液壓儲能技術的研究現狀及展望

瞿煒煒， 周連佺， 張 楚， 薄曉楠

(江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

引言

液壓傳動是現代工業傳動的重要形式之一，隨著工程機械、汽車、航空航天等產業的快速發展，對傳動系統的要求不斷提高，液壓系統憑借著高功率比、高可靠性、無級速度調節等優勢，逐步成為現代工業裝備中最重要的能量傳動方式之一[1]。

然而，近年來，隨著全球經濟的快速發展，人類對能源需求日益增加，石化能源匱乏、環境污染等問題也越來越受到人們的關注，液壓系統能源利用率低的問題日益突出。以液壓挖掘機為例，動臂下降勢能和回轉制動動能經換向閥或溢流閥轉化為了熱能，使油溫升高，造成很大的能量損失。據日本神鋼公司研究，傳統液壓挖掘機發動機輸出的能量大約只有20%可利用于作業機構[2]。因此需要提高液壓系統中的能效來實現綠色低碳及可持續制造，緩解能源緊張問題[3]。對液壓系統中的能量進行回收儲存和再利用，是提高液壓系統能效的重要方法。

采用合適且高效的儲能方法，有效儲存液壓系統中的能量，才能實現節能減排的目的。歸納液壓系統中能量儲存方式，從儲能元件蓄能器的工作原理、發展歷程及現存問題出發，總結液壓儲能技術現有的改進研究，提出未來的研究方向，為進一步研究高儲能密度、高功率密度、高效率的液壓儲能技術提供參考。

1 液壓能儲存方式的分類及特點

在液壓系統中，能量的存儲方式一般可分為機械式、電力式以及液壓式。

機械式儲能一般利用飛輪裝置，雖然飛輪有著較好的儲存能量的能力[4]，但是安裝尺寸、時效性等問題限制了其在液壓系統中更廣泛的應用。

電力式儲能以蓄電池或超級電容作為儲能元件，由液壓馬達驅動發電機把液壓能轉化為電能存儲在蓄電池或者超級電容中，再通過逆變器、電動機和液壓泵等元件實現能量的釋放[5]。在此過程中，經過了多個能量轉換環節，儲能效率不高。

液壓式儲能一般使用液壓蓄能器作為儲能元件，與電力式相比，能量轉換環節較少，有著較高的儲能效率。此外，蓄能器可以實現液壓油的快速充放，并且可以吸收液壓沖擊，消除脈動[6]。因此在液壓系統中，以蓄能器為儲能元件的液壓式儲能應用廣泛。

2 液壓儲能原理

在目前的實踐中，液壓儲能是通過液壓蓄能器來實現的。由于液壓油是不可壓縮液體，直接利用液壓油無法蓄積壓力能，因此必須依靠其他介質來轉換并儲存液壓能。具體則是利用力平衡及能量守恒原理，使蓄能器油腔中的液壓油體積發生變化，然后將能量以壓縮氣體的內能、壓縮彈簧的彈性勢能或提升重物的重力勢能進行儲存。

目前液壓蓄能器主要有氣體加載式、彈簧式、重錘式3種，本研究以最常用的氣體加載式蓄能器為例進行原理敘述。該蓄能器以波義耳定律為理論基礎進行工作，通過壓縮氣體完成能量轉化，氣體狀態方程為[7]：

(1)

式中,p0，V0—— 初始充氣狀態下氣體的壓力和體積

p1，V1—— 任意工作狀態氣體的壓力和體積

n—— 氣體多變指數

若在絕熱條件下工作n=1.4。

圖1為氣體加載式蓄能器工作原理示意圖，其中，圖1a為蓄能器使用前的狀態。在正式開始儲能之前，需要向蓄能器中充入預定壓力的氣體，達到圖1b所示充氣后的狀態。當液壓回路中的壓力升高時，在力的作用下隔層上移，氣體被壓縮，油液進入蓄能器，直至達到圖1c所示平衡狀態，此過程中液壓能轉變為氣體分子的內能儲存在蓄能器中，為蓄壓儲能階段。儲能結束后，能量以氣體分子的內能形式存儲在蓄能器中，此為保壓階段。當液壓回路中壓力小于蓄能器內的油液壓力時，隔層下移，油液向系統中釋放，直至達到圖1d所示平衡狀態，此過程中壓縮氣體的內能會轉變為液壓能釋放出來，為能量釋放階段。如此反復進行充液、保壓和排液，從而達到液壓能儲存和釋放的目的。

1.外殼 2.液壓油腔 3.介質腔 4.隔層圖1 氣體加載式蓄能器工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of accumulator working principle

3 液壓儲能發展簡要歷程

以蓄能器為儲能元件的液壓儲能技術源于17世紀，當時出現了一些簡單形式的蓄能器來滿足實際應用的需求，比如用裝滿水的容器作質量塊的重錘式蓄能器。在第二次世界大戰后期，隨著液壓傳動系統在軍事等領域日益廣泛的應用，液壓控制理論也日益成熟，蓄能器的研究逐步受到重視，出現了一些更加通用的蓄能器。比如彈簧式蓄能器、更成熟的重錘式蓄能器和簡單的氣體加載式蓄能器。從20世紀70年代開始，研究人員不斷發展和完善蓄能器，更加注重其在液壓系統中的儲能作用，蓄能器的種類趨于多樣化[8-9]。

目前國內外已經有許多廠家能夠根據實際需求生產出不同類型、不同規格的蓄能器。比如著名的法國OLAER公司[10]，該集團創始人MERCIER發明了第一臺氣液蓄能器，現如今已經可以面向全球進行蓄能器供應，小到賽車中使用的輕巧型蓄能器，大到水下使用的不銹鋼高壓蓄能器，其生產的EHP型活塞蓄能器已被廣泛使用于各個場所；再有德國的HYDAC公司[11]，提供氣囊式、活塞式、隔膜式等多種類型蓄能器，并已通過深入研究設計出了一款新型金屬波紋管蓄能器。

隨著計算機、自動控制等技術的發展，液壓蓄能器產業也在不斷推陳出新，并且對液壓蓄能器的儲能效果進行研究，成為了該領域的重中之重，新方案、新技術的產生推動著液壓儲能技術的進一步發展。

4 液壓儲能技術的研究現狀

目前氣體加載式液壓儲能已經廣泛應用在工程機械能量回收和車輛制動能回收等方面。在這些實際應用中發現，雖然液壓蓄能器功率密度高于其他儲能元件，但是其能量密度遠遠低于常用燃料電池等儲能元件，存在占用空間大、成本高等缺點，幾種常見儲能元件特性比較[12]如表1所示。

表1 不同元件儲能特性對比Tab.1 Energy storage characteristics comparison of different components

儲能密度、功率密度和效率是液壓儲能的3個重要指標。目前，液壓蓄能器的高功率密度可以保證其儲存及釋放能量的快速性，但是為了能夠達到更優的儲能效果，使蓄能器所占體積小、成本低，還需要對蓄能器進行改進，使其在工作過程中有足夠的儲能量以及較高能量利用率。因此，在液壓儲能上的研究主要圍繞效率及儲能密度的改進來進行。

4.1 效率的改進

氣體加載式液壓蓄能器在工作時會發生熱傳遞，壓縮氣體產生的能量對流到蓄能器的壁上，并流失到環境中，降低液壓儲能的效率。為了提高液壓儲能效率，POURMOVAHED A等[13-15]于1988年分析了充氣式蓄能器的儲能能力，以活塞式蓄能器為例，在蓄能器的氣體側不含泡沫、半充滿泡沫、完全充滿泡沫的情況下進行測試，發現可以通過加入泡沫橡膠的方法，使氣體溫度基本保持恒定，將熱損失降到最小，從而提高蓄能器的效率，并在1990年進行了彈性泡沫的耐久性試驗，發現其能夠適用于液壓蓄能器。2013年我國姚凱等[16]對皮囊式蓄能器進行了建模與仿真，發現在皮囊內填充高比熱、高回彈的聚氨酯泡沫可以減少溫升及壓力損失，提高效率。

4.2 儲能密度的改進

由于液壓儲能的能量密度并未達到理想數值，國內外的研究人員不斷探索，研究出了一些高儲能密度的儲能技術，并將其用在蓄能器的開發設計上。圖2a為蓄能器工作時氣體狀態變量的變化曲線，其儲存的能量可用陰影部分面積計算：

(2)

式中，E—— 蓄能器儲存的能量

p—— 蓄能器氣體腔壓力

V—— 蓄能器氣體腔體積

如果該曲線更加平緩變化，即圖2b所示曲線，隨著氣體體積的減小，其壓力上升很慢。從圖2可以看出，當壓力變化的范圍相同時，圖2b中壓縮減小的體積更大，即可存入的液壓油體積增大，繼而儲能增加。蓄能器總體積不變的情況下，提高了儲能密度。

圖2 氣體狀態參數變化曲線圖Fig.2 Variation curve of gas state parameters

因此，使氣體的狀態變量更加接近恒壓變化，成為提高儲能密度有效方法。此外，還可以與其他能量存儲方式共同儲能來提高液壓儲能密度。具體儲能技術有以下幾種。

1) 氣液兩相恒壓蓄能器

2007年呂云嵩[17]針對車用液壓蓄能器能量密度過低的缺陷，提出一種氣液兩相儲能介質的方案，將儲能介質改換為某種新氣體，可以利用發動機余熱，在工作期間保持在氣液兩相狀態，即蓄能器的輸出壓力基本保持恒定。通過熱力學分析，發現這種蓄能器具有較高的能量密度和工作效率。

這種氣液兩相轉化方案中，氣體與液體兩種狀態間的互相轉化需要壓縮機、熱交換器等輔助裝置，加大了整個系統的復雜性，投入成本增多。同時滿足該方案的兩相介質應具有適當的飽和溫度、飽和壓力和氣化潛熱等熱力學性能指標，介質的選取需要進一步研究。

2) 改變結構法恒壓蓄能器

VEN J[18]于2013年提出了新型的恒壓液壓蓄能器，其結構如圖3所示，該蓄能器活塞和氣缸之間采用滾動隔膜密封，活塞面積隨行程變化，在氣體壓力變化時保持液壓流體腔壓力恒定，就此蓄能器進行能量密度的分析，發現在容積比為2.71∶1時，恒壓蓄能器的能量密度比常規蓄能器提高了16%。

圖3 活塞面積隨行程變化蓄能器Fig.3 Accumulator with piston area varying with stroke

2021年，馬浩欽[19]以這種變面積恒壓式蓄能器為核心進行了挖掘機動臂勢能的回收研究，通過仿真分析，發現在相同工作條件下，恒壓蓄能器的儲能密度是氣囊蓄能器的2.327倍。

2019年，ZHAO Donglai等[20-21]設計了一種采用凸輪機構的恒壓蓄能器(Constant Pressure Hydraulic Accumulator,CPHA)，其結構如圖4所示，該蓄能器包括1個流體腔和2個氣體腔， 液壓油進入液腔時，平移凸輪沿x軸運動，推動凸輪滾子和活塞相應壓縮氣腔，實現能量的儲存。利用平移凸輪機構的非線性變換特性，使液壓油壓力在氣體壓力隨體積變化的情況下保持恒定，同時利用遺傳算法對CPHA的設計參數進行了優化，優化結果表明，CPHA能獲得較高的能量密度。

圖4 凸輪分體式蓄能器Fig.4 Accumulator with split CAM

上述分析說明，改變蓄能器的傳統結構使得其在儲能過程中保持壓力基本恒定能夠有效提高儲能密度，但是以上設計也具有一定的發展局限性。第一種變面積活塞式蓄能器，其采用滾動隔膜密封件通常應用于低壓環境中，如果要進一步設計與應用，則需要考慮在壓力增高情況下，材料的受損與變形問題，設計并制造出能夠應用于高要求環境的滾動隔膜密封件是該技術得以發展的關鍵；第二種凸輪機構的恒壓蓄能器，其凸輪機構易于磨損，而且整體結構與現有蓄能器相比復雜很多，雖然儲能密度得到了提高，但是其總體體積與質量都加大了，加工成本也較高，如果要進一步制造與實施，則需要對整體結構進一步優化，以獲得更加緊湊的尺寸。

3) 開放式蓄能器

早在1985年，SCHAINKLER R等[22]于文章中提到美國已有工廠將壓縮空氣能量存儲(Compressed Air Energy Storage,CAES)用于儲能，并且帶來顯著的效益。2007年，LI P Y等[23]應用CAES這一概念，提出了一種新的開放式蓄能器。該蓄能器采用氣動儲能，考慮到壓縮高壓空氣的安全性、工作過程中的壓力及溫度變化等問題，設計的原理圖如圖5所示。儲存階段，空氣壓縮機將空氣從大氣壓縮到高壓(如35 MPa)并進入蓄能器，此時利用液壓馬達將油液充入蓄能器中；再生階段，空氣壓縮機充當馬達，將蓄能器中的壓縮氣體排入空氣馬達，此時排出儲存的液壓油。由于系統體積不需要包含大氣壓力下的空氣，可以大大提高膨脹比，提高儲能密度。

這種開放式蓄能器結合氣動儲能的方法， 通過壓縮空氣來實現能量儲存，有著很大的提高儲能密度的潛力。但是從設計的回路中就可以看出，在整個系統中增加了空氣壓縮機、驅動空氣壓縮機的機械負載、用以改善溫差的相變材料等，大大增加了系統的復雜性，適用范圍有著很大的局限，很難在車輛等移動設備中實現。

圖5 開放式蓄能器原理圖Fig.5 Sketch map of open accumulator

4) 應變能式蓄能器

范德比爾特大學PEDCHENKO A等[24-26]于2009年針對現有氣囊式蓄能器提出了一種應變能蓄能器，主要通過拉伸彈性體材料的應變能存儲能量，選擇體積彈性儲能密度值最高的聚氨酯作為彈性體的組成材料。在2013年該團隊成員進一步研究了應變能式蓄能器，設計一種分布式活塞應變能蓄能器(Distributed Piston Elastomeric Accumulator，DPEA)，用2種不同的聚氨酯材料構建了一個原型DPEA蓄能器并進行實驗評估，并發現提高氣囊膨脹壓力和使用相對薄壁氣囊能有效提高裝置的能量密度，通過實驗驗證明了乳膠橡膠氣囊具有較好的膨脹行為，且儲能效率大于其他材料。此外，2012年TUCKER J M[27]從材料選擇到蓄能器外形等方面詳細進行了彈性應變蓄能器的設計，并進行了實驗評估。2014年，CUMMINS J J等[28]對應變式蓄能器進行了材料選擇、動靜態建模分析，鑒于液壓蓄能器在高壓環境下操作，考慮將碳納米管嵌入橡膠以獲得均勻化彈性模量，但是此方案蓄能器的制造受到了昂貴的成本以及制造技術的限制，因此新技術的開發成為了關鍵及挑戰。

應變能式蓄能器使用彈性體應變作為儲能介質，通過材料的拉伸來響應液壓油的進出。這種方法能有效提高儲能密度，同時不容易受到氣體加載式蓄能器因熱損失而導致的效率低下的影響。目前的研究成果考慮將聚氨酯作為彈性體組成材料，但是材料的極限抗壓強度、最佳抗壓強度等特性還需要進一步驗證。

5) 飛輪式蓄能器

2009年，VEN J等[29]提出一種新型飛輪蓄能器(Hydraulic Flywheel Accumulator，HFA)，其結構如圖6所示，將液壓蓄能器和飛輪集成到單個儲能單元中，使活塞型蓄能器繞其軸線旋轉，從而將能量以壓縮氣體內能和旋轉動能的形式儲存起來，通過添加液壓流體和增加飛輪的角速度來增加飛輪的慣性矩，建立純氣動、純旋轉動能以及氣動結合旋轉動能3種儲能模型，并進行仿真，發現這種飛輪蓄能器能夠有效提高儲能密度。

圖6 飛輪式液壓蓄能器Fig.6 Hydraulic flywheel accumulator

針對2009年提出的飛輪蓄能器模型，STROHMAIER K等[30-32]于2013年進行了詳細的總體設計，開發了描述相關物理現象的基本模型，優化5個HFA設計參數，發現高強度和低密度外殼以及高的最大角速度更能產生最理想的HFA特性；2014年針對 HFA受制于不可預測且高度瞬態功率分布的問題，建立模型來模擬旋轉流體的瞬態行為，從而對HFA進行了更加深入的優化設計。前期設計優化完成后，該團隊2021年進行了實驗室規模原型的構建和測試，發現該技術能按預期運行，成功進行多領域能量儲存。

對于這種旋轉式的蓄能器(Rotary Accumulator,RA)，WANG Changhong等[33]于2015年針對一個具有恒排量泵/馬達的RA系統，提出了一種能夠將系統壓力保持在給定范圍內的控制策略，搭建了仿真平臺，仿真結果充分驗證了該系統壓力穩定性和高能量密度的改善。2018年，LATAS W等[34]對一種主要由變轉動慣量的飛輪和變量泵/馬達組成的新型液壓蓄能器進行了建模仿真研究，并將其在液壓舉升系統中的能量回收進行了仿真，結果表明同時進行動能和勢能存儲可以顯著提高能量密度。

由于飛輪式蓄能器有著很大的提高儲能密度的潛力，馬浩欽等[35-36]進一步進行了其在工程機械中的應用研究，并提出一種基于飛輪式液壓蓄能器和四配流窗口軸向柱塞馬達的挖掘機動臂泵控系統，利用AMESim軟件進行仿真，結果顯示在動臂下降過程中，與普通蓄能器相比，飛輪式液壓蓄能器既能保證能量回收的高效率，同時能夠顯著提高儲能密度。

這種飛輪式蓄能器將蓄能器本身看作一個旋轉件，通過增加動能的儲存來提高其儲能密度。從上述研究成果來看，這種方法是有效的，但是旋轉動能與轉速的平方成正比，如果想要存進更多的能量，則需要提高轉速。然而在長期高速旋轉后，內部軸承等運動部件會受到磨損，使用壽命有限，則動能的儲存量受到限制。此外，如果不及時使用長期旋轉儲存下來的動能，會因為空氣阻力衰減到空氣中，繼而影響到后續釋放的效率。再者，此方案中，液壓能與旋轉動能相互轉換需要相應的液壓回路，也增加了裝置的體積和成本。

6) 增壓減容式蓄能器

2020年，周連佺等[37]提出的一種增壓減容式蓄能器專利被授權。該蓄能器通過2個活塞雙腔儲油，使氣體腔的壓力增倍，氣體容積減小一半，能存儲等量的液壓能，提高儲能密度。

與普通的活塞型蓄能器相比，這種雙油腔的蓄能器可以大大縮減蓄能器的體積，適合于工作空間有限的移動液壓設備。但這種蓄能器需要定制，成本有所增加。

7) 可控式蓄能器

2020年，LIU Yanxiong等[38]提出一種新型可控式液壓蓄能器，該設計主要包括活塞蓄能器、氣體調節器和多個控制閥，采用模糊PID算法，利用位移傳感器監控主液壓蓄能器和氣體量調節器的活塞位移，通過控制比例閥來調節活塞位移，從而控制預充壓力、輸出流量和輸出壓力。與傳統蓄能器相比，該新型蓄能器的儲能能力可提高近1.5倍。

該蓄能器可以實時調節氣體調節器的位移，實現壓力、流量控制，打破了傳統的固定工作模式，其儲能能力不可小覷。但是在整個控制回路中增加了多個元器件，明顯提高了成本，更加適用于有著高精度、大功率、快速響應需求的液壓傳動系統，不適用于預算受限的應用場合。

從上述儲能技術的發展情況來看，一些能夠提高儲能密度的方法已經被提出，但是這些方法也存在著一定的局限性，還需要進一步探索并優化來達到應用于實際工程的目的。因此，如何改進現有技術以及探索新的儲能技術獲取更高的儲能密度成為了液壓儲能技術更上一層樓的關鍵。

5 未來研究方向

總體來說，液壓蓄能器儲能密度低的根本原因：氣體被壓縮過程中，其參數變化遵循氣體狀態方程，氣體物質的量沒有減少，當體積減小時，壓力會快速升高，在一定壓力范圍內，能夠被壓縮減小的體積有限，所以在不增大蓄能器體積的情況下，能夠存入的液壓油體積受到限制。

周連佺等[39]提出氣液溶解式蓄能器，采用氣體與液體的組合作為儲能介質。在液能存儲過程中，隨著液壓油的充入，介質腔的壓力升高，部分氣體溶解于液體中。在壓力的升高過程中，氣體體積減小，單位體積內的分子數增加，液面上氣體的濃度增加，當再次達到溶解平衡時，進入液面的氣體分子會比從液面逸出的分子多，氣體的溶解量增多，則介質腔中氣體物質的量減小。溶解的過程中，部分氣體分子間的勢能轉化為氣體與液體分子間化學能，介質腔的壓力雖然在上升。但是與純氣體介質相比，其壓力上升低得多，在一定壓力范圍內可以存入更大體積的液壓油，有效提高儲能密度。

從以上分析來看，氣液溶解方案可以改變純氣體介質儲能的固有性質，從根本上解決儲能密度低的問題，而且此方案不會增大設備體積和成本，適用范圍廣，因此該方案是很有價值的研究方向。

在未來的研究中，需要進一步探索氣液溶解的機理以及氣體溶解和析出過程中熱量的變化規律。根據相似相溶原理，尋找極性相近、溶解度較大的氣體與液體組合。只有在工作環境溫度超過氣體臨界溫度的情況下，氣體在加壓后才不會發生液化，所以為了避免壓力升高氣體液化，則要求氣體臨界溫度足夠低；還需要設計并搭建液壓試驗平臺，研究該方案在液能存儲和釋放過程中儲能密度、功率密度、效率的變化情況。

6 結論

(1) 液壓蓄能器已廣泛應用于現代液壓系統中，液壓蓄能器可以實現能量的快速儲存與釋放，具有功率密度大和效率較高的優點。但現有液壓蓄能器利用氮氣作為儲能介質，儲能密度較低，一般只能通過增大容積的方法達到儲存更多能量的目的。隨著儲能技術在液壓領域的應用不斷拓展，并且液壓元件逐漸向高效化、輕量化方向發展，現有的液壓蓄能器儲能密度低的問題逐漸突顯，特別是在工程機械等移動設備領域，蓄能器的體積與質量極大地限制了其應用，同時成本問題也制約了其更廣泛的推廣。因此，對液壓儲能技術的研究，提高現有蓄能器的儲能密度，對現代液壓技術有重要意義；

(2) 國內外學者對儲能技術進行了詳細的研究，并取得了一定的成果。但是整體沒有實現儲能技術的突破，存在理論不完善、結構不成熟等問題，并且大多數研究停留在理論與仿真階段，少數進行了試驗研究，真正投入應用的新型儲能技術還沒實現，因此需要實質性與突破性的進展；

(3) 液壓儲能技術的落后已經成為制約其應用的主要障礙，盡管儲能技術是一門多學科融合，極難突破的研究領域，但其廣泛的應用前景與急切的現實需求吸引了學術界和工業界的持續關注。隨著液壓傳動系統的不斷發展以及節能減排的迫切需要，研究并制造高儲能密度、高功率密度、高效率的液壓蓄能器成為了液壓儲能方面的一個焦點。