一種能量回收回路蓄能器回收效率研究

朱曉基， 王 強， 何曉暉， 楊 菲， 沙毅剛

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

引言

隨著車輛行業(yè)的不斷發(fā)展，對制動能量回收的研究也越來越深入。趙金祥和SUN Hui等[1-2]對再生制動策略和能量控制策略進行了研究；董晗等[3]對制動能量回收特性進行了研究；柯堅等[4]對蓄能器在挖掘機中的應用進行了研究；劉桓龍等[5]對蓄能器在公交車制動時能量回收進行了試驗研究；李思升[6]對液驅混合動力車輛蓄能器驅動加速性能進行了研究。本研究以電控液驅汽車中的蓄能器為研究對象，主要針對蓄能器回路的能量回收效率進行研究。

某電控液驅混合動力汽車應用蓄能器回路回收制動能量，在汽車起步時回路釋放能量以提高啟動速度。相對于傳統(tǒng)汽車，該電控液驅混合動力汽車的優(yōu)勢是能夠回收和再利用傳統(tǒng)汽車制動過程中浪費的制動能量。蓄能器在車輛制動時回收制動能量， 以液壓能的形式儲存，當車輛啟動或者加速時，蓄能器所儲存的液壓能釋放儲存的能量來幫助汽車的啟動或加速，提高汽車的性能。

某電控液驅汽車的蓄能器回路主要由發(fā)動機，液壓泵、液壓馬達、蓄能器、電控元件和各種液壓閥組成，蓄能器液壓回路結構原理簡圖如圖1所示。

1.電磁換向閥 2.變量液壓泵-馬達 3.分流閥 4.蓄能器5.二位四通比例閥 6.變量柱塞泵 7、13.二位二通電磁閥8.精過濾器 9.粗過濾器 10.液壓油箱 11.溢流閥 12.單向閥圖1 電控液驅車蓄能器液壓回路結構簡圖

某電控液驅汽車通過發(fā)動機帶動液壓泵，液壓泵通過液壓傳遞能量到液壓馬達，液壓馬達直接或間接驅動輪胎轉動，由液壓傳動代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械傳動，能夠實現(xiàn)無極調速[7-8]。制動能量回收時，通過控制系統(tǒng)控制液壓閥13右位，液壓閥5左位，液壓閥7下位，使液壓能存儲到蓄能器中，能量回收完成時，控制液壓閥13左位，使液壓能存儲于蓄能器中；回收的制動能量的釋放也通過閥門來控制，控制器使液壓閥5右位，液壓閥7處于上位，此時蓄能器中存儲的液壓能釋放到液壓回路中。液壓回路中蓄能器回收的再生制動能量能夠提高汽車的燃油經(jīng)濟性，再生制動能量回收效率又受儲能元件以及其他因素影響。

1 蓄能器能量回收效率的理論分析

蓄能器回路中采用的是氣體隔離式蓄能器，以蓄能器皮囊中的氣體為研究對象，由氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中，p0—— 蓄能器充氣壓力

V0—— 氣囊充氣體積

p1，p2—— 分別為系統(tǒng)的最低工作壓力和最高工作壓力

V1，V2—— 對應的氣體體積

當氣體在等溫下工作時k=1，當氣體在絕熱條件下工作時k=1.4。由于電控液驅車的蓄能器工作時時間較短，所以蓄能器充放壓可視為在絕熱條件下進行。

蓄能器所能儲存的能量為：

(2)

由于蓄能器中所存儲能量的難以直接檢測含量多少，所以采用間接測量的方法。利用蓄能器所存儲的能量單獨驅動液壓馬達，通過測量液壓馬達的轉速，進而間接計算蓄能器所存儲的能量。在不計蓄能器釋放能量時的能量損失情況下，得到蓄能器回收制動能效率的公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中，E—— 蓄能時液壓馬達所具有的能量

w，n—— 蓄能器蓄能時液壓馬達的轉動角速度和轉速

J—— 等效轉動慣量

E1—— 蓄能器回收的能量

η—— 蓄能器能量回收效率

w1，n1—— 分別為蓄能器單獨驅動液壓馬達時達到的最高的角速度和轉速

通過對式(2)的分析，蓄能器存儲能量的多少受到蓄能器體積的限制，又受到壓力的影響。由式(5)中可以看出蓄能器的能量回收效率與液壓馬達轉速有關，轉速又受到排量的影響。正交實驗設計是研究多因素多水平的又一種設計方法，可采用正交實驗法研究轉速、壓力和排量對蓄能器能量回收效率的影響。

2 實驗臺架的搭建

根據(jù)某電控液驅車液壓回路的結構圖，搭建1/4車輛模型，根據(jù)圖1簡化出實驗臺架的局部液壓回路，如圖2所示。

1.蓄能器 2.蓄能器安全閥 3.75 kW頻電機 4.吸油過濾器5.液壓油箱 6.變量柱塞泵 7.精過濾器 8.電磁溢流閥9.比例換向調速閥 10.變量柱塞馬達 11.磁粉制動器和慣性飛輪圖2 實驗臺架液壓回路圖

實驗臺架是1/4電控液驅汽車的實物仿真平臺，實驗臺架的各種參數(shù)與電控液驅車整車的參數(shù)相匹配，通過臺架實驗來研究蓄能器回路的各種性能[9]。臺架的整體實物圖如圖3所示。

圖3 臺架整體實物圖

實驗臺架中通過發(fā)動機帶動液壓泵轉動，液壓泵通過液壓系統(tǒng)帶動液壓馬達運動，各個部件之間滿足相應的參數(shù)匹配[10]。其中，磁粉制動器通過模擬1/4汽車行駛過程中受到的轉矩、阻力；慣性飛輪模擬1/4汽車的轉動慣性；蓄能器是電控液驅汽車中的輔助元件，具有儲存能量、回收制動能量和驅動液壓馬達的作用[11]。

實驗臺架中采用電腦控制并通過儀器檢測液壓系統(tǒng)中的重要參數(shù)，實驗臺架中包含多種傳感器，檢測所需要的轉速、轉矩、壓力和流量等物理量；實驗臺架具有相應的控制系統(tǒng)，利用相應軟件通過控制系統(tǒng)能夠設置不同的參數(shù)進行各種實驗，控制檢測系統(tǒng)實物如圖4所示。

圖4 控制檢測系統(tǒng)實物圖

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

利用臺架設備設計不同的實驗，研究蓄能器的各種性能特點，為電控液驅汽車的蓄能器回路的實驗設計提供依據(jù)。

首先研究蓄能器在充壓下的特點，通過實驗臺架的控制系統(tǒng)設置對蓄能器進行充壓，并保持一定的時間，得到蓄能器的壓力波動圖。通過圖5可以看出，蓄能器保壓時會出現(xiàn)相應的壓力波動，在低壓時的壓力波動情況相對于高壓時壓力波動較大；在蓄能器釋放所儲存的能量時，蓄能器的壓力越高，釋放能量的速度越快。在實驗過程中應該盡量避免波動帶來的影響[12]，從圖5可以看出，蓄能器壓力在17～20 MPa時的壓力波動較小，因此，選取這個壓力范圍進行實驗。

圖5 蓄能器沖壓到不同壓力時的壓力波動圖

蓄能器在電控液驅汽車中的主要功能是回收制動能量，研究相應的制動能量回收效率是十分必要的。基本實驗原理為：在蓄能器制動能回收實驗中，通過液壓泵驅動液壓馬達到達一定的轉速n后，關閉發(fā)動機，同時開啟蓄能器進行制動能量的回收，能量回收過程結束后，通過蓄能器單獨驅動液壓馬達，記錄液壓馬達達到的最高轉速n1，并由此來研究蓄能器能量回收效率η。

實驗設置正常工作條件下液壓泵的目標轉速分別為350， 400， 450， 500 r/min，得到液壓馬達轉速分別約為130, 145, 160, 190 r/min，研究蓄能器回收能量情況，蓄能器在液壓馬達不同轉速下回收的能量單獨驅動液壓馬達的轉速變化情況如圖6所示。通過多組實驗驗證，由于蓄能器的限制，蓄能器回收的能量能驅動液壓馬達達到的最高轉速約為140 r/min。

圖6 不同轉速下蓄能器回收能量驅動液壓馬達的轉速圖

通過數(shù)據(jù)分析計算，得到正常工作條件下蓄能器在液壓馬達不同轉速下的回收能量的效率如表1所示。

表1 蓄能器在不同轉速下的有效能量回收效率

對蓄能器回收能量的效率采用數(shù)值分析的方法將離散點轉化為連續(xù)曲線，采用精度較高的保形Hermite插值和三次方插值的方法進行分析，得到數(shù)據(jù)如圖7所示。通過圖形可知，保形Hermite插值的分析方法中圖線的變化趨勢更符合實際規(guī)律，蓄能器在液壓馬達轉速為160～190 r/min的轉速范圍內的能量回收效率較高。實驗分析為蓄能器在電控液驅汽車中制動能量回收的應用中提供了依據(jù)。

為了研究液壓壓力和液壓馬達的排量對于制動能量的回收效率的影響，分別對不同排量和不同液壓壓力設計正交實驗，通過實驗得到數(shù)據(jù)并分析。得到不同壓力下蓄能器能量回收情況如表2所示，不同排量下蓄能器能量回收情況如表3所示。

利用保形Hermite插值分析的方法得到不同排量和不同壓力下的蓄能器能量回收效率圖如圖8和圖9所示。通過圖8分析知液壓馬達排量越大，蓄能器能量回收效率越高，排量對在低轉速情況下能量回收效率影響較小，對于高轉速情況下的能量回收效率影響較明顯。通過圖9分析可知，壓力對低轉速時蓄能器能量回收效率的影響較大， 較高的壓力能夠明顯提高低轉速時的蓄能器能量回收效率，液壓壓力對于高轉速時的能量回收效率影響較小。

表2 不同液壓馬達排量下對比試驗參數(shù)及數(shù)據(jù)分析

表3 不同壓力下對比試驗參數(shù)及數(shù)據(jù)分析

圖8 液壓馬達不同排量下蓄能器能量回收效率

圖9 不同壓力下蓄能器能量回收效率

4 結論

通過對蓄能器能量回收效率理論計算方法的研究，基于某電控液驅車輛的液壓系統(tǒng)，搭建了1/4車輛液壓回路實驗臺架，開展了臺架實驗，得到了蓄能器能量回收效率的規(guī)律：

(1) 在蓄能器沖壓保壓過程中，壓力較低時蓄能器的壓力振動較大，在17～20 MPa時比較穩(wěn)定；

(2) 對正常工作條件下蓄能器在液壓馬達轉速不同時進行制動能回收實驗，得到蓄能器在液壓馬達制動初始轉速為145～190 r/min時的制動能量回收效率并進行了數(shù)據(jù)分析，蓄能器在轉速為160～190 r/min的能量回收效率明顯較高；

(3) 通過正交實驗研究液壓馬達排量和液壓壓力對蓄能器能量回收效率的影響。排量對于制動初始轉速較高時的能量回收效率影響較大，壓力對于制動初始轉速較低時的能量回收效率影響較大。