液壓再生制動系統在工程車輛中的應用

鄭 鑫

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

液壓再生制動系統是工程車輛的一種特別制動方式[1]。工程車輛在行駛或運行過程中經常減速制動，工作裝置經常升降，通過能量儲存傳遞制動能和重力勢能[2]。利用再生能源提供動力可以充分集成并簡化系統結構，實現對車輛多個系統的集成控制，符合節能環保工程車輛的未來發展趨勢。因此，開展液壓再生制動系統的研究具有重要的現實意義[3]。

1 節能分析

1.1 儲能方法

可用于工程車輛的液壓再生制動儲能元件主要有4種,即液壓蓄能器、超級電容、飛輪儲能器和蓄電池蓄能器，對其性能的比較分析如下：

由表1可知，液壓蓄能器具有功率密度大、存儲能力強、釋放能量時間短的特點[4]，這是提高工程車輛制動能量回收率和燃油經濟性的關鍵因素。同時液壓蓄能器使用壽命較長，制造簡易、維護方便，且環保無污染，綜合性能最高，特別適用于工程車輛的頻繁啟停工況，因此液壓再生制動系統中的儲能元件優先選擇液壓蓄能器。

表1 儲能元件性能的比較

1.2 結構類型選擇

液壓再生制動系統利用液壓蓄能器作為能量存儲元件，并利用液壓泵/馬達作為能量轉換元件。液壓泵/馬達通過改變斜盤的擺動方向來實現工作特性(在扭矩轉角范圍內達到4個象限的工作循環)。液壓再生制動系統基于上述特性，配備了以液壓泵/馬達和蓄能器為核心部件的能量回收單元,其特點是在保證工程車輛的穩定性的前提下，根據適當的節能策略，有效地回收車輛的制動和慣性能量，并在啟動、加速、作業過程中釋放回收的能量。液壓再生制動系統與變速箱的聯接位置可分為3種結構形式：串聯、并聯和混聯，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

在3種結構形式中，并聯液壓再生制動系統易于安裝且易于實行,可以安裝在現有的工程車輛上。扭矩聯軸器布置在變速器輸出軸的后方，以最大程度地回收制動能量。它的回收效率高于串聯結構和混聯結構，并且是一種很有發展前途的結構形式。國內外工程車輛大多數使用并聯結構形式[5]。

1.3 節能方案設計

液壓再生制動在工程車輛上的應用與常規乘用車輛不同。首先，在整車結構與行駛工況等方面存在差異，如傳動系統、行走路況、制動力要求及作業環境，這就要求設計與之相匹配的能量再生系統和控制方案。其次，因制動系統結構不同，常規乘用車輛需對制動系統進行改造或重新設計，而工程車輛采用液壓再生制動系統后，只需要加裝1套液壓傳動系統，與原制動系統和傳動系統相匹配，確保車輛的制動和驅動穩定，如圖2所示。

圖2 整車并聯結構配置圖

通過變速箱動力耦合接口與原工程車輛傳動系統相連，回收制動能量或者釋放儲存能量，作業系統通過齒輪泵與液壓泵/馬達連接，當旋轉方向和轉速都保持一致時，作業系統的液壓油缸開始工作。

傳統工程車輛作業系統能量傳遞路線如圖3所示。發動機提供動力，通過變速箱傳遞到液壓泵，液壓泵被驅動旋轉，并將機械能轉換為液壓能。液壓泵驅動液壓缸膨脹和縮進，完成動作響應。全部過程的能量轉換是從機械能到液壓能再到機械能的轉換過程。

圖3 傳統工程車輛作業系統能量傳遞路線

液壓再生制動系統能量傳遞路線如圖4所示：在傳統的能量傳遞路線中，增添液壓能量傳輸路徑。通過回收利用車輛在制動、怠速等情況下的剩余機械能，轉換為液壓能并存儲在高壓蓄能器中。在工程車輛作業過程當中，液壓泵可獨自驅動，也可以與發動機共同驅動。整個系統采用轉矩耦合的形式驅動液壓泵，動力源可以是液壓泵/馬達，也可以是發動機和液壓泵/馬達的組合。

圖4 液壓再生制動系統能量傳遞路線

1.4 節能回路

節能回路如圖5所示，它是系統工作的主要回路之一，其中第1蓄能器為高壓蓄能器，第2蓄能器為低壓蓄能器。在能量回收模式下，液壓泵/馬達工作在泵狀態，先導式液壓止回閥1、2分別處于左位和右位，液壓泵旋轉，把液壓油從第2蓄能器壓入第1蓄能器，將機械能轉換為液壓能儲存起來。在能量釋放模式下，液壓泵/馬達工作在馬達狀態，先導式液壓止回閥1、2分別處于右位和左位，馬達在高壓油液的驅動下，輸出轉矩。液壓油從第1蓄能器流入第2蓄能器，將液壓能轉換為機械能。

圖5 節能回路

2 能量分配及其控制策略

液壓再生制動系統的能量分配和控制策略，是并聯式液壓再生制動系統在工程車輛上應用的研究重點。其中包括2個關鍵問題，一是制動過程中制動強度的不確定性，涉及再生制動蓄能器的充放液和液壓泵的轉矩問題；二是驅動過程中，加速度以及速度的不確定性，涉及再生制動蓄能器的充放液和馬達的功率問題。工程車輛驅動與制動過程中制動能量管理基本上屬于轉矩和功率的控制。

2.1 再生制動系統的制動控制

工程車輛制動時，傳統制動系統和液壓再生制動系統將同時或分別制動車輪，并根據制動踏板的開度和車速計算制動強度和總制動力矩。然后，控制器執行制動力分配，并根據液壓再生制動蓄能器的壓力確定所需制動力的大小，得出所需再生制動力的大小和所需傳統制動力的大小。

并聯式液壓再生制動系統工程車輛的制動控制策略如圖6所示。

圖6 再生制動控制框圖

2.2 再生制動系統的并聯驅動控制

并聯液壓再生制動系統工程車輛的驅動力包括2種：發動機和液壓再生制動系統。工程車輛在行駛中，通常有3種驅動形式：液壓泵/馬達單驅，發動機單驅，發動機和液壓泵/馬達并聯驅動。因此，并聯驅動控制應確保發動機在高效率區域工作，液壓蓄能器被填充和排放，確保液壓泵/馬達能夠有效且穩定地運行，從而使液壓再生制動系統實現節能減排。

并聯式液壓再生制動系統工程車輛的驅動控制策略如圖7所示。

圖7 并聯驅動控制框圖

3 結束語

對比不同的儲能方式、結構類型，指出其優缺點，設計了并聯液壓再生制動系統工程車輛的節能方案，提出了制動能量的回收和再生利用控制策略,為工程車輛多系統的集成控制提供了理論依據，為系統仿真和試驗奠定了基礎。