一種用于液驅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 野戰工程學院機電教研中心， 南京 210007)

隨著全球生態環境問題日益嚴峻，節能環保顯得越來越重要，傳統車輛已無法滿足要求，混合動力車輛應運而生。串聯式液驅混合動力車輛由于結構簡單、布置靈活、燃油經濟性好成為常用的方案之一。該結構是指在傳統車輛上，串聯一個蓄能器作為輔助動力源，并取消其機械傳動機構，采用液壓系統進行動力傳送[1-3]，實現發動機與負載解耦，通過合理的能量管理策略，使得發動機可以工作在燃油經濟性較好的點，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揮著重要作用，在制動能回收階段作為系統的唯一負載存在，在驅動、加速階段作為系統的主要動力來源[2,4]。因此，充壓過程伴隨車輛行駛的各個階段，并直接影響到系統的整體性能以及燃油經濟性的實現。

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、蓄能器等串聯組成。回路以電動機模擬實車的發動機驅動恒壓變量泵工作，實現向蓄能器充壓，通過調節泵的排量可調節系統的恒定壓力。其中，電動機轉速功率連續可調，電動機與液壓泵之間連接扭矩傳感器，可測量輸入機械轉矩、轉速，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。由于液驅混合動力車輛液壓系統的工作壓力較高，因此這里選用軸向柱塞泵。同時變量泵有利于充分發揮車輛的燃油經濟性[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化為回路的液壓能，通過準恒壓液壓網絡向回路提供所需壓力。所選用的恒壓變量泵參數如表1所示。

表1 液壓泵主要參數

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，氣囊內充入惰性氣體(氮氣)，另一側充入液壓油，利用氣體的可壓縮性來實現能量的傳遞。所選用的蓄能器參數如表2所示。

表2 蓄能器主要參數

由液驅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(氮氣)視為一個獨立的熱力學系統，蓄能器即通過該熱力學過程與外界進行能量傳遞和轉化。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為液壓蓄能器初態工作壓力和終態工作壓力；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壓力和氣體體積；C為常數，由氣體的種類、質量和溫度決定。

n為氣體多變指數，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，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，保壓過程中系統壓力的下降值。

Δp=p2-p3

(4)

2) 壓力效率ηP，系統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SOC(state of charge荷能狀態)：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，其值至少為系統最低壓力或蓄能器的充氣壓力；Pg為某一充液狀態對應的壓力；Pmax為充液狀態最大值對應的壓力。

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絡控制技術為基礎，采用計算機采集數據與控制的方式，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(模擬發動機)、恒壓變量泵(排量調節輸出壓力)、蓄能器、液壓閥體、油箱電氣控制及信號采集等部分構成。根據試驗條件，考察蓄能器充壓能力、壓力保持情況。忽略試驗過程描述，通過對試驗數據的統計和整理，得出試驗結果。

圖2 試驗平臺

3.2 結果及分析

試驗中，電機轉速信號值分別設為五個值，改變液壓變量泵的排量(即恒壓系統壓力)，電機轉速、泵排量對應值如表3所示，待蓄能器壓力穩定之后，電動機轉速置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，試驗結果分別如圖3～圖7所示。

表3 電機轉速、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定，當蓄能器壓力達到設定壓力一段時間后，電機轉速置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，電機轉速不同時，蓄能器充壓時間基本差不多，說明轉速對充壓速度的影響很小，取電機轉速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 不同電機轉速下蓄能器壓力

圖5 不同泵排量下電機轉矩

圖6 不同電機轉速下電機轉矩

圖7 電機轉速

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內保壓情況比較好，一定時間內，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為不同轉速下電機轉矩變化情況。由圖可看出，在同一電機轉速下，電機轉矩隨泵排量的增大而平穩地增加，可以滿足負載的變化要求，同時轉速越低，變化越平穩。由圖7可知，在同一泵排量下，電機轉速增大時，電機轉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，電機轉速不能過高,并且電機的轉速和轉矩應同步調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，電機轉速隨時間線性變化，勻速階段基本保持穩定，轉速從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，因此電機轉速1 000 r/min較合理。并且，在電機轉速末端均出現臺階，但轉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，電機轉矩末端也出現沖擊值，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，防止電動機受到沖擊，影響使用壽命。

4 結論

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

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矩出現沖擊，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。