（载运工具运用工程专业论文）公共汽车制动能量再生的液压储能技术研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文针对城市公共汽车进行了制动能量再生系统的研究，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。 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，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、轴向柱塞式泵， 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，进行了能量再生系统动力传动装置的设计。该装置采用电磁离合器以及齿形链 传动进行动力传递，提高了系统的可控性和可靠性。 本文进行了制动能量再生系统的实验设计。在对系统运行环境分析的基础上，依 据g b t 1 2 5 4 5 2 2 0 0 l 靓定的标准市区循环工况，对实验测试方法进行了分析和探讨。 关键词：公共汽车，制动能量再生，液压蓄能器，泵马达，并联驱动 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt k sp a p e r ，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 mo fc i t yb u si ss t u d i e d b yu s i n g t h ee n e r g yr e g e n e r a t i o nt 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 nr e l e a s e dw h e nt h eb u ss p e e d su p i nt h i sw a y ，t h ec i t yb u sc a nr e d u c e f u e lc 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 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 l ld i f f e r e n tt y p e o f r e g e n e r a f i v es c h e m e s ，t h i s p a p e r p r o p o s e das y s t e r ns c h e m ew h i c hi su s i n gt h eh y d r a u l i c e n e r g ys t o r a g ea n dp a r a l l e lc o n n c e d o n - d r i v i n gt e c h n i q u e s n l eh y d r a u l i cs y s t e mu s e st h eb l a d d e rh y d r a u l i ca c c u m u l a t o ra n dt h ep u m p m o t o r 勰 t 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 ea n dt h er a p i d r 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 gp r o c e s s ，t h ep a r a m e t e r so f h y d r a u l i cs y s t e ma r ef i g u r e do u t t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f h y d r a u l i cs y s t e m i sd e m o n s t r a t e d t h er 鼬t l t ss h o wt h a t 也ee n e r g yr 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 o i m p r o v et h ef u e le c o n o m yo f c i t yb u s b a s e do nt h ep a r a l l e l c 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 s i no f t h i ss y s t e mw h i c h i n c l u d e se l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha n do d o n t o i dc h a i nd r i v e i sd e s i g n e d s ot h ec 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 f t h es y s t e ma r ei m p r o v e d i nt h ep a p e r ，e x p e r i m e n t a ld e s i g nf o rb 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 mi sa l s o c o n s t r u c t 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 r 1 2 5 4 5 2 - 2 0 0 1 ) ：c i r c u l a t i o nd r i v i n g p a t t e m so f c i t y ，t h ee x p e r i m e n tm e t h o d sa r ed i s c n s s e d k e yw o r d s ：c i t yb u s ，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 ca c c u m u l a t o r ，p u m p m o t o r ， p a r a l l e lc o n n e c t i o n - d r i v i n g 独创性声明 y8 6 0 1 9 2 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得山东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。 研究生签名：彳立阂筝 时间：山。年，月夕日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 研究生签名： 仨i 习争 时间：凼“年月厂日 导师签名：埘缮2 、 时间：扣拜石月步日 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 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，能源闯题、环境污染已成为亟待解决的突出问题，节能、环 保与安全将是现今乃至未来汽车工业领域的一个永恒课题。 自1 9 7 2 年第次石油危机以来，能源问题的阴影就笼罩着全世界。目前我国能源 消耗平均以每年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。 研究发现【”，现有的耗能设备和耗能方式竞使世界能源总量的5 0 7 0 被浪费掉 了。这种形势追使人们认识到“节能”与“开发新能源”并举是解决能源危机的根本 途径，必须使通常的系统由“高耗能型”向“节能型”和“智能型”转变。目前，节 能已成为衡量一个国家能源利用好坏的一项综合指标，也是一个国家科技水平高低的 重要标志。因此，国内外很多学者都在积极研究为提高车辆经济性、动力性而使用的 混合动力传动系统。 与能源危机相伴而来的是环保闯题。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。随着汽车保有 量的不断增加，汽车的排放污染、噪声污染已经成了很多城市污染的主要来源【2 l 。 在车辆排放持续增长以及人们对环保越来越重视的情况下，为了提高城市空气质 量，减少车辆污染物的排放，迫使人们去寻找能更好地解决城市交通问题的方法。面 对这种现状，世界各国也纷纷研究和制定新的能源政策及越来越严格的汽车排放法 规，并千方百计地开发节能环保汽车。 同时在世界各国，大多数城市都面临着交通可持续发展问题。而发展城市公交系 统则是解决城市交通问题与实现节能环保的最好办法。研究表明【3 】：在相同道路条件 下，同一单位时间内，若公交车出行人均占用道路面积为1 ，则自行车出行为5 ，出 租车出行为1 0 1 3 ，有的小汽车甚至高达2 0 ；而在同一单位时间内公交车捧出的尾 气污染物仅是出租车的1 6 ，摩托车的1 9 。因此各大城市都竞相采取优先发展公交系 统的战略来缓解交通带来的压力。 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。市区公共汽车 的工作特点是频繁的起步加速与换挡制动，在制动过程中，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 2 国内外研究现状 1 2 1 车辆制动能量再生技术简介 带有制动能量再生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，它可以充分利用诱种动力源的优点，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和发动机在最低比油耗区工作时所剩余的能量， 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，制动能量再生系统大致可以分为飞轮储能、蓄电池储 能、液压储能三种【4 l 。它们所具有的传递形式如图1 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。 图卜1 车辆制动能量再生系统的一般工作原理简图 1 、飞轮储能p 1 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自b 遮，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1 - 2 所示【6 】。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。 区丑一1 6 1 主离舍器；2 增速齿轮；3 一飞轮离合器；4 一高速飞轮；5 一空气流；6 i 飞轮箱；7 轴承 图1 _ 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 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 小。飞轮储能的主要缺点是抗震性能差，平稳性不好，噪声大，对工作环境要求甜7 1 。 2 、蓄电池储能嘲 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问的转化。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1 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【9 】。 悝哟 驱动桥 图1 _ 3 使用蓄电池储能的车辆混合动力驱动系统原理简图 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 0 】。 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。 3 、液压储鲥1 1 】 3 翮吾 山东理工大学硕士学位论文 第章绪论 i l ii i i e 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蓍 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t 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置【l ”。 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i l3 1 。由表1 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；蓄电池尽管能量密度很大，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。 表1 1 三种储能方案比较 注：+ + ( 优秀 ；+ ( 好) ；o ( 中等) ；一( 差) 一一( 很差) 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 压储能可较长时闻储能，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。 4 1 2 2 国内外研究概况 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了。 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汽 车的研究工作【“ 。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 e 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 o r d e 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 鲥。1 9 8 7 年，日本m i t s u b i s h i 公司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系统可节油 3 0 0 0 i t 6 。前苏联也进彳亍了类似的工作，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 ，电力复合驱动循环平 均油耗降低约2 0 0 , ，同时，提高了汽车的加速性能，并延长了其使用寿命。 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 r n 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 。 在国内，汽车节能技术的研究也开展了很长一段时间。2 0 世纪8 0 年代中期，吉 林工业大学罗邦杰教授进行了高速飞轮储能的复合驱动系统的研究【l7 】；9 0 年代后期， 哈尔滨工业大学对车辆静液储能传动系统进行了研究，并取得了一定成果【1 8 】。另外， 北京理工大学、南京理工大学、东北农业大学、西南交通大学等单位也都进行过车辆 节能复合驱动技术的理论和实验研究【1 9 】口0 1r 2 1 1 。从总体上讲，国内对汽车制动能量再 生技术的研究取得了定的进展，不过多局限于个别系统的理论和实验研究上，在整 个制动能量再生系统的优化设计以及实际应用上与国外研究水平还存在一定的差距。 1 2 3 液压储能技术在制动能量回收中的应用情况 德国的m a n 公司、瑞典的v o l v o 左k - - q 和日本的m i t s u b i s h i 公司都曾开发过使用 液压储能的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，这种系统己成功的在欧i i l 和北美多个城市的公共汽车上得到实 现。在国内，还未见有实际商业化应用的报道。 1 、力士乐二次调节静液驱动系统阎 5 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 教授于1 9 7 7 年提出 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 配置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。 德茵韵m a n n c 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 ) 上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【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 l 来驱动， 如图1 4 所示。它在满载启动时能给出大约1 8 0 k w 的功率，由此可使汽车在2 0 秒内加 速到它的最大速度5 0 k m h 。而发动机的功率却只有3 0 k w ，其1 5 0 k 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- 4 , 部分，故传动系 统的总效率非常高。 1 发动机；2 一一次元件；3 - 液压蓄能器；4 - 二次元件；5 汽车后桥 圈1 _ 4 力士乐二次调节静液驱动系统原理图 2 、c u m u l o 驱动系统4 l 瑞典的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。v o l v o 的c u m u l o 动力驱动系统分为并联式和串联式 两种，分别如图1 5 和l - 6 所示。其中图1 5 所示的c t u n 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 6 山东理工大学硬士学位论文 第一章绪论 统驱动汽车。当柴油发动机发动起来时，车速一般可达3 0 4 0 k m h 。 这种公共汽车的性能如下： ( 1 ) 对每千米4 站n 5 站的城市公交路线，可节省燃料约3 0 ； ( 2 ) 节省燃料的结果使废气的排放量减少了3 0 ； ( 3 ) 汽车加速离开车站时的噪音降低； ( 4 ) 发动机、传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少，从而降低了损耗。 a 液压泵，马达；b 链传动装置；c 蓄能器：d 油箱；e 电控单元 1 加速信号；2 - 制动信号；3 发动机控制：4 瘦速器档位控制：5 - 泵马达控制；6 - 液压阀控制 图1 5c u 籼l o 并联式动力驱动系统的结构图 ，泵，马达：b 一变速装置；c 蓄能器：d 油箱；e 电控单元 l - 加速信号；2 - 制动信号：3 - 发动机控制；4 - 泵，马达控制；5 车速信号；6 蔷能器压力信号 图1 - 60 t n a u i o 静液驱动系统的结构闰 3 、c p s 系统彤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 0 i l s t 粕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 “df o r c ec o u p l e ) 液压泵马达。有几家汽车制造公司生产了c p s 公交汽 车，在东京等3 个城市中运营，尾气排放和燃油费用各降低t 2 0 以a 。 1 发动机；2 与发动机相连的泵，马达；3 单向阀；4 - 压力补偿阀；5 一与飞轮相连的泵马达 6 联轴器；7 飞轮：b 蓄能器：9 驱动轴上的泵冯达；1 0 减速器及差速器；- 车轮 图1 - 7o p $ 系统工作原理图 c p s 系统工作原理如图1 7 所示，c 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、蓄能器、压力补偿机构组成。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 作为马达工作，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 的变量泵马达5 作为泵工作给系统补充压力油，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 机至最大动力，给液压系统提供动力，与发动机相连的变量泵马达2 作为泵工作给系 统提供压力油，使系统的油压上升。此时，一方面通过与飞轮相连的变量泵马达5 作为马达工作为飞轮提供动力，赢至飞轮的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卒卜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 矩闻断地运行时，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。 1 3 研究的内容和方法 本课题对公共汽车制动能量再生系统进行研究，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。本论文主要完成该系统液压储能及传动部分的研究设计任务。 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，对车辆制动能量再生系统的动力传动装置进行优化设计。 4 、进行制动能量再生系统的实验设计，为下一步的工作打下一定的基础。 9 第二章制动能量再生系统的总体方案 2 1 系统驱动方式的选择 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2 i 所示：另一种是基于静液传动结构 的串联式驱动系统，如图2 2 所示。 圈2 - i 基于传统结构的并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，驾驶员利用发动机作为动力来驾驶汽车，如遇爬坡或加速等情况， 则可借助液压驱动系统，采用双动力系统共同驱动汽车。 图2 - 2 基子静液传动结构的串联式驱动系统原理图 串联式驱动系统主要由发动机、液压泵、液压蓄能器、液压泵马达以及汽车的 i o 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能器中，在汽车加速或其它工况下使用。由于发动机与车轮间没 有直接的机械连接，发动机的调节控制是独立的，因此可以使发动机工作在效率和排 放最佳的工况下，从而获得良好的燃油经济性和排放性能。这种布置具有结构简单、 布置方便的特点。但是，由于经过了发动机一液压泵一液压马达间的多次能量转换， 这种系统的能量利用率较低。 并联式系统与串联式系统相比，具有效率高、能量损失小等特点，并且由于并联 式驱动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。 综上分析，本系统总体方案采用并联式驱动、液压储能的制动能量再生系统，其 组成包括传动系统、液压系统和控制系统三部分。传动系统仍使用原车的传动系统， 以使改装后的汽车仍能保持原来的动力性能；液压系统实现汽车制动能量的回收和再 利用，在汽车起步、加速和爬坡时，协助发动机克服短时间的大负荷或超负荷工况， 尽可能使其更长时间地工作在经济工况：控制系统用来协调整个系统的正常运行。 2 2 系统实现的技术关键 l 、提高能量转化率 制动能量再生系统工作时，应具有合理的能量回收率以及尽可能大的能量再利用 率。若能量回收率过小，会使车辆制动时损失的机械能不能充分回收利用；能量回收 率过大，又会造成所设计的系统成本太高，导致其技术经济性不好。所以，应依据车 辆的实际运行工况，综合考虑车辆制动和起步加速时的要求，对系统参数进行优化设 计，提高系统的工作效率。 2 、能量再生系统与原车动力系统的合理匹配 制动能量再生系统与原车动力系统之间的匹配问题涉及到系统的整体结构设计 和系统控制策略的选择，是能量再生系统实用化的关键因素。 在车辆制动或正常行驶时，能量再生智能控制系统应保证两套动力系统独立运行 而不相互干扰；当车辆在起步、加速、爬坡等大负荷工况时，能量再生系统应与发动 机进行动力匹配后，协助发动机克服短时间的大负荷工况，尽可能使其更长时间地工 作在经济工况。 3 、能量再生动力传动系统的优化设计 从液压储能系统到驱动桥之间的动力传动系统设计包括确定泵马达附加传动 比、提高系统传动效率以及对泵马达离合器进行自动控制等问题。在设计时，应充 分考虑车辆的实际布置空间，在满足整个系统工作性能的前提下，提高传动系统的可 靠性和技术经济性。 2 3 系统方案设计 2 3 中通l c k 6 8 5 0 c h d d 型公共汽车相关技术参数 本课题选用聊城中通客车厂生产的l c k 6 8 5 0 c h d d 型公共汽车为安装制动能量 再生系统的对象。表2 - 1 为该公共汽车整车及发动机的主要技术参数。 表2 1 l c k 6 8 5 1c h d o 公共汽车整车及发动机的主要技术参数 要将该车改装成带有制动能量再生系统的车辆，霈要添加能量转换元件、储能元 件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行整体设计。 2 3 2 系统结构设计 车辆制动能量回收再生系统的结构原理图如下所示。 。一- 。一 i itt 6 i 1 售 9 | 1，亡 r 申 li l 山 孽 4 上l l hh ，卜酚专 1 发动机；2 主离合器；3 传动装置；4 一动力接口；5 一驱动桥：6 电控单元：7 前6 动踏板；8 加速 踏板：9 泵马达离合器；1 0 - 泵马达：1 1 方向控制阀；1 2 一液压蓄能器：1 3 溢流阀；1 4 一油箱 图2 - 3 车辆制动能量再生系统的结构原理图 制动能量再生系统能量的回收与释放通过可逆的液压泵马达实现。液压泵马达 在回收能量时作为油泵，在释放能量时作为马达，其能量回收与释放功能转换由换向 阀及其相应的辅助装置实现，并受电控单元控制。电控单元接受发动机转速、系统压 力、车辆运行状况及驾驶员操作意图等相关信号，综合处理后对整个系统进行控制。 回收的能量以液压能的形式存储于蓄能器中，在能量释放过程中，储存的液压能 由马达经动力传动装置协同发动机驱动汽车工作。为了消除回收能量时发动机起制动 作用而使能量不能充分回收再利用，方案设置了车辆的传动系统与发动机间的电控离 合装置。该装置在能量回收时将发动机与传动系统间动力传递切断，从而消除了减速 制动过程中发动机起制动作用而使储能装置不能充分发挥作用的现象。 23 3 系统工作过程分析 1 、制动能量回收过程 汽车开始制动时，司机踩动制动踏板，此时汽车主离合器断开，由于车辆的惯性 而产生的负载力矩驱动液压泵马达，使其转化为泵工况工作，所产生的高压液压油 通过液压阀进入高压蓄能器。这样就把汽车制动时的动能转换成液压能储存起来。系 统压力的壤大值可通过安全阀控制。 当紧急制动时，司机猛踩制动踏板，踏板在极短的时间内就通过启动能量回收系 统阶段的行程，在本系统起作用的同时，汽车原来的制动系统也一起工作，从而使汽 车能在极短时间减速至所要求速度或停止。 如果能量回收系统的蓄能器未充满而减速过程已经停止，则系统将保持该压力， 1 3 等下一个加速或减速过程将其释放或充满。 2 、制动能量释放过程 当汽车起步加速时，高压液体经过开关阀驱动液压泵马达，该元件作为马达再 推动驱动轴，使汽车起步加速。在这个过程当中，发动机可以同时工作，汽车此时有 两个动力源，使得汽车能在更短的时间内加速并减少发动机油耗。当在加速过程中系 统压力小于设定值时，由压力传感器发出信号控制能量再生系统的离合器自动断开与 传动系统的连接，由发动机驱动汽车继续前进。汽车又回到减速制动前的工作状态。 当汽车在行驶过程中加速时，随着司机踩动油门，在发动机加大输出功率的同时， 能量再生系统也被激活。当泵马达输出轴的转速与发动机的转速相匹配时，控制系 统控制其与汽车传动系接合，为汽车提供额外动力，直至加速过程结束或液压系统压 力小于设定值时，才将本系统与汽车传动系断开。 2 3 4 系统控制策略 l 、系统控制策略的选择 车辆制动能量再生系统有三个关键因素：液压蓄能器、泵马达、控制策略。控制 策略是整套系统工作的核心，不同的控制策略将会产生不同的燃油经济性以及要求不 同的蓄能器容量来匹配。对于一个给定行驶条件下的特定车辆，为尽可能减少燃油消 耗，驱动控制系统应能满足以下条件： ( 1 ) 制动能量再生系统尽可能多回收车辆动能； ( 2 ) 所回收能量再利用效率高； ( 3 ) 主要能量转换单元及其传动装置工作效率高。 ， 控制策略选取的原则是简单有效，使车辆尽量降低耗油量，动力传动系统稳定， 具有适当的响应与动态指标。根据以上条件可以得到三种不同的控制策略【2 6 】： ( 1 ) 开关控制。当车辆制动时，车轮带动液压泵工作将车辆的动能回收到蓄能器 中，当回收的能盈超过了蓄能器的存储容量时，原车的摩擦制动器起作用，使车辆进 一步减速或制动；当车辆起步或加速时，只要蓄能器中的能量达到某一值，液压马达 就输出扭矩协助发动机工作。当蓄能器的能量降到最小值时，由发动机单独完成汽车 后面的加速和匀速行驶过程。 ( 2 ) “最佳效率”控制。这是一种全程控制方案，它对动力单元的选择依赖于发 动机和液压马达所提供车辆行驶驱动力的效率。因此，当蓄能器中的压力符合释能条 件时，液压马达的工作条件为： 巩一仉 t ( 2 1 ) 式中：n 。液压马达的效率； h 。发动机加变速器的效率； 1 4 山东理工大学硕士学位论文 第二章制动自 量再生系统的整体方案 量舅舅皇警舞皇蔓蔓曹曼_ _ 皇曼曩薯皇皇量量薯奠蝴i i 圈皇皇 r 测试数。 控制系统在每循环后都必须根据蓄能器中的储能情况对测试数t 进行校正。蓄能器中 能量增加时t 减小，反之增大。这种控制方案原理上简单，但实现起来比较复杂。 ( 3 ) 发动机输出恒转矩控制。这种方案允许发动机在加速和匀速期间以恒定的转 矩运行，即车辆在一个工作循环( 如公共汽车在两站间行驶) 中，需要的总能量与发动 机和储能机构所提供的能量总和相等。这样可以减小发动机的尺寸并使其工作在最佳 燃油经济区附近，储能机构只是在有峰值载荷时才提供动力。这种控制方案也必须不 断检查蓄能器的能量，以便在各个工作循环后，调节发动机的输出力矩。 综合以上三种方式，考虑系统设计要求就是要尽量减少对原车的动力传动系统的 改变，因此开关控制就具有简单可行的优势，是一种有效的控制策略。 2 、开关控制分析 当车辆起步加速时，首先判断蓄能器中的压力大小。若蓄能器中的压力符合释能 条件，则把油门踏板行程分为两个阶段。第一阶段：车辆制动能量再生系统释放的能 量与油门行程成正比，这样保证车辆初期主要由液压储能系统供应能量，降低对发动 机的功率需求，降低浊耗，并有利于驾驶员对车辆的控制，这一行程占总油门行程的 2 5 ；第二阶段：到这一油门行程说明驾驶员需大功率加速车辆，储能系统将把泵马 达排量调在最大，保证最大限度释放能量。 对于制动工况，也把制动踏板行程分为两个阶段。第一阶段原制动系统不工作， 由控制系统来实现同制动踏板行程成正比的车辆制动减速度。当制动踏板超过第一阶 段，由控制系统实现稳定的系统最大制动强度，与原制动系统一同工作。另外，由于 本系统制动时，只能是驱动轮工作，造成的系统能提供的最大制动强度有限，在雨雪 天气，路面附着系数小，强度比较大的制动时，能量回收系统与原制动系统一同工作， 会造成前后制动力严重不均，对汽车稳定性造成危害。为此系统需计算车轮滑移率， 以保证在雨雪天气不会因增加能量回收系统对车辆稳定性造成危害。超过一定滑移 率，能量回收系统会适当降低提供的制动强度，甚至不工作，这由控制系统来判断。 系统控制结构简图见图2 4 。 图2 - 4 系统控糊结构框图 为得到一定的制动强度或驱动强度，泵马达排量是唯一能主动加以控制的参数。 山东理工大学硕士学位论文 第二章制动能量再生系统的整体方案 _ 1 1 1 1 1 1 控制器以油门踏板所指示的目标加速强度或以制动踏板所指示的目标制动强度与实 际车辆所获得强度之差为输入，以计算所得的泵马达排量为输出，通过泵马达的作 用来控制车辆所期望的加速或制动强度。 在实际应用过程中，虽然采用变量泵马达要比定量泵马达有更好的能量回收效 果，但采用变量泵马达系统也增加了控制系统的复杂程度，而且现有的变量泵马达 产品价格相当昂贵。因此，在后面的液压系统设计及系统实验研究中，我们选择定量 泵马达作为能量再生系统的能量回收和释放元件。 2 4 本章小结 1 、本章分析了制动能量再生系统的技术关键及实现途径，并结合具体车型，制 定了采用液压储能技术、并联式驱动的系统整体方案。 2 、通过对系统工作过程进行分析，结合现有技术条件，确定了采用开关控制的 系统控制策略。 1 6 山东理工大学硕士学位论文 第三章液压系统设计 3 1 制定液压系统方案 第三章液压系统设计 液压系统的任务一是将车辆在减速制动与下坡工况损失的机械能及时地转变为 液压能予以储存；二是在车辆处于加速、爬坡或起步工况时，将储存的液压能予以释 放转换为机械能，帮助发动机驱动车辆行驶，能量释放强度以保证发动机经济工况为 基准，并综合考虑加减速的循环频率。要求整个系统随动作用快，换向速度高，自动 化程度高，安全可靠，寿命长，质量小，结构紧凑。噪声低，成本低。综合以上因素 考虑，液压系统方案设计如下： ( 1 ) 选择开式液压系统； ( 2 ) 执行元件选择功能可逆的定量泵，马达； ( 3 ) 液压回路的方向控制采用电液换向阀； ( 4 ) 采用低压蓄能器作为缓冲装置。以缓冲瞬间加在马达上的高压油。 液压系统工作原理如图3 1 所示。 1 - 油箱；2 - 单向阀；3 低压蓄能器：舢泵冯达；5 过滤器；6 - 电液换向阀； 7 - 高压蓄能器；8 压力计；9 溢流阀；l o - 节流阀；1 1 - - 位二通电磁换向阀 图3 1 液压系统工作原理图 1 7 山东理工大学硕士学位论文 第三章i 璜压系统设计 3 2 液压系统主要参数的确定 液压系统参数主要是由执行元件的工作参数确定的。对本文所设计的液压系统来 说，共有5 个关键参数，即液压泵马达排量外液压蓄能器初始容积、液压蓄能器 最低工作压力p j 、液压蓄能器最高工作压力印及液压泵马达附加传动比咯。这5 个参 数的选值不同，最终将导致能量转化率不同。 3 21 系统工作压力 本设计中系统压力可根据车辆制动扭矩来选择，但应有定范围。系统工作压力 选择的越低。执行元件的容量也越大，系统所需的流量也大，这会加大液压元件的结 构尺寸，而样车布置空问不允许；反之，压力选得太高，对液压元件的材质、密封、 制造精度等要求就高，必然提高系统成本。因此，执行元件工作压力的选择取决于尺 寸限制、成本、使用可靠性等多方面因素。目前，常用液压设备的工作压力如袭3 1 所示，它反映了这些系统的特点和经验，可参照选用旧。 表3 - 1 常用液压设备工作压力 随着液压技术水平的提高，液压系统的工作压力有向高压化发展的趋势。有资料 表明【2 8 】，低压系统的价格要比高压系统的价格高出5 0 2 0 0 ，因此，系统工作压 力向高压化发展也符合经济规律的要求。 所以，依据制动能量再生系统的工作性质与环境，压力初选为1 9 3 2 m p a 。 3 2 2 蓄能器有关参数的计算 1 、蓄能器压力的确定 蓄能器压力技术参数主要包括充气压力p o 、最低工作压力刃和蓄能器最高工作 匪力p 2 。 ( 1 ) 蓄能器最低工作压力所的确定 蓄能器的最低工作压力力应能满足执行机构最大负载工作时所需压力。可按下 式计算： p ；= p ，一一印一 ( 3 1 ) 山东理工大学硕士学位论文第三章液压系统设计 式中：p 。执行机构所需最大工作压力： a p 一蓄能器到最远的执行机构的最大的压力损失之和。 ( 2 ) 蓄能器最高工作压力p 2 的确定 蓄能器的最高工作压力p 。的确定，既要考虑到蓄能器的寿命，又要考虑到能适 当增加有效排油量。 对皮囊式蓄能器来说，从延长其使用寿命考虑应使p 2 3 p ，即肌越低于极限压 力3 p ，皮囊寿命越长。 提高肋虽然可以增加蓄能器有效排油量，但势必使泵的工作压力提高，相应功 率消耗也提高了，因此胁应小于系统所选泵的额定压力。作为动力源使用的蓄能器， 为使其在有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定，根据常用经验公式，一般推 荐： p l = ( o 昏8 5 ) p 2 ( 3 - 2 ) ( 3 ) 蓄能器充气压力p o 的确定 在本系统中蓄能器作为储能装置及辅助动力源使用，这种蓄能器充气压力的确定 首先应考虑使蓄能器容积最小，而单位容积的蓄能器的储能量最大，然后考虑胶囊寿 命，尽