（光学工程专业论文）城市公交车节能减排综合应用研究.pdf

摘要 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放量是车辆节能和环境保护的一个迫切 问题。本文针对城市公共汽车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在 确保制动安全性的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步 加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能 的目的。本系统由液压技术、传动技术、控制技术相结合实现车辆的低油耗、低 排放，并有效地提高车辆的动力性能，是现有汽车节能、环保的重要途径。 在分析城市公共汽车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进 行了综合对比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收中的应用情况，确定了采 用液压储能技术、并联式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置、变量泵马 达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在对车辆制动过 程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作 性能进行仿真分析可知，系统参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步 加速的需要。 本文针对能量再生系统与原车动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合 具体车型，进行了泵马达离合器的设计。该装置采用液压离合器进行动力传递， 提高了系统的可控性和可靠性。 本文根据标准市区循环工况，分析比较了传统车辆与节能车辆在一个循环工 况上的耗油量，通过m a t l a b 仿真得出能量回收系统的节能效果。 本文最后从离合器的改进和汽车滑行两个方面简单介绍了其节能效果。 关键词：公共汽车，节能，制动能量回收，液压蓄能器 a b s tr a c t t o d a y i tb e c o m e sv e r yu r g e n tp r o b l e m st or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s t g a s e sf r o mr o a dv e h i c l e sf o re n v i r o m e n t a lp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r ，t h eb r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t i o ns y s t e mo fc i t yb u si ss t u d i e d b yu s i n gt h ee n e r g yr e g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ek i n e t i ce n e r g yg e n e r a t e dd u r i n gb r a k i n gi s r e c o v e r e da n dt h e n r e l e a s e dw h e nt h eb u ss p e e & u p i nt h i s w a y ，t h ec i t yb u sc a nr e d u c ef u e l c o n s u m p t i o na n dt h ea s s o c i a t e de m i s s i o n s t h el o wo i lc o n s u m p t i o na n d l o wb l e e d e r o fv e h i c l ea r ea c h i e v e db yu s i n go ft r a n s m i s s i o n ，h y d r a u l i ep o w e rc o n t r o la n dt h e c o m p o u n dd r i v es y s t e mw o r k sh a m o n i o u s l yw i t he n g i n et or a i s et h em o t i v ec a p a b i l i t y e f f e c t i v e l y i ti st h ei m p o r t a n tw a yo fs a v i n ge n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf o r a u t o m o b i l e b ya n a l y z i n gt h es p e c i a ld r i v i n gc y c l eo fc i t yb u sa n dc o m p a r i n gw i t hd i f f e r e n t t y p e o fr e g e n e r a t i v es c h e m e s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eu s i n go fh y d r a u l i ce n e r g y s t o r a g ei n t h eb r a k i n ge n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e ma n dp r o p o s e das y s t e ms c h e m e w h i c hi s u s i n gt h eh y d r a u l i ce n e r g ys t o r a g e a n dp a r a l l e lc o n n e c t i o n d r i v i n g t e c h n i q u e s t h eh y d r a u l i cs y s t e mu s e st h eb l a d d e r h y d r a u l i ca c c u m u l a t o r a n dt h e p u m p m o t o ra st h ee n e r g ys t o r a g ea n dt r a n s f o r m a t i o np a r t ，s oi th a sc o m p a c ts t r u c t u r e a n dt h er a p i dr e a c t i o n o nt h eb a s i co ft h ed y n a m i c sa n a l y s i st ot h eb r a k i n g p r o c e s s ， t h ep a r a m e t e r so n l y d r a u l i c s y s t e m a r ef i g u r e d o u t t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cs y s t e mi sd e m o n s t r a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n e r g y r e g e n e r a t i o ns y s t e mi se f f e c t i v et oi m p r o v et h ef u e le c o n o m yo fc i t yb u s b a s e do nt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o n - d r i v i n gs t r u c t u r ea n dt h eg i v e nv e h i c l e ，t h e p o w e r - t r a i no ft h i ss y s t e mw h i c hi n c l u d e sh y d r a u l i cc l u t c hi sd e s i g n e d s ot h e c o n t r o l l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma r ei m p r o v e d a c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d ( g b t 1 8 3 8 8 6 2 0 0 1 ) ：c i r c u l a t i o nd r i v i n gp a t t e r n s o fc i t y ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef u e lc o n s u m p t i o no fc o n v e n t i o n a lv e h i c l ea n de n e r g y s a v i n gv e h i c l eo no n ec i r c u l a t i o nd r i v i n gp a t t e r n sb yu s i n go fm a t l a b a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ee n e r g ys a v i n ge f f e c to fi m p r o v i n gt h ed i s i g no f c l u t c ha n dv e h i c l es k i d i n g k e yw o r d s ：c i t yb u s ，s a v i n ge n e r g y ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y ，h y d r a u l i c a c c u m u l a t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：燃 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) e t 期：口7 7 歹，2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 汽车的出现改变了世界，它起到了促进经济发展和社会进步的重要作用。但 人们在享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和能源 消耗。随着汽车工业的迅速发展，能源问题、环境污染已成为亟待解决的突出问 题，“节约能源、保护环境一已成为各个国家的主要发展战略之一。近年来，随 着经济的快速发展，汽车保有量的与日俱增，使我国面临汽车能源需求和环境保 护的双重压力【1 1 。 ( 1 ) 能源问题 近年来，能源问题的阴影就笼罩着全世界。能源问题成为已成为世界各个国 家共同关注的焦点问题。自1 9 7 2 年第一次石油危机以来，在世界范围内接连发 生了第二次和第三次石油危机，世界石油供应出现紧缺。能源问题已成为关系国 家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源已成为世界科学家与工程师们 普遍关注的问题。与其它国家相比，正处于发展中的我国的能源消耗巨大，平均 以每年3 的速度递增，能源问题已经成为制约我国国民经济发展的一个突出问 题。 ( 2 ) 环保问题 与能源危机伴随而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代，在总体 和平的背景下，各国经济情况较好，物资生活水平迅速提高。可是，随着国民经 济的迅速发展，大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计 划的开发资源已严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、千早、各种罕见疾 病不断出现，对人们的日常生活带来严重的影响，环境保护成为社会日益关注的 问题。 在我国，据国家环境监测机构对全国1 9 9 9 年各大中城市环境污染所做的报 告显示：在被调查的3 3 8 个城市中，只有3 3 1 的城市的空气状况满足国家空气 质量二级标准，另外6 6 9 的城市超过国家空气质量二级标准。在这中间，还有 1 3 7 个城市超过国家空气质量三级标准，占所统计城市数目的4 0 5 。在对大气 的主要污染物总悬浮物p ) 的调查中，有6 0 的城市的t s p 浓度值超过国家二 级标准。在对另一项污染物二氧化碳浓度的调查显示，年均值超过国家二级标准 的达到2 8 4 左右。一些大城市机动车排放的污染物对各项大气污染指标的贡献 武汉理工大学硕士学位论文 率达到6 0 以上。全国有8 0 的城市的主要交通干线噪音超标，超过7 0 分贝。 在这方面，数目大的惊人的汽车无疑是罪魁祸首之一1 2 j 。 汽车把人们带进了现代生活，但是汽车在造福人类的同时，也给人类社会和 人类赖以生存的环境带来了巨大威胁。自8 0 年代以来，我国汽车保有量年平均 增长1 3 左右，至9 0 年代增长速度高达2 0 。随着汽车保有量的不断增加，汽 车排气污染已占大气污染负荷的6 0 以上，成为很多城市污染的主要来源1 3 1 。 1 2 课题研究的意义 在城市中，由于人口和车辆集中，造成城市车辆运行工况的特殊性，特别是 对于公共汽车来说，车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是其共有问题。以武 汉市为例，共有公交营运线路2 5 5 条，其中专线线路1 6 6 条，普线线路8 9 条， 线路长度4 6 8 6 8 公里，每年总运营里程约为2 4 6 0 0 万公里。武汉市运营公共交 通车辆约有5 0 0 0 台，其中空调车约占1 4 ，常规公交日均客运总量达到2 7 5 万 人次，平均百公里油耗大约4 0 升。目前，武汉市城市交通主要以公共汽车为主， 公共汽车是城市大气污染及燃油消耗的主要来源，具有极大的节能潜力。 市区公共汽车的工作特点是频繁的起步加速与换挡制动，驾驶员需要频繁操 作离合器，滑行时则需要完成松开加速踏板、踏离合器、摘档、猛踩加速踏板、 踏离合器、挂档、踏加速踏板一系列动作，过程复杂。如果采用自动离合器或者 单向离合器，则只需要松、踏加速踏板两个动作，免去了空踩加速踏板，操作简 便就可以把车速控制在经济车速范围内，也可以频繁地滑行节油，达到节能的目 的。除此之外，也可以大大减轻驾驶员的疲劳，有利于安全行车。 公共汽车在频繁制动过程中，其巨大的动能全部经制动器的摩擦转化为热能 消耗掉。如果将车辆在减速制动过程中的动能通过能量回收系统吸收并储存，而 在车辆起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动车辆行驶的动力，那么便 可使发动机更长时间地在经济工况下运转。这样不仅能够有效降低汽车油耗，提 高动力性，减少尾气排放带来的污染，还可延长汽车制动器的寿命，具有重要的 实用价值。 1 3 国内外研究现状 了。 2 0 世纪7 0 年代由于能源危机的出现，车辆节能技术的研究工作便相继展开 美国威斯康星大学的n o r m a nh b e a c h l e y 、a a f r a n k 等学者较早开展了节能 2 武汉理工大学硕士学位论文 汽车的研究工作1 4 1 。经多年的研究，他们的研究小组研制出飞轮式、液压式和蓄 电池式等三种储能形式的制动能量再生系统。1 9 7 9 年，丹麦的p b u c h w a l d 、 g c h r i s t e n s c n 等学者比较详细地研究了制动能量回收理论，同时针对f 0 r de s c o r t v a n 车型研制出了液压储能的复合驱动系统，通过对复合驱动系统施以不同的控 制策略，可节省燃油达3 0 。进入8 0 年代以后，大众汽车公司和福特汽车公司 开始分别在p i n t o 和c h i c o 小轿车上进行了节能研究工作，而原联邦德国的 m a n n e s m a n nr e x r o t h 公司、h y d r o m a t i c 公司以及瑞典的v o l v o 公司则在公共汽车 上进行了节能的有关研究工作1 5 l 。瑞典沃尔沃公司1 9 8 4 年进行了制动能量回收 实验。他们是在总质量为1 6 t 的城市客车上装了具有双动无级变速及液压容积式 传动的飞轮式蓄能器。飞轮总质量3 2 8 k g ，转速1 0 0 0 r p m ，在发动机功率1 0 5 k w 情况下，该装置可储能2 2 5 k w h 。在蓄能器工作的情况下，此客车最高车速为 8 0 k m h ，加速度1 6 m s 2 ，节省燃料1 5 - - 2 0 5 ，而制造成本仅增加2 0 - - 2 5 。 沃尔沃公司从1 9 8 5 年起已有2 0 多部客车在伦敦、斯德哥尔摩和哥本哈根进行了 实验。这些客车上装有1 5 4 k w 柴油机和容积式液力传动装置，即使在柴油机不 工作及在蓄电池完全放电情况下，蓄能器所储存的能量也足够使客车加速到 3 0 k m h 。装有该种蓄能器的公共汽车，可节省燃料2 8 - - - 3 0 ，减少有害气体排 放5 0 。虽然车辆质量增加6 0 0 k g ，但是制造成本仅提高1 5 。1 9 8 6 年英国列 依安特公司研制出一种与制动能量回收联动工作的无级变速传动装置，可节油 3 0 4 0 ，其中无级传动节油2 2 ，能量回收装置节油8 1 8 。该传动系 由无级变速器和行星齿轮机构组成，由微型计算机控制，借助于液压执行机构变 换导轮斜度可改变无级变速器的传动比。无级变速器无保养行驶里程可达 3 0 0 0 0 0 k m ，传动系质量仅为3 0 0 k g 。1 9 8 7 年，日本m i t s u b i s h i 公司的的技术人员 开发了一种液压储能系统，并在实际公交汽车中证实此种系统可节油3 0 。 1 9 9 0 - - 1 9 9 1 年，前苏联也进行了类似的工作，概括起来有静液压传动、飞轮储 能的复合驱动和特殊异步电机控制蓄电池组储能的电力复合驱动两种型式，试验 结果表明，静液压飞轮复合驱动可使每循环( 加、减速循环) 平均油耗降低约 3 0 1 6 l ，电力复合驱动循环平均油耗降低约2 0 ，同时，提高了汽车的加速性能， 并延长了其使用寿命。前苏联专家根据无污染高速运输科研计划，对各种制动能 量再生系统的前景进行了研究和比较，并为装有飞轮式制动能量再生系统的客车 制定了数学模型，用电子计算机对n u a 3 5 2 5 6 型城市客车，通过典型的城市循环 实验，对制动能量再生系统工作性能进行了计算研究。美国格埃列特公司设计了 总质量为1 3 t 带有制动能量再生系统的无轨电车。在线路停电时飞轮蓄能器还能 保证电车行驶5 6 8 3 k m ，最高车速7 0 k m h ，加速度达1 6 m s 2 。该系统的飞轮 式蓄能器由飞轮和单极感应交流发电机组成。飞轮用人造纤维制成，外装有铝制 3 武汉理工大学硕士学位论文 轮毂，其直径为8 9 c m ，最大转速为1 6 0 0 r p m ，质量3 0 0 k g ，使用成本比一般电车 和柴油客车低2 0 - - 3 0 。到了2 0 世纪9 0 年代，随着液压和电动技术的发展， 世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽车的研制和开发。1 9 9 4 , - - , 1 9 9 6 年俄罗斯 伊热夫斯克车辆厂( i s h m a s h a u t o ) 采用铅酸电池作为电能储存器，发动机油耗比 原车型降低2 1 以上，在车辆的燃油经济性得到可观提高的同时，排放性能也得 到很大的改善，其中c 0 2 的排放量下降5 0 ，c o 、h c 和n o x 的排放也只有传 统发动机的1 1 0 ，且有良好的加速性能，反应更加灵敏。另外，美国的通用福特、 克莱斯勒在九十年代中期与美国能源部投资上亿元开发复合驱动汽车，其优点是 质量功率大，并能在数秒内存储和释放能量。以上资料分析表明，国外对汽车制 动能量再生有较深入的研究，并且取得了一定的成果。 尽管如此，随着世界性油料紧张，价格上涨，尾气排放限制越来越严格，复 合驱动仍是今后汽车节约能源的一种发展趋势。美国p n g v ( 美国政府和汽车工 业界的合作契约的简称) 计划十年内开发出三倍与目前燃料效率的汽车，其研究 主要从三个方面着手，一是提高燃料转换成机械能的效率，二是降低车重减少汽 车对能员的要求，三是实现再生制动，将减速及制动过程损耗的能量回收利用。 其中“实现再生制动，将减速及制动过程损耗的能量回收利用”是本论文实现公 交车节能减排的主要研究内容。 在国内，原吉林工业大学在8 0 年代中期也开展了高速飞轮储能得复合传动 系统的研究。1 9 9 6 年原吉林工业大学和哈尔滨工业大学利用二次调节静液传动 技术设计一种液压储能的传动系统，试验表明比常规液压传动能量转化效率提高 将近一倍。1 9 9 7 年，青岛大学一中国重型汽车集团公司车辆电子技术研究所研 制的z k l 4 1 a 公共汽车用飞轮蓄能器与液压机械无级变速器，通过仿真和台架试 验证明燃油消耗可节约达3 5 1 。1 9 9 9 年，湛江海洋大学以e q l 4 0 1 l 型东风5 吨自卸载重货车为实验研究对象，设计制造了一套车辆制动能量回收实验装置， 并对其进行了初步的实验，实验的初步结果证明能量回收式车辆制动装置能有效 提高车辆的制动效率，增加车辆行驶时的安全性；该装置能根据车辆工作的不同 状况，自动完成吸收或释放车辆能量的工作过程，因而该装置工作时发热少，制 动过程平稳，工作可靠性高；该装置可使车辆达到节省燃料，降低维修和运输成 本，减少环境污染的目的。2 0 0 2 年北京理工大学以皮囊式液压蓄能器为能量储 存装置、轴向柱塞式变量泵为能量转化元件的系统方案，建立起一套车辆制动能 量回收系统的台架试验系统，对能量回收的原理和方法以及配套的控制方法进行 比较深入的研究。 目前国内对汽车制动能量再生的研究，在以下方面还有待深入研究：汽车制 动能量再生系统动力释放转矩合成机构的数学模型；汽车制动能量再生系统的能 4 武汉理工大学硕士学位论文 量逆变与控制策略；基于能量再生系统与摩擦制动系统的汽车制动动力学的动态 建模与仿真；制动能量再生系统与整车主制动系统匹配技术；装有制动能量再生 系统的整车制动性能分析方法；汽车制动能量再生系统的优化设计理论与系统匹 配方法等。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题从能量回收和离合器的改进两个方面分别对公共汽车节能减排进行 研究，本课题的研究目标是研制一种适合公共汽车的液压式制动能量回收系统， 课题选用东风扬子江汽车有限公司生产的w g 6 9 3 0 e h 型公共汽车为试验样机。 作者主要进行公共汽车制动能量回收系统计的研制与开发。采用液压储能技术来 实现汽车减速及制动能量回收再利用，并通过自动控制系统将整个系统中的液 压、传动部分有机结合并与发动机协调工作以实现车辆的低油耗、低排放运行， 同时有效地提高其动力性能。本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 针对城市公共汽车特殊的运行工况，进行车辆制动能量回收与再利用 系统的原理分析，制定系统方案。 ( 2 ) 进行液压储能系统的设计与开发。 ( 3 ) 针对具体车型，对车辆制动能量回收系统的动力传动装置进行优化设 计。 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件仿真分析设计开发的能量回收系统的工作性能， 检验其是否达到设计要求，并针对城市运行工况仿真计算其在一个循环工况上的 油耗，同传统车辆进行比较，分析其节能效果。 ( 5 ) 从离合器的改进及汽车滑行方面简单分析其节能效果。 1 5 本章小结 本章简要介绍了本篇论文的研究背景和意义、目前国内外关于公共汽车节能 的研究现状、成果和本篇论文的主要研究内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章能量回收制动系统 2 1 能量回收制动系统概述 所谓能量回收制动系统，是指能够有效回收汽车制动动能并将能量储存于储 能装置内待启动或加速时使用的能量回收系统。具有能量回收制动系统的汽车能 够实现对汽车制动能量的回收利用，通过自动控制形成最优匹配，使汽车中的一 种动力源可以存储另一种动力源的多余能量和车辆的制动动能，并能将存储的能 量传递给传动系统协助驱动车辆，从而使汽车达到节能减排的目的。 2 2 能量回收制动系统的原理 汽车在正常行驶时都具有很高的动能，传统汽车的这部分能量在制动时由制 动器的摩擦生热消耗掉，并且在制动过程中产生噪声，缩短制动器的使用寿命。 随着汽车的起步、加速、匀速和制动等工况的相互转换，内燃机经常处于怠速和 不稳定工况，不但消耗燃油，而且污染严重。鉴于传统汽车存在的诸多问题，能 量回收制动系统应运而生，其作为一种新型节能技术，得到了快速的发展。 一台行驶的车辆，其发动机分配的各部分能量所占的比例是随车辆行驶循环 特性而变化的。车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、制动四个工况循环交 替地工作。车辆在这四个工况发动机的工作状态如下： ( 1 ) 起步，车辆状态由静到动，由于惯性载荷大( 尤其对大、中型车辆) ，导致 耗油多，冲击力大； ( 2 ) 加速，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，燃气室内混合气浓度大，且 燃烧不完全现象加剧。导致耗油量大、环境噪声与废气污染； ( 3 ) 匀速，一般认为此时发动机处于最佳工作状态，燃气室内燃油燃烧充分， 此时发动机效率最高，最节省燃油，且一氧化碳及碳氢化合物排放最少； ( 4 ) 制动，实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻力、道 路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使汽车机械能被浪费掉， 制动系统磨损，而且发动机内燃烧及排放恶化；由上述各工况发动机状态可知， 唯有在匀速行驶时汽车才处在最佳工作状态，而其余三个工况都有大量的能量被 浪费并且尾气中有害气体含量增加。 传统汽车的节能方法都是在提高发动机的效率、减少阻碍运动的因素上努 6 武汉理工大学硕士学位论文 力，而在很大程度上车辆的制动能量至今仍然还是个未开发的能源。因此，目 前节能减排最有效的手段就是对其制动能量进行回收再利用，这就要从汽车的 ( 1 ) 、但) 、( 4 ) z 个工作状态入手，最大限度的使用发动机提供的功率，达到理想 的节能减排效果。 2 3 车辆制动能量回收技术简介 带有制动能量回收系统的车辆混和动力驱动系统一般由内燃机和储能元件 两个动力源组成，它可以充分利用两种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹 配，其中储能元件用于吸收车辆减速时的惯性能量，并能将它传输给传动系统供 附件使用或用于协助驱动车辆。 按照储能元件型式的不同，制动能量回收系统大致可以分为飞轮储能、蓄电 池储能、液压储能三种1 1 2 】。它们所具有的传递形式如图2 1 所示，其中转换器根 据储能元件型式的不同可以分为无级变速器、电动机、液压泵马达等。 图2 - 1 车辆制动能量再生系统的一般工作原理简图 2 3 i 飞轮储能1 1 3 l 飞轮储能是以惯性能( 动能) 的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。当车 辆制动时，飞轮储能系统使飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。 当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身。 使用飞轮储能的混和动力驱动系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、 离合器、变速器和驱动桥组成，系统结构如图2 2 所示1 1 4 】。发动机用来提供驱动 汽车的主要动力，高速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置为发动 机提供辅助动力来满足峰值功率要求。 7 武汉理工大学硕士学位论文 l 6 5 卜( 司固 驱动桥 图2 2 使用高速储能飞轮的车辆混合动力驱动系统工作原理简图 1 主离合器：2 增速齿轮；3 飞轮离合器；4 高速飞轮； 5 空气流；6 - 飞轮箱：7 轴承 飞轮储能由于只有机械能间的相互转换，因此能量传递效率高，能量损耗相 应较飞轮储能的主要缺点是抗震性能差，平稳性不好，噪声大，对工作环境要求 高1 1 5 l 。 2 - 3 2 蓄电池储能1 1 6 1 蓄电池储能以电能方式储存能量。系统以具有可逆作用的发电机电动机实 现蓄电池中的电能和车辆动能之间的转化。在车辆制动时，发电机电动机以发 电机形式工作，车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电能并储存在蓄电 池中；在车辆起动或加速时，发电机电动机以电动机形式工作，将储存在蓄电 池中的电能转化为机械能驱动车辆。 装备蓄电池储能系统的汽车称为混合动力电动汽车，其原理如图2 3 所示， 车辆在行驶时主要使用发动机的动力，电力驱动系统只是用于低速时驱动，或者 用于需要大功率的场合。这种车辆在市区行驶条件下可以提高燃油经济性达3 0 以上1 1 7 l 。 卜七三- ； 驱动桥 图2 3 使用蓄电池储能的车辆混合动力驱动系统原理简图 8 武汉理工大学硕士学位论文 蓄电池储能的功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量功率，而 车辆在制动或起动时，需要迅速释放或得到大量功率，这使蓄电池储能受到很大 限制1 1 8 】。近几年以来，各国技术人员都在加紧研制大容量高性能电池，为蓄电 池储能提供应用基础。 2 3 3 液压储能【1 9 l 液压储能以液压能的方式储存能量。系统由一个具有可逆作用的泵马达实 现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转化，即在车辆制动时，储能系统将泵 马达以泵的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实 现动能到液压能的转化；在车辆起动或加速时，储能系统再将泵马达以马达的 形式工作，高压油从蓄能器中流出，带动马达工作，实现液压能到车辆动能的转 化。液压储能的优点是的功率密度较大，能量保存时间较长，各个部件制造技术 成熟，工作性能可靠；缺点是液压系统的压力高，系统的密封性能要求较高，并 且液压系统体积庞大，只适合在大型公共汽车上布型2 0 1 。 表2 1三种储能方案比较 比较项目飞轮液压蓄能器蓄电池 能量密度4 - - 一2 0 ( 钢)6 - - 4 02 0 - 4 0 ( 铅酸电池) ( w h k g ) 4 - - 5 0 ( 复合材料)2 0 - - 1 0 0 ( 新型蓄电池) 功率密度( w k g ) + + 储能效率( 短时间) + + 储能效率( 长时间) + +0 能量转换效率 + 系统使用寿命 + + + 长时间保存能量 + + + 可靠性 + 维护性 + 生产成本 + 注：+ + ( p t 秀) ；+ ( 好) ；0 ( 中等) ；一( 差) ；一一( 很差) 以上三种储能方式根据各自不同的特点有不同的适用范围。能量密度与功率 密度是衡量储能元件性能的两个重要指标。高的能量密度使汽车的后备能量充 9 武汉理工大学硕士学位论文 足，大的功率密度使汽车能迅速而充分地储存和利用汽车的惯性能量f 2 l l 。由表 2 1 可知，液压蓄能器的功率密度最高，适用于负载变化频繁的传动系；飞轮功 率密度和能量密度适中，可用于负载幅度变化不大的传动系；蓄电池尽管麓量密 度很大，但功率密度太低，不利于负载频繁变化的传动系进行能量回收和利用。 液压储能的能量密度相比飞轮储能与蓄电池储能都小，但液压储能方式在三 者中具有最大的功率密度，能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。 同时，液压储能可较长时间储能，各个部件技术成熟，| 工作可靠，整个系统实现 技术难度小，便于实际商业化应用。本文的研究对象是城市公交汽车，属大型客 车，惯性阻力大，对驱动系统的动力性能要求较高。因此，采用液压储能的驱动 系统是较为理想的。 2 。毒液压储能技术在制动畿量回收中的应用情况 德国m 。丸n 公司、瑞典v o l v o 公司和豳本m i t s u b i s h i 公司都曾开发过使用 液压储能车辆混合动力驱动系统，经对样车测试表明：系统可行，燃油经济性可 提高2 5 , - 3 0 。目前，这种系统已成功的在欧洲和北美多个城市的公共汽车上 得到实现。 2 。4 。1 力士乐二次调节静液驱动系统f 2 2 l 二次调节静液传动是由德国汉堡国防工业大学h w n i k o l a u s 于1 9 7 7 年提 攘的新型液压传动技术。二次调节系统是一种接在定压网络中的由变量液压马达 和蓄能器组成的传动系统，对二次调节静液传动技术进行研究的主要目的是对制 动过程中的能量进行回收和重新利用，并且从宏观的角度对静液传动系统的总体 结构进行合理的配甓以及改善其控制特性。另外，由于二次元件工作于恒压网络， 通过调节二次元件的斜盘倾角可以调节系统的输出扭矩、功率及转速，因而，可 以实现对系统不同参数的控制，这为系统的设计和实现提供了极大的方便。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 _ 4 力士乐二次调节静液驱动系统原理图 卜发动机：2 一一次元件：3 一液压蓄能器：4 一二次元件：5 一汽车后桥 德国m a r m e s m a n nr e x r o t h 公司早在1 9 7 8 年就从事液压公共汽车的研制工 作。p a w e l s k i ，r e 等1 9 9 7 年在力士乐季刊( r i q ) i z 发表文章介绍了为老式公共 汽车配置力士乐驱动装置的研究工作1 2 3 1 。在公共汽车上配备二次调节静液传动 系统后的节能效果相当显著。经过改造后的市内公共汽车由一台轴向柱塞单元 a 4 v s 0 2 5 0 d s 2 1 来驱动，如图2 4 所示。它在满载启动时能给出大约1 8 0k w 的 功率，由此可使汽车在2 0s 内加速到它的最大速度5 0k m h 。而发动机的功率却 只有3 0k w ，其1 5 0k w 的差值是从液压蓄能器中获得的。液压蓄能器的充压是 在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作。同一般的公共汽车 传动系统比较，这种带能量回收的无级传动装置对频繁刹车不敏感。另外由于液 压功率传递部分仅占总传动功率的一小部分，故传动系统的总效率非常高。 2 4 2 c 啪u 1 0 驱动系统【2 4 1 瑞典v o l v o 汽车公司从1 9 9 5 年起就开始从事节能汽车的研究工作，并于1 9 9 7 年研制成功了液压储能式公共汽车。图2 5 所示的c u m u l o 驱动系统是一种典型 的并联式液压储能混合动力驱动系统，这种公共汽车的传动轴同时与发动机和液 压泵马达相连。当公共汽车制动时，传动轴就驱动液压泵，将备罐中的油液泵 入一个压缩器，压缩器随即将氮气压入两个高压容器中；当汽车重新发动时，压 缩气体被释放回原系统驱动汽车。当柴油发动机发动起来时，车速一般可达3 0 k i n h - - 4 0k m h 。这种公共汽车对每公里4 站到5 站的城市公交路线，可节省燃料 约3 0 ，废气的排放量减少了3 0 ，汽车加速离开车站时的噪音降低，发动机、 传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少，降低了损耗。该系统具有效率高、能 量损失小等特点，并且由于系统不改变原车的传动装置，使其在液压系统不工作 时可以获得与原车相同的动力特性。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5c u m u l o 并联式动力驱动系统的结构图 a - 液压泵马达；b 一链传动装置；蓄能器；d - - 油箱；e 一电控单元；卜加速信号； 2 一制动信号；3 一发动枧控制；4 一交速器档位控制；5 一泵马达控制；6 - 液压润控制 2 。4 3 。c p s 系缌2 5 1 日本自上世纪8 0 年代以来便开始对汽车节能及能量回收驱动技术进行研 究，近年来开发了一种定压力源系统( c p s c o n s t a n tp r e s s u r es y s t e m ) 和适用的液 力平衡式( f f c f l u i df o r c ec o u p l e ) 液压泵码达( 如图2 - 6 ) 。有几家汽车制造公 霭生产了c p s 公交汽车，在东京等3 个城市运营，尾气排放和燃油费翔各降低 了2 0 以上。 图2 6c p s 系统工作原理示意图 l 一发动机；2 - 与发动机相连的泵马达；3 一单翔阀；4 - 压力李 偿阙；5 一与飞轮相连 的泵马达；6 - 联轴器；7 一飞轮；8 一蓄能器；9 - 驱动轴上的泵马达； l 铲减速器及差速器：1 1 - 车轮 c p s 系统工作原理如图2 6 所示，u p s 驱动系统主要由3 个采用f f c 结构 的液压泵马达以及飞轮、蓄麓器、压力替偿机构组成。发动机1 带动泵马达2 ， 通过单向阀3 向系统供油，泵马达5 与压力补偿器4 相连，蓄能器8 有助于系 统保持恒定的压力状态。驱动泵马达9 带动车轮1 0 转动，驱动车辆行驶。 当汽车加速行驶时，驱动轴上的变量泵马达9 作为马达王作，消耗压力油 而使系统压力降低，此时将由蓄能器8 和高速旋转的飞轮7 为系统提供动力。通 过与飞轮相连的交量泵马达5 作为泵工作给系统补充匿力油，使系统的油压维 持在某压力水平。当飞轮的转速下降到所容许的下限值时，飞轮不再给系统提 供动力，此时应起动发动枧至最大动力，绘液压系统提供动力，与发动机褶连的 变量泵马达2 作为泵工作给系统提供压力油，使系统的油压上升。此时，一方 丽通过与飞轮相连麴变量泵马达5 作为马达工作为飞轮提供动力，直至飞轮的 武汉理工大学硕士学位论文 转速达到所规定的最高转速，将能量储存起来；另一方面保证系统压力的基本恒 定。然后使发动机停止运行，再继续由飞轮给液压系统提供所必须的动力，因此， 飞轮在c p s 中起着一个定压动力源的作用。 汽车在减速行驶时，驱动轮上的变量泵马达9 作为泵工作，回收汽车行驶 时的能量，使系统的油压上升，通过与飞轮相连的变量泵马达5 作为马达工作 使飞轮的动能增加而储存起来，以供汽车起动或加速时使用。此时，发动机及与 它相连的变量泵马达2 处于停转状态。当汽车行驶的能量较大，或汽车下长坡 制动时，驱动轮上的变量泵马达作为泵工作时给系统提供的能量超过飞轮所设 置的最大动能时，为了保证系统压力的恒定及飞轮的最大动能不超过所规定的上 限值，可通过安全阀来实现，将剩余的能量释放掉。 c p s 驱动系统不需要齿轮变速箱，压力补偿器能够自动地调节利用飞轮7 的动能。飞轮的能量密度及利用效率比蓄电池及单独的液压蓄能器都高，在低速 下以一定的转矩间断地运行时，汽车的燃料消耗和尾气排放大大减低，行驶平稳 性得以提高。 但是，由于在传统的机械传动式汽车底盘上，其空间不大，较大体积的蓄能 器、飞轮和减速装置以及该结构的复杂性限制了在其它汽车上的应用。 通过以上分析，力士乐二次静液驱动能量回收系统效率很高，但这种带能量 回收的无级传动装置对频繁刹车不敏感；c p s 驱动系统能量回收率高，燃油经济 性好，行驶平稳性也有很大提高，但其结构较为复杂，制造成本高。综合考虑， 本课题制动能量回收系统的液压系统参考c u m u l o 并联式动力驱动系统，以此为 基础并作出一些改进。该驱动系统具有能量回收率高，降低了发动机、传动部件 和摩擦制动部件损耗，且不需要改变原车的传动装置等优点。 2 5 本章小结 本章主要介绍了能量回收系统的原理，分析了能量回收的三种储能形式，根 据研究对象选择液压储能作为储能方式，并介绍了液压储能技术在制动能量回收 中的应用情况，分别是力士乐二次调节静液驱动系统、c u m u l o 驱动系统、c p s 系统，分析了其工作原理及节能效果，并综合三种驱动系统考虑，确定了本课题 的液压系统。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章w g 6 9 3 0 e h 公共汽车能量回收系统的方案设计 3 1w g 6 9 3 0 e h 公共汽车相关技术参数 本研究课题是对现运行车辆和在生产车辆进行设计改造，因此，对能量回收 系统的设计要考虑在原车上安装的可能性。本课题选用东风扬子江汽车有限公司 生产的w g f 9 3 0 e h 为安装制动能量再生系统的对象。表3 - 1 为该公共汽车整车 及发动机的主要技术参数。 表3 - 1 w g 6 9 3 0 e h 公共汽车整车及发动穰| 的主要技术参数 总长宰总宽总高( r a m ) 9 3 4 0 掌2 4 5 0 宰3 0 5 0 轴距( m m ) 5 埝 轮距( m m ) 1 9 1 9 w 1 8 5 0 整车 整车总质量( k g ) 1 2 0 0 0 整备质l ( k g ) 7 9 8 5 参数 轮胎规格 9 0 0 - 2 0 最高车速( k n o b ) 9 0 迎风面积a ( m2 ) 7 4 乘客座位数( 个 2 9 - 3 6 空气阻力系数c d 0 8 主减速比如 6 3 3 发动机型号y c a g l 8 0 - 2 0 发动机位置燃油种类后置柴油 发动机 最大功率( k w r m i n ) 1 3 荔2 6 参数 最大扭矩泔m r r a i n ) 6 0 0 1 6 0 0 摊量( 5 。2 睨 排放标准欧i i l 要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储 麓元件及其辅侔，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行设计。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 轰2 能量回收系统的总体方案选择及系统实现的技术关键 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 采用液压储能的驱动系统按其动力传动元件的布置方式不同，可分为两种类 型；一种是基于传统结构的并联式驱动系统，如图3 - 1 所示；另一种是基于静液 传动结构的串联式驱动系统，如图3 2 所示。 驱动拼 图3 - 1 基于传统结构的并联式驱动系统原理图 ：位必通罔 图3 - 2 基于静液传动结构的串联式驱动系统原理图 并联式驱动系统由两套动力系统组成：第一路为发动机的动力通过离合器传 递至传动系统，与传统的汽车结构完全一致；第二路为液压驱动系统，能量经由 蓄能器、液压泵马达、传动轴传递。这两套动力系统既可单独使用，也可以同 时使用。在一般路面上行驶时，驾驶员剩用发动机作为动力来驾驶汽车，如遥爬 坡或加速等情况，则可借助液压驱动系统，采用双动力系统共间驱动汽车。 串联式驱动系统主要由发动机、液压泵、液压蓄熊器、液压泵马达以及汽 武汉理工大学硕士学位论文 车的传动系统组成。发动机带动液压泵旋转，产生的液压能一部分直接驱动液压 马达，另一部分则可储存到蓄