與系統(tǒng)設(shè)定值的差值與系統(tǒng)設(shè)定壓力下限p1和壓力上限p2比值有關(guān)，該值越大，則實際工作壓力越接近系統(tǒng)設(shè)定壓力。

2.2 蓄能器有效蓄能容積

蓄能器有效蓄能容積是指系統(tǒng)運行過程中，蓄能器儲存能量變化的幅度值。在系統(tǒng)工況下，它包含兩方面內(nèi)容：一方面，在系統(tǒng)制動蓄能階段，流體對蓄能器氣腔壓縮做功，此時能量形式由機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，其大小關(guān)系到系統(tǒng)的制動能力；另一方面，在系統(tǒng)驅(qū)動起步階段，蓄能器氣腔膨脹對外做功，此時能量形式由液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，其大小關(guān)系到系統(tǒng)的驅(qū)動能力。且由圖1可知，二者并不相等。根據(jù)能量的定義，將圖中兩工況曲線分別對體積V進行積分，得到：

(7)

(8)

式中：E蓄、E放分別為制動蓄能工況和驅(qū)動起步階段蓄能器的有效蓄能容積；p3為蓄能器允許的最高工作壓力。系統(tǒng)驅(qū)動工況下，蓄能器對外做功，E放為負。由以上分析可知：

(1)蓄能器的蓄能容積與其公稱容積V0、充氣壓力p0呈正比。

(2)蓄能器設(shè)定壓力上限與下限的比值越大，蓄能器蓄能容積越大。

2.3 蓄能器比能量

比能量對于混合動力而言是一個非常重要的概念，其意指不同混合動力技術(shù)中，蓄能元件單位質(zhì)量所能儲存或釋放能量的大小[6]。考慮到某些蓄能元件的體積因素，有時也可指單位體積蓄能元件所能承載或釋放能量的多少。其數(shù)值大小直接影響到混合動力技術(shù)實施的可行性，是一個重要指標(biāo)。對于蓄能器而言，由式(7)、(8)得到:

(9)

(10)

現(xiàn)設(shè)ρ為蓄能器的平均密度，m為蓄能器質(zhì)量，根據(jù)機械手冊[7]數(shù)據(jù)可以得出：不同容積下，蓄能器的平均密度近似恒定。于是根據(jù)上面兩式可以得到：

(11)

(12)

由上可知，蓄能器的比能量僅與蓄能器壓力設(shè)定有關(guān)。此壓力設(shè)定值包括蓄能器的初始充入壓力p0和系統(tǒng)設(shè)置壓力上限p2與下限p1，且其大小隨著初始充氣壓力的升高而增大，隨系統(tǒng)設(shè)定壓力p2與p1的比值的增大而增大。

2.4 蓄能器能量效率

蓄能器在系統(tǒng)制動蓄能階段和驅(qū)動放能階段能量大小并不相同，部分能量由于蓄能器工作過程中溫度的變化及其與外界的熱交換散失掉。蓄能器能量效率反映了系統(tǒng)在制動工況回收的能量用于車輛驅(qū)動起步能力的大小。根據(jù)式(7)、(8)可以得到此過程中蓄能器的效率為：

(13)

由此，可以得知系統(tǒng)中蓄能器的能量效率僅與系統(tǒng)設(shè)定壓力p1與p2的比值有關(guān)，并隨其數(shù)值的增大而增大。

3 蓄能器輸出參數(shù)特性試驗分析

利用液壓混合動力系統(tǒng)試驗臺，對上文得出的系統(tǒng)工況下蓄能器輸出參數(shù)特性做進一步試驗驗證。試驗臺(如圖2所示)主要由蓄能器、液壓閥體、液壓泵/馬達、飛輪、電動機、油箱、離合器和電氣控制及信號采集部分構(gòu)成。根據(jù)試驗條件，對蓄能器在系統(tǒng)工況下的實際壓力輸出、蓄能器的有效蓄能容積、蓄能器的能量效率進行試驗分析。忽略試驗過程描述，通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和整理，得出試驗結(jié)果，如圖3—5所示。

圖2 液壓混合動力系統(tǒng)試驗臺

圖3 蓄能器理論特性曲線與實際特性曲線對比圖(壓力)

圖4 蓄能器理論特性曲線與實際特性曲線對比圖(能量)

圖5 蓄能器理論特性曲線與實際特性曲線對比圖(效率)

其中，在測量蓄能器蓄能容積時，為排除蓄能器以外元件能量損失造成的影響，首先對系統(tǒng)在不同工況下系統(tǒng)效率加以試驗測量，并根據(jù)其趨勢給出擬合結(jié)果，從而得出飛輪在不同初速度時系統(tǒng)的效率曲線，如圖5(a)所示。根據(jù)圖中對比結(jié)果可以看到：

(1)蓄能器蓄能工況初始壓力實際值小于理論值，而放能工況初始壓力實際值大于理論值。

(2)蓄能器蓄能階段蓄能容積大于理論值，放能階段蓄能容積小于理論值。

(3)蓄能器實際蓄能效率小于理論值，且隨著p1/p2的比值增大，它與理論值的差值有增大的趨勢。

(4)除了試驗儀器及人為因素導(dǎo)致的誤差外，造成上述差異的原因還包括蓄能器保壓階段，液壓閥體的泄漏、壓力測量點處流體動壓造成的影響。另外，在系統(tǒng)蓄能階段及放能工況下，蓄能器實際工作狀態(tài)與絕熱狀態(tài)存在差異，及試驗制定工況下保壓時間不夠等。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上理論分析和試驗驗證，針對液壓混合動力運行工況，蓄能器的輸出參數(shù)，包括蓄能器在不同工況下實際的壓力輸出p1e、p2e，蓄能器的有效蓄能容積E蓄、E放，蓄能器的比能量E蓄/m、E放/m，以及蓄能器的能量效率η直接受其配置參數(shù)的影響和支配。文中通過熱力學(xué)分析，對參數(shù)影響的結(jié)果做了分析，給出一些計算結(jié)果，并通過試驗加以驗證分析，從而為系統(tǒng)實際配置蓄能器提供一個理論依據(jù)。

系統(tǒng)在實際運行過程中，車輛工況十分復(fù)雜，蓄能器充放能時間間隔不固定，致使蓄能器的工作狀態(tài)與前面描述狀態(tài)曲線中并不完全重合；蓄能器實際工作狀態(tài)多變系數(shù)接近但必然小于1.4，其準(zhǔn)確值要根據(jù)蓄能器不同工況通過試驗進一步測得。此外，系統(tǒng)環(huán)境溫度的不斷改變，使得蓄能器狀態(tài)圖中的平衡溫度不斷偏移。然而，根據(jù)車輛的實際運行工況，由概率分布考慮到通常情況及在一段時間內(nèi)溫度變化幅度不大等特點，文中的假設(shè)在一定程度上是合理的，其結(jié)果有一定的參考價值，但在實際應(yīng)用中還需要經(jīng)過進一步的試驗加以修正。

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