一種用于液驅(qū)混合動力車輛的蓄能器回路

張 濤，王 強，何曉暉，李思升，徐 磊

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

隨著全球生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻，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，混合動力車輛應運而生。串聯(lián)式液驅(qū)混合動力車輛由于結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活、燃油經(jīng)濟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)一個蓄能器作為輔助動力源，并取消其機械傳動機構(gòu)，采用液壓系統(tǒng)進行動力傳送[1-3]，實現(xiàn)發(fā)動機與負載解耦，通過合理的能量管理策略，使得發(fā)動機可以工作在燃油經(jīng)濟性較好的點，同時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)動機的裝機容量，降低燃油消耗，減少排放。蓄能器作為輔助動力元件在混合動力車輛的整個運行階段都發(fā)揮著重要作用，在制動能回收階段作為系統(tǒng)的唯一負載存在，在驅(qū)動、加速階段作為系統(tǒng)的主要動力來源[2,4]。因此，充壓過程伴隨車輛行駛的各個階段，并直接影響到系統(tǒng)的整體性能以及燃油經(jīng)濟性的實現(xiàn)。

本研究對液壓蓄能器充能機理進行分析，對蓄能器充能參數(shù)的選擇進行探討，并通過液壓回路試驗研究性能。

1 蓄能器儲能回路設計與主要元件選型

蓄能器儲能回路主要由電動機、變量泵、蓄能器等串聯(lián)組成。回路以電動機模擬實車的發(fā)動機驅(qū)動恒壓變量泵工作，實現(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，電動機轉(zhuǎn)速功率連續(xù)可調(diào)，電動機與液壓泵之間連接扭矩傳感器，可測量輸入機械轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，回路中裝有壓力傳感器測量回路壓力，裝有過濾器清潔油路。

蓄能器儲能回路的主要元件包括：恒壓變量泵、蓄能器、電動機等。下面分別介紹主要元件的選型。

液壓泵是回路中的動力元件，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。同時變量泵有利于充分發(fā)揮車輛的燃油經(jīng)濟性[5-6]。變量柱塞泵在蓄能器回路中直接與電機相連，其作用是將電機的機械能轉(zhuǎn)化為回路的液壓能，通過準恒壓液壓網(wǎng)絡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，并且在能量儲存、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快，無噪聲、最高工作壓力大的特點，綜合比較，采用皮囊式蓄能器作為輔助動力源。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部分，氣囊內(nèi)充入惰性氣體(氮氣)，另一側(cè)充入液壓油，利用氣體的可壓縮性來實現(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)混合動力車輛的工作特點，電動機功率由回路所需的平均供能功率來選擇[7]，結(jié)合廠家提供的電機的萬有特性，確定電機功率75 kW。

2 蓄能器回路性能分析

2.1 工作過程

由混合動力車輛的能量管理策略，當蓄能器壓力小于相應工作模式下設定的壓力下限值時，系統(tǒng)都需要對蓄能器進行充能[8]，回路工作過程的能量流動路線如圖1。

圖1 能量流動路線

氣囊式液壓蓄能器工作過程，可把工質(zhì)(氮氣)視為一個獨立的熱力學系統(tǒng)，蓄能器即通過該熱力學過程與外界進行能量傳遞和轉(zhuǎn)化。蓄能器的工作過程包括充能、持能和放能三個階段[5]。當蓄能器處于充能階段時，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，壓力會下降；放能階段時，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。

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

(2)

(3)

2.2 蓄能器儲能回路的性能評價指標

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)保壓過程終了時壓力p3與開始時壓力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[9]。

(6)

式中：P1為SOC=0時的壓力，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)對應的壓力；Pmax為充液狀態(tài)最大值對應的壓力。

3 蓄能器儲能回路臺架試驗

實驗的目的是為了研究蓄能器的充壓條件、保壓能力。蓄能器儲能回路試驗裝置以恒壓網(wǎng)絡控制技術(shù)為基礎，采用計算機采集數(shù)據(jù)與控制的方式，通過電機作為原動機帶動變量泵對蓄能器進行充壓。

3.1 試驗平臺

試驗平臺如圖2主要由電動機(模擬發(fā)動機)、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采集等部分構(gòu)成。根據(jù)試驗條件，考察蓄能器充壓能力、壓力保持情況。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。

圖2 試驗平臺

3.2 結(jié)果及分析

試驗中，電機轉(zhuǎn)速信號值分別設為五個值，改變液壓變量泵的排量(即恒壓系統(tǒng)壓力)，電機轉(zhuǎn)速、泵排量對應值如表3所示，待蓄能器壓力穩(wěn)定之后，電動機轉(zhuǎn)速置0，蓄能器進入保壓階段。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間，試驗結(jié)果分別如圖3～圖7所示。

表3 電機轉(zhuǎn)速、泵排量對應表

由圖3可以看出，蓄能器充壓過程中，壓力平穩(wěn)上升，均快速到達同一壓力(即充氣壓力)，說明蓄能器的氣囊性能較穩(wěn)定，當蓄能器壓力達到設定壓力一段時間后，電機轉(zhuǎn)速置0，進入保壓階段。當壓力下降至充氣壓力值時，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，同一電機轉(zhuǎn)速下，液壓泵的排量越大，蓄能器相對充壓越快，同時，電機在主動充壓時，其充壓時間也就越長，即電機工作的時間長，相應效率下降，反之，效率則好。而在相同泵排量下，電機轉(zhuǎn)速不同時，蓄能器充壓時間基本差不多，說明轉(zhuǎn)速對充壓速度的影響很小，取電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min充壓速度以及回路線性關系都比較好。排量對其的影響比較大。

圖3 不同泵排量下蓄能器壓力

圖4 不同電機轉(zhuǎn)速下蓄能器壓力

圖5 不同泵排量下電機轉(zhuǎn)矩

圖6 不同電機轉(zhuǎn)速下電機轉(zhuǎn)矩

圖7 電機轉(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，整個液壓回路在18～20 MPa內(nèi)保壓情況比較好，一定時間內(nèi)，壓力基本無變化，同時蓄能器的壓力下限閾值取20 MPa，對應的蓄能器SOC=0.45，可以保證電機高效率[10]。由回路穩(wěn)定后壓力大小可確定泵的工作排量范圍，當排量為30 cm3/rev時，蓄能器并未充上壓，因此，取泵排量下限值34 cm3/rev，此時回路壓力為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)速下電機轉(zhuǎn)矩變化情況。由圖可看出，在同一電機轉(zhuǎn)速下，電機轉(zhuǎn)矩隨泵排量的增大而平穩(wěn)地增加，可以滿足負載的變化要求，同時轉(zhuǎn)速越低，變化越平穩(wěn)。由圖7可知，在同一泵排量下，電機轉(zhuǎn)速增大時，電機轉(zhuǎn)矩變化情況基本相同。但是由電機的萬有特性曲線可知，這兩種情況都會使電機偏離最佳效率點。因此，電機轉(zhuǎn)速不能過高,并且電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應同步調(diào)整來滿足負載的變化，以保證電機處于最佳效率點。

從圖7可看出，電機轉(zhuǎn)速隨時間線性變化，勻速階段基本保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速從700～1 500 r/min，加速所用的時間越來越長，這不利于提高蓄能器的充能效率，因此電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min較合理。并且，在電機轉(zhuǎn)速末端均出現(xiàn)臺階，但轉(zhuǎn)速值并沒有大幅增大，只是時間相對延長了，由圖5在同一時間點，電機轉(zhuǎn)矩末端也出現(xiàn)沖擊值，由回路可知，這是由于關閉電機時，液壓泵的慣性所引起的沖擊。因此，應在電動機與變量泵之間加裝離合器，防止電動機受到?jīng)_擊，影響使用壽命。

4 結(jié)論

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

2) 有效泵排量下限值34 cm3/rev較合理，對應泵出口壓力17.5 MPa，最大排量46 cm3/rev，所對應的回路實際壓力為23 MPa，因此，確定泵排量為34～46 cm3/rev，蓄能器儲能回路實際工作壓力為17.5～23 MPa。從蓄能器儲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，取蓄能器壓力下限閾值20 MPa，有利于電機保持高效率。

3) 電動機停機時電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)沖擊，但對回路整體性能的影響不大。為提高元件的使用壽命，可以在電動機與變量泵之間加裝離合器。