汽車液-氣壓能量回收系統研究

胡萬強

(許昌學院電氣與機械工程學院，河南許昌 461000)

0 前言

隨著環境污染的加劇以及能源價格的上漲，汽車的能量回收問題變得越來越緊迫。近年來，國內外許多研究機構均加快了對汽車能量回收系統的研究與開發[1-3]。國內外的研究主要針對液壓混合動力，而忽略了液壓-氣壓能量回收技術。氣動增壓技術通過制動產生壓縮空氣，并將其注入發動機進氣歧管，從而提高進氣歧管內的空氣壓力，進而發動機通過控制器增加燃油噴射量，以提高發動機瞬態響應，提升扭矩，改善發動機燃油經濟性。因此，研究汽車液壓-氣壓能量回收系統，對于提高發動機燃油經濟性、促進發動機小型化研究、減小汽車后軸傳動比等有著非常重要的現實意義。

因此，本文作者研究液壓-氣動混合動力車輛的再生制動和推進系統。設計相應的液壓-氣動動力系統，建立系統的動力學模型，制定合理的制動和驅動模式能量回收再生管理控制策略。利用組合參數進行動態仿真，構建實驗平臺，驗證車輛節能減排效果，進而為液壓-氣動混合動力車輛系統開發提供理論指導和分析依據。

1 系統設計

圖1為所設計的車輛混合動力系統原理，分為液壓子系統、氣壓子系統。液壓子系統包括泵/馬達5、比例換向閥6、液壓傳感器7、液壓系統安全閥8、換向閥9、單向節流閥10、低壓蓄能器11、高壓蓄能器12、馬達13、液壓單向閥14、油箱15；氣壓子系統包括空壓機16、氣壓單向閥17、氣壓系統安全閥18、氣壓傳感器19、儲氣罐20、減壓閥21。減壓閥21通過相應裝置分別與發動機1及輔助系統連接?？刂葡到y22控制整個系統中混合傳動離合器2的開合，比例換向閥6及換向閥9閥口開合大小，低壓蓄能器11與高壓蓄能器12壓力控制，液壓傳感器7、氣壓傳感器19信號采集等。

圖1 重型汽車混合動力系統原理

控制方法包括停車制動能量回收控制模式、車輛下坡行駛過程能量回收控制模式、車輛下坡控制策略、啟動控制模式等。如停車制動能量回收控制模式為：電磁鐵2YA得電，換向閥9左位工作，車輪4通過混合傳動離合器2驅動泵/馬達5轉動，油液從油箱15、泵/馬達5、換向閥9油口A、單向節流閥10進入低壓蓄能器11進行再生制動蓄能，如低壓蓄能器11內壓力達到設定的最高壓力值，則油液進入高壓蓄能器12進行再生制動蓄能。如高壓蓄能器12壓力達到設定上限值，電磁鐵2YA失電，控制系統22控制馬達13的調節器，使油液驅動馬達13帶動空壓機16轉動，產生壓縮空氣，壓縮空氣通過氣壓單向閥17進入儲氣罐20進行儲存。

2 系統建模

2.1 車輛動力學模型

車體由底盤、拖車和貨物3個組成部分，根據牛頓第二運動定律，車輛力學公式[4]為

(1)

(2)

在分析再生制動時，假設變速箱連接到發動機之間的離合器是解耦的，液壓裝置的離合器將液壓泵連接到車輪，而不使用摩擦剎車，因此JICE=0。

氣動阻力損失和滾動摩擦損失數學模型分別為

(3)

FR=mvgCRcosaroad

(4)

式中：Af為車輛正面區域；ρair為空氣密度；CDA為空氣阻力系數；CR為滾動摩擦因數；aroad為道路斜角。

重力在車輛運動方向上的分量：

FG=mvgsinaroad

(5)

制動時，液壓泵/馬達工作在泵工況，液壓油液從低壓蓄能器傳至高壓蓄能器，再生制動力[5]為

(6)

式中：iH為靜壓系統傳輸比率；τp為泵扭矩；ηmp為泵/馬達機械效率。

車輛總能量是守恒的，通過牛頓第二定律可得：

(7)

式中：PML為車輛因空氣阻力和機械損耗所消耗的功率；PRB為再生制動時吸收功率；g為重力加速度。從式(6)可知，用于再生制動PRB的功率與車輛動能和勢能的變化相對應，因此，車輛所釋放的能量為

(8)

可用于回收的能量ERB為

(9)

2.2 液壓子系統

泵和馬達的角動量守恒[6]，可以表示為

(10)

(11)

式中：Jp為泵慣性負載；Jeq(m/c)為馬達和壓縮機慣性負載；τc為壓縮機所需扭矩；Bc為黏性摩擦系數；Cf/c為庫侖摩擦系數；τH為混合系統變速箱出口扭矩，其計算式為

(12)

式中：τw為車輪產生的扭矩；ηmv為傳動機械系統的機械效率。泵和馬達的扭矩分別為

τp=DpεpΔp+Cv/pμDpωp+Cf/pDpΔp

(13)

τm=DmεmΔp+Cv/mμDmωm-Cf/mDmΔp

(14)

式中：Cv/(p/m)為黏性摩擦系數；Cf/(p/m)為泵或馬達庫侖摩擦系數。

將連續性方程用于描述泵和馬達之間液壓系統的動態特性，忽略管道和配件的壓力損失，可得出：

(15)

式中：qp、qm、qac、qrelief、qpV分別為泵、馬達、蓄能器、液壓系統安全閥和比例換向閥的流量；Vh為等效液壓體積；ph為液體壓力。

泵出口和馬達入口流體的體積流量：

(16)

(17)

式中：εp/m為體積排量比，即實際體積排量與泵或馬達最大體積排量比率；Dp/m為泵或馬達實際體積排量；ωp/m為泵或馬達角速度；Δp為壓力差(對泵而言，為出口壓力減去進口壓力；對馬達而言，為進口壓力減去出口壓力)；μ為動力黏度；Cs/(p/m)為泄漏系數；βe為液體體積模量。

比例換向閥6為電液比例插裝閥，用于控制馬達轉速，通過閥口的流量方程可用下式表示[7]：

(18)

式中：KV1為閥流量系數；ph、pLP分別為閥進、出口壓力；U1為線圈輸入電壓；Un為線圈額定輸入電壓。

2.3 氣壓子系統

氣動系統的核心是儲氣罐和空氣壓縮機。在氣動系統建模中，假設壓縮空氣遵循理想氣體狀態方程：

pairVR=mairRairTair

(19)

式中：VR為儲氣罐容積；Tair、pair、mair、Rair分別為儲氣罐內空氣的溫度、壓力、質量和通用氣體常數。

結合連續性方程和狀態方程，儲氣罐氣體溫度方程[7]為

(20)

式中：qm2、qm3分別為儲氣罐進、出口質量流率；cp為恒壓條件下比熱容；cv為恒定體積下比熱容；dp2、dp3分別為進、出口內管直徑；QRES為從儲氣罐內的空氣到周圍環境的熱傳遞速率。

空壓機吸收的功率[8]為

(21)

式中：kc為多變系數；Nc為階數；T1為進氣度；p1、p2分別為空壓機進、出口壓力；空壓機質量流量qm，air=Dcωcηvcρ1，Dc為體積排量，ωc為空壓機角速度，ρ1為進口處空氣密度，ηvc為容積效率。

整個系統中每個元件的效率被定義為出口和入口能量之間的關系，因此液壓泵/馬達、空壓機、蓄能器、儲氣罐的效率依次為

(22)

式中：Ep·∈為泵/馬達輸出的機械能；Ep，out為泵出口處液壓能量；Em，∈為馬達入口處液壓能量；Em，out為馬達軸輸入機械能；Ec·∈為空壓機軸輸入機械能；Ec，out為空壓機出口處氣體能量；Eacc·∈為蓄能器入口處液壓能量；Eacc為蓄能器內儲存能量；Eair為儲氣罐內儲存能量。

因此，液壓子系統總效率ηH,T=(Eacc+Em,out)/Ep·∈，氣壓子系統總效率為ηP，T=Eair/Ec·∈。

3 系統驗證

圖2為用于驗證所設計系統的實驗裝置[9]，將相應參數代入后對系統進行仿真和在實驗裝置上驗證，結果如圖3—4所示。圖3為液壓系統安全閥關閉時，泵/馬達在3種不同情況下流量對比效果?？梢钥闯觯悍抡媲€和實驗曲線重合性很好，說明文中所設計方案是科學合理的。圖4為空壓機轉速為1 200 r/min時，儲氣罐充氣過程中氣壓系統壓力對比效果。可以看出：仿真曲線和實驗曲線一致性很好，均從0.5 MPa增加到約9 MPa，兩條曲線微小差異是由恒定多變指數和實驗空壓機轉速偏差引起的。

圖2 實驗裝置

圖3 液壓泵實驗和模擬體積流量響應比較

圖4 氣動系統實驗和模擬氣壓響應比較

為了驗證文中設計方案性能，實驗裝置在模擬制動情況下，飛輪(代替模擬車輛)轉速從40 km/h減為0時相關參數模擬效果如圖5—9所示。從圖5可知，車輛完全停止大約需要21.2 s。由圖6可知，在制動過程中，蓄能器中的壓力近似線性增加，當蓄能器內的壓力達到預設值32.5 MPa時，液壓馬達以3 000 r/ min啟動，并開始給儲氣罐充氣，將蓄能器完全增壓至34 MPa大約需要14.8 s。由圖8可知，在21.2 s時儲氣罐存儲能量達到最大值123 kJ。由圖9可知，在14.8 s時蓄能器存儲能量達到最大值630 kJ。根據仿真結果可知，飛輪釋放能量為1 293 kJ，系統回收能量1 095 kJ，回收率為84.7%。液壓系統存儲效率為630÷1 095×100%=57.6%，氣壓系統存儲效率為123÷1 095×100%=11.2%，混合動力系統存儲效率為57.6%+11.2%=68.8%。

圖6 制動時蓄能器中壓力值

圖7 制動時儲氣罐中壓力值

圖8 制動時儲氣罐中能量變化曲線

圖9 制動時蓄能器中能量變化曲線

4 結論

在主要針對液壓混合能量再生問題進行研究的基礎上，提出了一種用于車輛的液壓-氣壓能量再生系統，該系統主要由液壓子系統、氣壓子系統等組成。當車輛制動時，驅動液壓子系統的蓄能器儲存能量，由泵/馬達帶動氣壓子系統中的空氣壓縮機轉動，壓縮空氣注入發動機進氣歧管，以提高發動機瞬態響應，提升扭矩，改善發動機燃油經濟性。從仿真及實驗結果來看，文中所設計方案在制動過程中對系統能量回收率可達84.7%，從而驗證了所采用數學模型的有效性，控制方案設計的科學性。不足之處是受現實條件所限，系統以飛輪替代實際旋轉負載，沒有在實際中進行有效驗證。