一種用于液驅(qū)混合動(dòng)力車輛的蓄能器回路

張 濤，王 強(qiáng)，何曉暉，李思升，徐 磊

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心， 南京 210007)

隨著全球生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，節(jié)能環(huán)保顯得越來越重要，傳統(tǒng)車輛已無法滿足要求，混合動(dòng)力車輛應(yīng)運(yùn)而生。串聯(lián)式液驅(qū)混合動(dòng)力車輛由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活、燃油經(jīng)濟(jì)性好成為常用的方案之一。該結(jié)構(gòu)是指在傳統(tǒng)車輛上，串聯(lián)一個(gè)蓄能器作為輔助動(dòng)力源，并取消其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力傳送[1-3]，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載解耦，通過合理的能量管理策略，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在燃油經(jīng)濟(jì)性較好的點(diǎn)，同時(shí)液壓蓄能器功率密度高可以提供車輛所需的峰值功率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量，降低燃油消耗，減少排放。蓄能器作為輔助動(dòng)力元件在混合動(dòng)力車輛的整個(gè)運(yùn)行階段都發(fā)揮著重要作用，在制動(dòng)能回收階段作為系統(tǒng)的唯一負(fù)載存在，在驅(qū)動(dòng)、加速階段作為系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碓碵2,4]。因此，充壓過程伴隨車輛行駛的各個(gè)階段，并直接影響到系統(tǒng)的整體性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性的實(shí)現(xiàn)。

本研究對(duì)液壓蓄能器充能機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)蓄能器充能參數(shù)的選擇進(jìn)行探討，并通過液壓回路試驗(yàn)研究性能。

1 蓄能器儲(chǔ)能回路設(shè)計(jì)與主要元件選型

蓄能器儲(chǔ)能回路主要由電動(dòng)機(jī)、變量泵、蓄能器等串聯(lián)組成?；芈芬噪妱?dòng)機(jī)模擬實(shí)車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵工作，實(shí)現(xiàn)向蓄能器充壓，通過調(diào)節(jié)泵的排量可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的恒定壓力。其中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速功率連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)與液壓泵之間連接扭矩傳感器，可測(cè)量輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，回路中裝有壓力傳感器測(cè)量回路壓力，裝有過濾器清潔油路。

蓄能器儲(chǔ)能回路的主要元件包括：恒壓變量泵、蓄能器、電動(dòng)機(jī)等。下面分別介紹主要元件的選型。

液壓泵是回路中的動(dòng)力元件，液壓泵可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。由于液驅(qū)混合動(dòng)力車輛液壓系統(tǒng)的工作壓力較高，因此這里選用軸向柱塞泵。同時(shí)變量泵有利于充分發(fā)揮車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性[5-6]。變量柱塞泵在蓄能器回路中直接與電機(jī)相連，其作用是將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為回路的液壓能，通過準(zhǔn)恒壓液壓網(wǎng)絡(luò)向回路提供所需壓力。所選用的恒壓變量泵參數(shù)如表1所示。

表1 液壓泵主要參數(shù)

車用儲(chǔ)能元件的基本要求：能量密度和比能量高，功率密度和比功率高，并且在能量?jī)?chǔ)存、傳遞過程中效率高。蓄能器根據(jù)加載方式的不同，可分為重力加載式、彈簧加載式和氣體加載式3種[7]。其中皮囊式蓄能器具有響應(yīng)快，無噪聲、最高工作壓力大的特點(diǎn)，綜合比較，采用皮囊式蓄能器作為輔助動(dòng)力源。皮囊式液壓蓄能器是采用鋼制外殼和氣囊將蓄能器分為兩個(gè)部分，氣囊內(nèi)充入惰性氣體(氮?dú)?，另一側(cè)充入液壓油，利用氣體的可壓縮性來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。所選用的蓄能器參數(shù)如表2所示。

表2 蓄能器主要參數(shù)

由液驅(qū)混合動(dòng)力車輛的工作特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)功率由回路所需的平均供能功率來選擇[7]，結(jié)合廠家提供的電機(jī)的萬有特性，確定電機(jī)功率75 kW。

2 蓄能器回路性能分析

2.1 工作過程

由混合動(dòng)力車輛的能量管理策略，當(dāng)蓄能器壓力小于相應(yīng)工作模式下設(shè)定的壓力下限值時(shí)，系統(tǒng)都需要對(duì)蓄能器進(jìn)行充能[8]，回路工作過程的能量流動(dòng)路線如圖1。

圖1 能量流動(dòng)路線

氣囊式液壓蓄能器工作過程，可把工質(zhì)(氮?dú)?視為一個(gè)獨(dú)立的熱力學(xué)系統(tǒng)，蓄能器即通過該熱力學(xué)過程與外界進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)化。蓄能器的工作過程包括充能、持能和放能三個(gè)階段[5]。當(dāng)蓄能器處于充能階段時(shí)，氣囊被壓縮，壓力升高，屬于多變過程；持能階段屬于等容過程，由于系統(tǒng)不可避免的泄漏，壓力會(huì)下降；放能階段時(shí)，氣囊膨脹，壓力下降。由蓄能器的比能量隨多變指數(shù)的增大而減小，隨最高工作壓力的增大而增大，蓄能器的充能效率隨多變指數(shù)的增加而降低[5]。因此理想的充壓過程為絕熱條件下的等溫過程；理想的保壓過程是等溫過程；理想的放油過程是低熱阻條件下的絕熱過程。

根據(jù)氣體定律之多變過程[8]有：

(1)

式中：p0、V0為液壓蓄能器充氣壓力和容積；p1、p2為液壓蓄能器初態(tài)工作壓力和終態(tài)工作壓力；V1、V2為p1、p2兩種壓力下的氣體體積；P、V為任意時(shí)刻蓄能器的狀態(tài)壓力和氣體體積；C為常數(shù)，由氣體的種類、質(zhì)量和溫度決定。

n為氣體多變指數(shù)，絕熱條件下，n= 1.4，等溫過程則n=1。緩慢充壓釋放過程n取1，快速充壓釋放過程n取1.4[9]。本液壓回路所用的蓄能器充能過程較慢，取n=1。

考慮研究對(duì)象的實(shí)際工作狀態(tài)，將液壓蓄能器的工作過程視為等溫過程(n=1)，理論上其可儲(chǔ)存和釋放的能量為:

(2)

(3)

2.2 蓄能器儲(chǔ)能回路的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 壓力損失Δp，保壓過程中系統(tǒng)壓力的下降值。

Δp=p2-p3

(4)

2) 壓力效率ηP，系統(tǒng)保壓過程終了時(shí)壓力p3與開始時(shí)壓力p2之比。

(5)

3) 蓄能器的充液狀態(tài)SOC(state of charge荷能狀態(tài))：可用蓄能器的氣體壓力來表達(dá)[9]。

(6)

式中：P1為SOC=0時(shí)的壓力，其值至少為系統(tǒng)最低壓力或蓄能器的充氣壓力；Pg為某一充液狀態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力；Pmax為充液狀態(tài)最大值對(duì)應(yīng)的壓力。

3 蓄能器儲(chǔ)能回路臺(tái)架試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的目的是為了研究蓄能器的充壓條件、保壓能力。蓄能器儲(chǔ)能回路試驗(yàn)裝置以恒壓網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)與控制的方式，通過電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵對(duì)蓄能器進(jìn)行充壓。

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖2主要由電動(dòng)機(jī)(模擬發(fā)動(dòng)機(jī))、恒壓變量泵(排量調(diào)節(jié)輸出壓力)、蓄能器、液壓閥體、油箱電氣控制及信號(hào)采集等部分構(gòu)成。根據(jù)試驗(yàn)條件，考察蓄能器充壓能力、壓力保持情況。忽略試驗(yàn)過程描述，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理，得出試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 結(jié)果及分析

試驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)值分別設(shè)為五個(gè)值，改變液壓變量泵的排量(即恒壓系統(tǒng)壓力)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、泵排量對(duì)應(yīng)值如表3所示，待蓄能器壓力穩(wěn)定之后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速置0，蓄能器進(jìn)入保壓階段。分析蓄能器充液壓力變化和范圍以及蓄能器充液速度和時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3～圖7所示。

表3 電機(jī)轉(zhuǎn)速、泵排量對(duì)應(yīng)表

由圖3可以看出，蓄能器充壓過程中，壓力平穩(wěn)上升，均快速到達(dá)同一壓力(即充氣壓力)，說明蓄能器的氣囊性能較穩(wěn)定，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定壓力一段時(shí)間后，電機(jī)轉(zhuǎn)速置0，進(jìn)入保壓階段。當(dāng)壓力下降至充氣壓力值時(shí)，回路壓力便迅速下降。圖3為不同泵排量下蓄能器壓力變化情況，由圖可以看出，同一電機(jī)轉(zhuǎn)速下，液壓泵的排量越大，蓄能器相對(duì)充壓越快，同時(shí)，電機(jī)在主動(dòng)充壓時(shí)，其充壓時(shí)間也就越長(zhǎng)，即電機(jī)工作的時(shí)間長(zhǎng)，相應(yīng)效率下降，反之，效率則好。而在相同泵排量下，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，蓄能器充壓時(shí)間基本差不多，說明轉(zhuǎn)速對(duì)充壓速度的影響很小，取電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min充壓速度以及回路線性關(guān)系都比較好。排量對(duì)其的影響比較大。

圖3 不同泵排量下蓄能器壓力

圖4 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下蓄能器壓力

圖5 不同泵排量下電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖6 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速

從圖3、圖4中可以看出，蓄能器最高工作壓力為23 MPa，最低工作壓力為17.5 MPa，整個(gè)液壓回路在18～20 MPa內(nèi)保壓情況比較好，一定時(shí)間內(nèi)，壓力基本無變化，同時(shí)蓄能器的壓力下限閾值取20 MPa，對(duì)應(yīng)的蓄能器SOC=0.45，可以保證電機(jī)高效率[10]。由回路穩(wěn)定后壓力大小可確定泵的工作排量范圍，當(dāng)排量為30 cm3/rev時(shí)，蓄能器并未充上壓，因此，取泵排量下限值34 cm3/rev，此時(shí)回路壓力為17.5 MPa，與其他排量下的快速充壓值相吻合。

圖5為不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化情況。由圖可看出，在同一電機(jī)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨泵排量的增大而平穩(wěn)地增加，可以滿足負(fù)載的變化要求，同時(shí)轉(zhuǎn)速越低，變化越平穩(wěn)。由圖7可知，在同一泵排量下，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化情況基本相同。但是由電機(jī)的萬有特性曲線可知，這兩種情況都會(huì)使電機(jī)偏離最佳效率點(diǎn)。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速不能過高,并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)同步調(diào)整來滿足負(fù)載的變化，以保證電機(jī)處于最佳效率點(diǎn)。

從圖7可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，勻速階段基本保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速?gòu)?00～1 500 r/min，加速所用的時(shí)間越來越長(zhǎng)，這不利于提高蓄能器的充能效率，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min較合理。并且，在電機(jī)轉(zhuǎn)速末端均出現(xiàn)臺(tái)階，但轉(zhuǎn)速值并沒有大幅增大，只是時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)了，由圖5在同一時(shí)間點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩末端也出現(xiàn)沖擊值，由回路可知，這是由于關(guān)閉電機(jī)時(shí)，液壓泵的慣性所引起的沖擊。因此，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)與變量泵之間加裝離合器，防止電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊，影響使用壽命。

4 結(jié)論

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，泵排量越大，則蓄能器充壓越快、回路壓力越高。但電機(jī)轉(zhuǎn)速過高對(duì)充能效率作用不明顯，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，電機(jī)所需加速時(shí)間較長(zhǎng)且回路沖擊較大。經(jīng)分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min較合理；泵排量對(duì)蓄能器充能效率的影響較大，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)該同步調(diào)節(jié)。

2) 有效泵排量下限值34 cm3/rev較合理，對(duì)應(yīng)泵出口壓力17.5 MPa，最大排量46 cm3/rev，所對(duì)應(yīng)的回路實(shí)際壓力為23 MPa，因此，確定泵排量為34～46 cm3/rev，蓄能器儲(chǔ)能回路實(shí)際工作壓力為17.5～23 MPa。從蓄能器儲(chǔ)能回路的壓力保持情況可看出，18～21 MPa下回路的壓力較穩(wěn)定，同時(shí)，取蓄能器壓力下限閾值20 MPa，有利于電機(jī)保持高效率。

3) 電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)沖擊，但對(duì)回路整體性能的影響不大。為提高元件的使用壽命，可以在電動(dòng)機(jī)與變量泵之間加裝離合器。