基于機電液耦合器的液壓冷卻系統(tǒng)設(shè)計

王宇 張洪信 趙清海 華青松

摘要：針對機電液耦合器存在的散熱問題，本文以機電液耦合器冷卻系統(tǒng)為研究對象，提出一種新的液壓冷卻方案。首先設(shè)計了與啟動、行駛、上坡、高速、制動和駐車等工況相匹配的液壓冷卻回路，闡述了各液壓元件的型號選擇和參數(shù)計算過程，并使用AMESim軟件對系統(tǒng)冷卻能力進行了仿真驗證。冷卻系統(tǒng)通過高壓蓄能器與低壓蓄能器的配合使用，使冷卻系統(tǒng)在不同工況下，滿足機電液耦合器冷卻需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)車輛的高效低耗運行。研究結(jié)果表明，該液壓冷卻系統(tǒng)在車輛不同工作狀況下，均能夠滿足系統(tǒng)的冷卻需求，有效的實現(xiàn)了制動能的回收和利用，提高了耦合器的能量利用效率，方案設(shè)計及元件選型合理。該設(shè)計為后續(xù)機電液耦合器的開發(fā)和研究及相關(guān)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：液壓冷卻系統(tǒng); 不同工況; 機電液耦合器; 蓄能器; AMESim

中圖分類號： TH137??文獻標(biāo)識碼： A

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，新能源汽車在整個汽車行業(yè)占據(jù)的比重越來越高，汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間布置也越來越緊密，不管是傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動或是電動機驅(qū)動、混合驅(qū)動，其散熱設(shè)計[12]都是不可忽略的重要環(huán)節(jié)。對傳統(tǒng)的發(fā)動機和電機冷卻方面進行的相關(guān)研究有許多，成曉北等人[3]通過對車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的實驗分析，研究了影響冷卻性能的因素;顧寧等人[4]對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，降低了冷卻系統(tǒng)自身的消耗，并提出了冷卻系統(tǒng)功耗評價指標(biāo);江善林等人[5]研究了工作溫度的升高對電機的運轉(zhuǎn)、定子鐵心壽命的影響以及永磁體的退磁安全溫度對工作溫度的要求;張鐵柱等人[6]對冷卻風(fēng)扇控制問題提出了一種液壓驅(qū)動系統(tǒng)，并通過實驗證明了液壓驅(qū)動系統(tǒng)的可行性，此系統(tǒng)明顯提高了車輛的動力性和經(jīng)濟型，對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義;高久好等人[7]針對液壓驅(qū)動冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)計存在的不足，提出了閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了冷卻風(fēng)扇的實時控制和調(diào)節(jié);田曉燕等人[8]將電液比例控制應(yīng)用到車輛冷卻風(fēng)扇上，改進了傳統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)技術(shù)方面的缺陷。以上研究均是對傳統(tǒng)發(fā)動機和電機的冷卻設(shè)計、控制改進及性能優(yōu)化，對機電液耦合器冷卻系統(tǒng)方面的研究較為匱乏。為此，張洪信等人[9]提出的機電液耦合器裝置，能夠適用于有多種動力并行的工況，相比于發(fā)動機和電動機具有其特有的優(yōu)勢，其應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。基于此，本文以機電液耦合器為研究對象，針對耦合器的結(jié)構(gòu)及其工作特性，設(shè)計了適用于機電液耦合器的液壓冷卻系統(tǒng)方案。該方案能夠滿足機電液耦合器在不同工況下的冷卻需求，實現(xiàn)了制動能的回收和利用。該研究對提高車輛的續(xù)航里程和降低能量損耗具有重要意義。

1?機電液耦合器液壓冷卻系統(tǒng)設(shè)計

1.1?液壓系統(tǒng)的特點

液壓系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，其具有如下獨特的優(yōu)勢[10]：

1）?能夠產(chǎn)生很大驅(qū)動力，控制簡單，可以實現(xiàn)遠程精準(zhǔn)調(diào)控。

2）?能夠在很大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。

3）?能夠有效防止過載，保證設(shè)備工作時的安全性。

4）?各部件重量較輕，外形尺寸小，安裝位置可以自由布置。

機電液耦合器的液壓能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能夠?qū)⑵渌麅煞N能量轉(zhuǎn)化為液壓能，為冷卻系統(tǒng)提供了驅(qū)動力。以液壓油作為冷卻介質(zhì)，流經(jīng)耦合器冷卻油道，冷卻效率高，冷卻速度快，避免了其他冷卻介質(zhì)的介入。將液壓能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的液壓回路與冷卻回路結(jié)合，避免了液壓回路的冗余，使液壓系統(tǒng)簡潔，高效的完成驅(qū)動、制動、冷卻等功能。

1.2?冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

機電液耦合器冷卻系統(tǒng)[1114]液壓原理圖如圖1所示。該冷卻系統(tǒng)由機電液耦合器（包含冷卻油腔）、蓄能器、冷油器、過濾器、液壓閥、溫度傳感器、冷卻風(fēng)扇和風(fēng)扇控制器等組成。

機電液耦合器在液壓回路中起著雙向變量泵馬達的作用，通過改變斜盤傾角可調(diào)整耦合器排量，配合溢流閥實現(xiàn)整個液壓回路的流量控制[15]。系統(tǒng)加速工況回路采用進油路的節(jié)流調(diào)速方式，通過改變節(jié)流口面積實現(xiàn)流量控制，回路效率高，使用方便，易于控制，反應(yīng)快，可以有效的避免沖擊。通過調(diào)節(jié)換向閥控制回路中液壓油的流向，實現(xiàn)液壓冷卻系統(tǒng)在不同工況下的匹配運行[16]。

車輛啟動時，耦合器處于馬達工況，高壓蓄能器7作為動力源向外排油，經(jīng)單向節(jié)流閥6進入耦合器，此時換向閥4和5通電，液壓油經(jīng)過過濾器1后直接流回低壓蓄能器。

車輛正常行駛時，耦合器處于泵工況，將蓄能器7斷開，換向閥5通電，耦合器消耗電功率產(chǎn)生機械能，同時轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動回路運行，經(jīng)換向閥4、耦合器冷卻油腔、換向閥12流回低壓蓄能器10，此時由于散熱器并未導(dǎo)通，系統(tǒng)溫度會逐漸上升，這一回路狀態(tài)滿足了快速熱機的工作需求，當(dāng)環(huán)境溫度很低，液壓油需要升溫時，系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)達到一個合適的工作溫度。當(dāng)液壓油溫度上升到設(shè)定值，換向閥12左位導(dǎo)通，散熱器接入回路，液壓油經(jīng)過散熱器流回低壓蓄能器，此時冷卻系統(tǒng)正式工作，系統(tǒng)溫度得到控制。

車輛加速行駛或者上坡時，耦合器處于泵和馬達雙重工況，一方面將電能轉(zhuǎn)化為機械能提供車輛行駛的動力;另一方面將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，將高壓蓄能器7作為輔助動力源提供驅(qū)動力。蓄能器的開啟降低了車輛行駛對耦合器的電功率需求，可以使機電液耦合器工作在最佳效率區(qū)間，實現(xiàn)了車輛高速和上坡工況的低消耗運行。單向節(jié)流閥6在高壓蓄能器排出液壓油時節(jié)流控制，在高壓蓄能器充能時全開，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和斜盤傾角，控制回路的流量和耦合器排量，進而控制車輛行駛的速度和上坡時的驅(qū)動力。

車輛制動時，耦合器斜盤傾角由正角度變?yōu)樨摻嵌?，回路逐漸變?yōu)槟娣较蛄鲃?，?jīng)單向節(jié)流閥6，進入高壓蓄能器7，為蓄能器充能，將制動時的能量以液壓能的形式回收，儲存在高壓蓄能器中。單向閥9可以有效防止制動能回收時液壓油流回低壓蓄能器。

系統(tǒng)溫度的控制[17]還可以通過冷卻風(fēng)扇實現(xiàn)，整個液壓系統(tǒng)的溫度可以實時調(diào)控。傳感器測量散熱器出口液壓油溫度，輸出電流信號，控制器根據(jù)傳來的信號調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，將系統(tǒng)控制在最佳溫度范圍內(nèi)。

2?液壓元件的選擇和性能參數(shù)的確定

根據(jù)系統(tǒng)工作的要求，給出現(xiàn)有的機電液耦合器參數(shù)，機電液耦合器參數(shù)如表1所示。

參考液壓手冊，選擇溢流閥、換向閥、儲能器等液壓元件，并計算相關(guān)性能參數(shù)。

2.1?油管尺寸的確定

1）?油管內(nèi)徑為

d=4q/πv（1）

式中，q為通過油管的最大流量，m3/s;v為管道內(nèi)允許的流速，一般吸油管取05～5 m/s，壓油管取25～5 m/s，回油管取15～2 m/s。

2）?油管壁厚δ為

δ≥pd/（2[σ]）（2）

式中，p為管內(nèi)最大工作壓力，MPa;[σ]為油管材料許用壓力，[σ]=σb/n，其中σb為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)。當(dāng)鋼管p<7 MPa時，取n=8;當(dāng)鋼管p<175 MPa時，取n=6;當(dāng)鋼管p>175 MPa時，取n=4。

根據(jù)式（1）和式（2），計算的結(jié)果取國標(biāo)油管尺寸，壓油管直徑Dy=14 mm，吸油管直徑Dx=315 mm，回油管直徑Dh=18 mm。

2.2?蓄能器參數(shù)確定

根據(jù)工作壓力，求出蓄能器公稱容積為

V0=Vx（p1/p0）1n1-（p1/p2）1n（3）

式中，V0為蓄能器公稱容積，m3;Vx為蓄能器工作容積，m3;p0為充氣壓力，Pa;p1為系統(tǒng)最低工作壓力，Pa;p2為系統(tǒng)最高工作壓力，Pa。其中，09p1>p0>025p2。

根據(jù)式（3），可以求得公稱容積為32667 L，選擇博世力士樂HAB 354147X型蓄能器，其公稱容積為35 L，工作容積為8 L，滿足系統(tǒng)參數(shù)需求。

2.3?液壓閥的選擇

機電液耦合器工作壓力能夠達到315 MPa，先導(dǎo)式溢流閥工作在較高壓力下具有明顯優(yōu)勢，閥門易于開啟;系統(tǒng)工作時，液壓主回路流量和冷卻回路的流量需要根據(jù)工況的不同進行調(diào)節(jié)，這就要求溢流閥可以比例調(diào)控。綜上考慮，選擇博世力士樂DBEM10G7X型先導(dǎo)式比例溢流閥，適用液壓油溫度范圍在-20～80 ℃，靜態(tài)特性中，線性度為±35%，動態(tài)階躍響應(yīng)的階躍量從10%～90%所需時間約為100 ms，滯后量≤5%。

選擇MK10G1單向節(jié)流閥，MK型節(jié)流閥是一種與壓力和粘度相關(guān)的單向節(jié)流閥，在同一方向可以節(jié)流控制，相反方向自由流動，其最大工作壓力為315 MPa，最大流量達到40 L/min，開啟壓力為005 MPa，最大允許壓差為21 MPa。

單向閥的選擇主要依據(jù)參數(shù)為最大工作壓力和開啟壓力，在液壓冷卻系統(tǒng)中，單向閥的作用僅僅是為了防止制動工況下液壓油流向低壓蓄能器，導(dǎo)致無法為高壓蓄能器充能。選擇力士樂Z1S6A054X/V型單向閥，閥門開啟壓力為005 MPa，最高工作壓力為35 MPa，最大流量可達到40 L/min，此時最大壓差為09 MPa。

選擇KKDER系列直動式換向閥，控制電壓24 V，占空比100%，開啟響應(yīng)時間≤80 ms，關(guān)閉響應(yīng)時間≤50 ms，最大切換頻率15 000次/h，直動式換向閥壓差流量特性曲線如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)處于最大流量狀態(tài)時，回路流量為364 L/min，此時換向閥壓差約為06 MPa。

2.4?散熱元件及相關(guān)附件的選擇[18]

1）?散熱計算及冷卻器選擇。冷卻系統(tǒng)熱損耗功率[19]為

ΔP=P（1-η）（4）

式中，ΔP為系統(tǒng)損耗功率，kW;P為系統(tǒng)總功率，kW;η為系統(tǒng)效率，取η=90%。

所需換熱面積A為

A=ΔP/[K10-3（T2-T1）]（5）

式中，K為傳熱系數(shù);風(fēng)扇冷卻取K=23 kW/（m2·K）;T2為許用油溫，T2=55 ℃;T1為環(huán)境溫度，T1=25 ℃。

由于冷卻介質(zhì)流經(jīng)散熱器時的流速不穩(wěn)定，并且散熱器實際使用中存在性能下降的現(xiàn)象，所選取散熱器的散熱面積應(yīng)大于理論面積，散熱面積為

A1=βA（6）

式中，β為安全系數(shù)，一般取值在11～115之間。

由式（6）計算得散熱器所需換熱面積為299 m2。根據(jù)系統(tǒng)最大流量、工作壓力及散熱器所需換熱面積的要求，選擇BFL2/3236型空氣冷卻器，工作壓力為16 MPa，最大壓降01 MPa，外形尺寸為384 mm×176 mm×372 mm，散熱面積為36 m2，風(fēng)機功率為009 kW，推薦流量為10～40 L/min。

2）?過濾器的選擇。選擇過濾器需要考慮的參數(shù)是過濾精度和壓降特性，其中過濾精度以絕對過濾精度和過濾比β來衡量，β值越大，過濾精度越高。過濾精度越高，壓力降也就越大。濾芯所允許的壓力降，是不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞所能承受的最大壓力降，考慮到過濾器壓降的極限值，選擇回油管類型過濾器，具體型號為力士樂25TE0101，絕對過濾精度符合ISO16889標(biāo)準(zhǔn)，β≥200，最大工作壓力25 MPa，容積為05 L，強度疲勞符合ISO10771，最大壓力下加載次數(shù)能夠達到105次。

3）?溫度傳感器的選擇。溫度傳感器選擇ABZMT T1X系列PT100傳感器，溫度測量范圍-20～120 ℃，精確度為±08 ℃，電源10～32 V，輸出信號為4～20 mA電流信號，可以轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。

3?模型仿真驗證

采用數(shù)學(xué)模型對冷卻系統(tǒng)進行傳熱計算，計算量較大，計算過程復(fù)雜，且對各個元件逐一建立發(fā)熱模型進行求解十分困難，因此選擇使用AMESim軟件對冷卻系統(tǒng)進行建模。

3.1?液壓冷卻系統(tǒng)模型

利用AMESim軟件對機電液耦合器液壓冷卻系統(tǒng)進行建模[2021]仿真，驗證冷卻方案的可行性[22]。液壓冷卻系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，其機電液耦合器不進行單獨建模，僅以相同參數(shù)的液壓泵和液壓馬達配合電動機進行功能上的模擬。模型中，各元件參數(shù)根據(jù)選擇的元件型號進行設(shè)置，以確保仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.2?仿真結(jié)果分析

仿真測得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時最高溫度在高速行駛工況下出現(xiàn)，約為665 ℃，此時系統(tǒng)流量為83 L/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1500 r/min。在高速行駛工況下，持續(xù)運行時狀態(tài)溫度隨時間變化曲線如圖4所示。高速行駛和正常行駛工況下，穩(wěn)態(tài)溫度隨時間變化曲線如圖5所示，高速行駛工況下，車輛剛開始運行時溫度上升較快，在250 s左右，正常行駛時的溫度開始高于高速工況下的溫度。這是因為高速行駛工況下機電液耦合器電功率與正常行駛工況下相同，另一部分需求功率由高壓蓄能器提供，由于高壓蓄能器內(nèi)液壓油初始溫度為常溫，在這種情況下，高速行駛工況下的溫度暫時低于正常行駛工況下的溫度。仿真進行到1000 s左右，高速行駛工況溫度出現(xiàn)大幅度上升，此時高壓蓄能器內(nèi)常溫液壓油排空，系統(tǒng)溫度第二次上升，機電液耦合器需提升電功率以維持高速工況狀態(tài)。

由圖4和圖5可以看出，液壓冷卻系統(tǒng)的設(shè)計有效降低了高速工況下的能量損耗，高壓蓄能器的使用，使高速工況和上坡工況的電功率消耗降低。在整個仿真過程中，各液壓元件壓力均在系統(tǒng)要求的安全范圍內(nèi)，液壓冷卻系統(tǒng)設(shè)計及元件選型基本符合要求。

4?結(jié)束語

本文針對機電液耦合器設(shè)計了一種新的液壓冷卻系統(tǒng)，并通過AMESim平臺進行仿真驗證。方案根據(jù)耦合器的工作特性，設(shè)計了車輛不同行駛工況下對應(yīng)的液壓回路，使系統(tǒng)不僅能夠滿足耦合器的冷卻需求，更實現(xiàn)了對車輛啟動、高速行駛、上坡、制動以及駐車等工況的輔助運行。此外，液壓冷卻系統(tǒng)能夠在冬季環(huán)境下快速熱機，節(jié)省了車輛啟動時的能耗，顯著的降低了高速和上坡工況下的功率損耗，同時將車輛制動時的能量回收利用，為車輛的續(xù)航提供的一定程度的保障。仿真結(jié)果表明，冷卻方案可以滿足系統(tǒng)要求，能夠?qū)⑾到y(tǒng)工作溫度控制在安全溫度范圍內(nèi)。冷卻方案的設(shè)計也增加了機電液耦合器的適用性，為其后續(xù)研究提供了一定的啟發(fā)，對機電液耦合器的普及具有重要意義，同時也為相關(guān)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了嶄新的思路。

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Design of Hydraulic Cooling System Based on Electromechanical Hydraulic Coupler

WANG Yu， ZHANG Hongxin， ZHAO Qinghai， HUA Qingsong

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ??In order to solve the heat dissipation problems of electromechanical hydraulic couplers， a new hydraulic cooling scheme is proposed based on the cooling system of electromechanical hydraulic couplers. Firstly， the hydraulic cooling loop matching startup， driving， uphill， high speed， braking and parking conditions is designed. The model selection and parameter calculation process of each hydraulic element are described. AMESim software is used to simulate and verify the cooling capacity of the system. Through the combination of high pressure accumulator and low pressure accumulator， the cooling system can meet the cooling requirements of electromechanical hydraulic couplers in different working conditions and realize efficient and lowconsumption operation of vehicles in various working conditions. The results show that the hydraulic cooling system can meet the cooling requirements of the system under different working conditions of the vehicle， effectively realize the recovery and utilization of braking energy， improve the energy utilization efficiency of the coupler， and the scheme design and component selection are reasonable. This design provides a reference for the subsequent development and research of electromechanical hydraulic couplers and the design of relevant cooling systems.

Key words： hydraulic cooling system; different working conditions; electromechanical hydraulic coupler; accumulator; AMESim