（车辆工程专业论文）汽车cps定压源能量回收系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，减少车辆的燃料消耗量和废气排放量是车辆节能和环保的重要课 题之一将车辆制动过程中转变为热能的动能加以回收利用是一个值得研究 的课题。 定压源系统是近年来发展起来的新型静液压驱动系统，它不仅能高效地从 系统中取得能量，还可以回收并重新利用运动物体的动能和势能，显著提高系 统的效率，并可缩短加速时间，减少起动时的排污问题，提高汽车的燃油经济 性。本文针对汽车的燃油消耗量和减少废气排放设计了汽车c p s 定压源能量回 收系统能量回收系统，设计了c p s 定压源能量回收系统，定压源液压传动系统 采用变量泵马达，气囊式蓄能器和飞轮作为能量转换及贮存部件，实现制动 时的动能回收和启动加速的液压能回馈。将汽车制动时的动能转变为液压能， 并将液压能转变为飞轮的机械能储存起来，在汽车加速或上坡时再利用。汽车 在减速行驶时，驱动轮上的变量泵马达作为泵工作，由蓄能器和高速旋转的 飞轮回收汽车行驶时的能量；汽车在加速行驶或等速行驶阻力增加时，驱动轮 上的变量泵马达作为马达工作，由蓄能器和高速旋转的飞轮为系统提供动力。 定压源液压系统中的蓄能器主要作用是稳定系统压力，消除波动。论文的主要 内容包括： 1 结合国内外研究现状提出系统模型的总体设计方案，分析系统的工作原 理，提出系统的控制策略，推导系统及液压回路在各种不同情况的流量计算公 式。 2 c p s 能量回收系统关键零部件性能参数的确定针对具体车型，利用 m a t l a b 对c p s 能量回收系统中变量泵马达，蓄能器，飞轮影响汽车性能指标 的参数进行仿真计算。 3 系统仿真。设计系统的控制算法方框图，利用m a t l a b 和s i m u l i n k 对整 个系统进行仿真，利用劳斯判据和博得图分析系统的稳定性，分析系统的燃油 消耗量以及c p s 系统与传统系统在节油方面的比较。 本系统采用液压技术、传动技术和控制技术相结合的方法实现车辆的低油 耗、低排放，并有效地提高车辆的动力性能。本文对系统的原理，控制策略， 系统主要部件的参数以及系统仿真作了较为详细地阐述，结果表明该系统在环 保节能上的优越性，具有较高的经济效益和社会效益。 关键词：定压源系统；能量回收；变量泵马达；液压系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a b s t r a c t t o d a yi tb e c o m e so n eo fv e r yw 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 n a n de x h a u s tg a s e sf i o mv e h i c l e sf o re n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i t sa q u e s t i o nf o rd i s c u s s i o nt h a tt h ek i n e t i ce n e r g yb el o s ta sh e a td u r i n gv e h i c l e b r a k i n gm i g h tb er e c e i v e da n du s e d t h ec o n s t a n tp r e s s u r es y s t e mi san e wt y p eo ft h eh y d r o s t a t i cd r i v es y s t e m d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i tn o to n l yg a i n se n e r g yf r o mt h es y s t e me f f i c i e n t l y , b u t a l s or e c o v e r st h ek i n e t i ca n dp o t e n t i a le n e r g yf r o mm o v i n gb o d i e sa n dr e u s ei t t h es y s t e m - e f f i c i e n c yc a nb er a i s e dr e m a r k a b l y , i tc a l la l s or e d u c ea e c e l e r a t c dt i m e ，t h ee x h a u s tg a s e sa n di m p r o v ef u e le c o n o m y p u m p m o t o r , a c c u m u l a t i o na n d f l y w h e e la r eu s e dt ot r a n s f o r ma n ds t o r ee n e r g y , t h er e s i d u a r yk i n e t i ca f t e rt h e v e h i c l eb r a k i n gt r a n s i t sh y d r o s t a t i ce n e r g y , t h e nh y d r o s t a t i ce n e r g yt r a n s i t sk i n e t i c o ff l y w h e e lw h i c hc a nb er e u s e di na c c e l e r a t i o no ru p g r a d e p u m p m o t o rw o r k sa s p u m p ，t h ea c c u m u l a t i o na n dt h eh i g h s p e e df l y w h e e lr e c l a i mt h ek i n e t i ce n e r g y w h e nt h ev e h i c l ei ns p e e d d o w ns t a t e p u m p m o t o rw o r k sa sm o t o r , t h e a c c u m u l a t i o na n dt h eh i g h s p e e df l y w h e e lp r o v i d ep o w e rf o rt h ev e h i c l ew h e nt h e v e h i c l ei na c e u m u l a t i o ns t a t e t h em a i nf u n c t i o no ft h ea c c u m u l a t i o ni st ol e v e l o f fp r e s s u r ea n de l i m i n a t eu n d u l a t i o no ft h es y s t e m t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： 1 t h em o d e lo fs y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo f r e s e a r c h ，a n a l y z i n g t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，b r i n g i n g f o r w a r dt h ec o n t r o l l i n g s t r a t e g ya n dd c d u c t m gt h ee x p r e s s i o n so ft h el i q u i di nl o o p 2 t h em a i np a r a m e t e r so fc o m p o n e n t sa r cc o n f i r m e d s i m u l a t i o no np a r a - m e t e r so fp u m p m o t o r , a c c u m u l a t i o na n df l y w h e e lw i t hm a t l a b 3 s i m u l a t i o no nt h es y s t e mw i t hm a t l a ba n ds i m u l i n k t h eb l o c kd i a g r a mo f c o n t r o li sd e s i g n e d a n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo f s y s t e mw i t hi a w e sa n d b o d ea n dt h e f u e lc o n s u m p t i o n t h el o wo i lc o n s u m p t i o na n dl o wg a s e se x h a u s to fv e h i c l ea r ea c h i e v e db y u s i n go ft e c h n o l o g ya b o u th y d r a u l i cp r e s s u r e ，t r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 a n dt h e m o t i v ec a p a b i l i t ye f f e c t i v e l yi sr a i s e d t h et h e o r yo ft h es y s t e m ，p a r a m e t e ro ft h e m a i na s s e m b l e sa n dt h es i m u l a t i o no ft h es y s t e mw e r ee l a b o r a t e di nt h et h e s i s i t w i l lb r i n ge x t r e m e l yh i 班e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：t h ec o n s t a n tp r e s s u r es y s t e m ；e n e r g ys a v i n go fa u t o m o b i l e ； p u m p m o t o r ；f l y w h e e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着油价节节攀升和石油危机的真正到来以及汽车拥有量的日益增多， 汽车的节能和环保问题已受到国内外汽车工程界的极大重视。为了保护环境 及合理地利用资源，就必须降低汽车的废气排放和汽车的燃料消耗。由于传 统汽车在制动时，汽车的动能变为热能而损失，一方面，汽车的能量没有得 到充分的利用；另一方面，降低了汽车制动器等有关零部件的使用寿命。为 此，将汽车下坡时的势能和制动时损失的能量进行回收，并在汽车加速或上 坡时再利用，可缩短加速时间，减少起动时的排污问题，提高汽车的动力性 及燃油经济性。 1 2 定压源系统研究的背景及意义 在当今社会，汽车是重要的交通工具，汽车工业是国民经济的支柱产业 之一，对社会的经济建设和科学技术的发展起着重要的推动作用。汽车由于 其庞大的拥有量，因而对能源的消耗是惊人的，对环境的影响也是巨大的。 近年来，能源问题的阴影笼罩着全世界。据统计，目前全世界每日石油 的消耗量为8 0 0 0 万桶左右，其中用于交通运输方面的石油约占4 5 ，而在 交通运输的石油消耗中，汽车用油约占整个交通运输石油消耗量的，0 8 0 ，即汽车用油占石油总消耗量的3 0 多【。2 0 世纪初美国汽车工业兴起 之后，汽油才成了人类的宝贝，被大量使用于汽车、飞机，使人类得以离开 家园作长距离的远行。只经过一个多世纪的消耗，几百万年形成的这个地球 资源宝藏，就面临着在几十年内被开采光的命运。地球上的石油资源毕竟是 有限的，而人类对石油的消费需求却绵延不断，永无止境，总有一天会达到 石油资源耗尽的地步。 能源问题已成为关系国家经济命脉的头等大事，目前如何有效的利用能 源已成为世界科学家和工程师普遍关注的问题。与其他国家相比，正处于发 展中的我国能源消耗巨大，中国的石油进口量已经超过亚洲的日本，是世界 上第二大石油进口国【2 j 。 与能源危机相伴而来的是环保问题。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经 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、干旱及各种罕见疾病等如洪水 猛兽般不断出现，给人们的日常生活带来严重的影响，环保成为世界日益关 注的问题。 目前我国很多大城市的汽车尾气污染相当严重。汽车尾气主要成分是二 氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、铅、碳烟和苯并芘等。这些排放物，对人体 有直接危害。如氮氧化物被吸入肺内，会导致胸闷、咳嗽、气喘甚至肺气肿 等症状的疾病；苯并芘是公认的强致癌物质。汽车尾气还会破坏地球臭氧层， 使地球表面温度升高，在生态和地球化学方面造成灾难。据估计，我国每年 环境污染损失大约3 0 0 0 亿元，其中汽车尾气造成的大气污染损失高达6 0 亿 元 3 - 5 1 。 随着城市车辆的增加，城市交通噪声也将越来越严重。由于汽车刹车、 启动频繁和经常鸣笛，给城市的生活造成了很大的噪声污染。汽车噪声的危 害也很大，除了损伤人的听力以外，还会使人心绪不宁、心跳加快、血压增 高、使人唾液和胃液分泌减少，胃酸降低，从而易患胃溃疡和十二指肠溃疡 m 。 现有汽车的行车制动主要是通过摩擦式制动器将车辆行驶的能量( 包括 动能及势能) 转化为热能而消耗，以实现汽车减速的目的。显然，这种制动 形式将会产生下列问题 s - 1 0 l ： 1 制动时汽车行驶的能量( 车辆行驶的动能及下坡时具备的势能) 没有 得到利用，造成燃料消耗过大。 2 产生公害。一方面，汽车在行驶时，特别是汽车在频繁的制动过程中( 加 速、怠速及起动) 会产生大量的废气；另一方面，汽车在制动时，制动系及轮 胎会产生较大的噪音。此外，由于大部分制动器的摩擦片采用的是石棉基材 料，因而汽车制动时在空气中会产生有害于人体的石棉纤维【1 1 】。 3 大大降低制动器的使用寿命，影响汽车行驶的安全性。汽车在短时闻 内的多次重复制动以及下长坡时制动，会使制动器内温度过高而导致摩擦材 料过快磨损，摩擦系数降低，从而使制动能力降低或失效，严重影响制动的 安全性。为此需经常性更换摩擦副( 摩擦片、制动鼓或盘) ，或调整摩擦副之间 的间隙，增大了维修成本。 4 为确保汽车制动的安全性，必须增设制动辅助装置及自动防抱死系统， 因此提高了汽车的制造成本。为防止出现后轴侧滑及前轮失去转向能力，要 求汽车不管在何种行驶路面下制动时，既不能出现后轴车轮先抱死的危险工 况，也不能出现前轴车轮先抱死或前、后轴车轮都抱死的工况。汽车的自动 防抱死装置就是为了防止车轮抱死而充分利用轮胎与不同路面的峰值附着系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 数和高的侧向力系数，提高制动减速度，保证制动的安全性。 为此，人们正在寻求新的制动方法，即将汽车制动时的能量进行回收， 在汽车加速或起动时进行再利用。一方面，使汽车制动时的能量得到充分的 利用，改善了汽车的燃油经济性能；另一方面，可显著提高汽车有关零部件 的使用寿命 针对在汽车发展中出现的这些闯题，世界各国都投入了大量的人力物力 去解决。其实，能源和环保问题是统一的，节约能源的同时，也是对环保的 贡献。具体以汽车为例，如能把制动器消耗的能量回收，并在车辆起步或上 坡时加以利用，减少耗油量，这无疑是提高能量利用率的有效途径，同时也 会改善车辆的排放性能，起到了节能环保的双重效果。因此减少汽车的耗油 量，开展对环保节能型汽车驱动技术的研究已成为人们致力研究的重要方向。 由于能量回收技术特别适用于那些周期性短时内需不断加速和制动的大 中功率场合，除在汽车上的应用外，还可应用在工程机械及矿山机械，如推 土机、挖掘机、铲运机、矿用自卸车等使用路面为上下坡频繁路况的车辆； 在起重机、自动电梯等升降系统中，也可回收与利用重物的势能【胁”l 。因此， 对c p s ( c o n s t a n tp r e s s u r es y s t e m ) 汽车能量回收系统的研究具有重要的理论 意义和广阔的市场前景 总之，由于在我国对汽车制动时回收车辆系统能量的研究刚刚起步，有许 多理论及技术开发方面的工作要做。跟踪国外先进科技，将其转化为自己所拥 有的技术，并在此基础上加以改善和提高，促进我国汽车工业水平的发展，是 一项长远而艰巨的任务。 1 3 国内外研究概况 随着社会的不断发展，特别是发展中国家经济的迅速发展，世界汽车的 保有量增长迅速，能源需求量也将不断增长；同时由于车流密度大，造成交 通拥挤，汽车需经常进行减速( 停车) 、起步和加速，制动的次数极为频繁， 制动器的使用寿命大大降低，使汽车行驶的安全性得不到保证，制动时汽车 的能量没有得到充分的利用；此外，汽车排出的大量废气和制动器制动时的 尖锐噪音对环境产生严重的公害。所有这些问题使人们开始研究环保和节能 型汽车。在环保方面，人们正在研究使用天然气、电力( 包括蓄电池) 、核能 等汽车，但由于天然气在不同地区的分布不一样及蓄量的限制，电力汽车的 电网及道路条件的限制，高能蓄电池的研究还未获得实质性的突破，氢能及 核能汽车的研究及技术还不成熟，使得汽车在这方面的应用受郅一定的限制 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 【m 1 9 】；在汽车节能研究方面，以前，人们主要从降低机械摩擦件问的摩擦和 磨损、对汽车的结构及性能进行优化匹配及添加帮助燃料充分燃烧的催化剂 等来减低燃料的消耗量，大致可归纳如下方法 2 0 - 2 4 1 ： 1 改进发动机的结构，降低油耗。包括： ( 1 ) 适当提高压缩比，以提高发动机的热效率。 ( 2 ) 改进发动机的配气系统和配气相位，提高充气效率；改进发动机的供 油系和喷油规律，以改善可燃混合气的形成和燃烧过程，提高燃烧效率。 ( 3 ) 改进燃烧系统，合理地组织可燃混合气的形成和燃烧过程。 ( 4 ) 采用增压技术，提高发动机的有效功率。 ( 5 ) 减少各种机械摩擦损失，提高机械效率。 ( 6 ) 采用电子控制系统。 采用代用原料，如氢、液化石油气、各种植物油、多种醇类等。 ( 8 ) 研制节能发动机，如陶瓷绝热发动机、旋转活塞式发动机等。 2 搞好发动机的调整与使用。包括： ( 1 ) 合理地调整燃油系的技术状态。 ( 2 ) 合理地调整点火系的技术状态。 ( 3 ) 合理地调整配气相位。 ( 4 ) 采用发动机的节能装置，如空气节油器、真空节油器、螺旋喉管节油 器、燃油雾化节油装置等。 3 减少汽车行驶阻力，降低整车油耗。包括： ( 1 ) 发动机与整车的合理匹配。i ( 2 ) 合理地选择汽车传动比，提高传动效率。 ( 3 ) 减轻汽车的自重。 ( 4 ) 使用经济车速运行，如在良好路面使用直接档、超速档运行等。 ( 5 ) 根据汽车使用路面情况，合理地选择轮胎，以减少滚动阻力系数。 ( 6 ) 合理地选择车身造型，以减少汽车的空气阻力。特别是高速行驶的车 辆，空气阻力是汽车的主要行驶阻力。 虽然上述这些方法能够减低汽车的燃料消耗，国内外许多学者也在从事 这些方面的研究，但从现代汽车的运行情况看，这方面的研究己日趋完善， 应该说每前进一步，将会付出大量的人力和物力，而且其燃料的节省是有限 的。因此许多学者开始寻求更有效的汽车节能方法。 二十世纪八十年代，国外开始研制汽车制动能量的回收，主要措施是将 汽车制动时的动能或下坡时的势能通过发电机转化为电能储存在蓄电池中， 在汽车行驶或加速过程中再将蓄电池的能量加以利用，从而达到节能的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 然而，由于蓄电池容量的限制，这种节能方法只适用于小型汽车，且节能效 果并不明显1 2 5 j 。 二十世纪八十年代末，瑞典c u m u l o 公司开始对采用液压能来储存汽车 制动时的能量进行研究，同时，德国、日本及其它一些发达国家已开始研究 该项技术在八十年代末期，c u m u l o 公司在传统汽车上增设了一套用液压能 回收汽车的制动能量系统，并首先在大客车上使用，获得了良好的节能效果， 如图1 - 1 所示。试验结果表明，在城市使用的车辆，燃料消耗量大约可降低 3 0 ，或者在相同的燃料消耗条件下，车辆可以多行驶4 5 的里程数。同时， 汽车易损件制动器及同步器的使用寿命提高了三倍以上。此外与传统汽车相 比，汽车的废气排放可减少约3 0 ，改善了汽车对环境的污染网。但是，由 于在传统的机械传动式汽车底盘上，其空间不大，较大体积的蓄能器和飞轮 及减速装置限制了在其它汽车上的应用，以及当时液压技术的限制和液压元 件的昂贵，使得当时安装此套设备成本较高，因而该项技术的应用有一定的 局限性。此外，当时的环保意识还比较淡薄，此项技术没有得到广泛推广。 o 传 口作 图1 - 1c u m u l o 能量回收系统圈【硐 在九十年代，日本著名学者h i r o s h in a k a z a w a 、y a s u ok 1 t a 等开始研 究定压源液压驱动系统，并取得了较大进展【拥。由于车辆全部采用了液压传 动系统，因而使汽车底盘的布置更为方便，试验证明，汽车的部分性能( 如动 力性、燃油经济性、舒适性及制动安全性等) 也得到了明显的改善。 国内学者对汽车能量回收系统的研究尚处于初级阶段，目前，哈尔滨工 业大学有关学者提出了液压蓄能器储能的方法，系统原理图见图1 。2 。本人 认为其主要问题在于仅仅依靠蓄能器储存能量会受到蓄能器容量的限制以及 庞大的蓄能器体积不利于汽车底盘的安装。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 一发动机2 离合器3 液压泵4 液压蓄能器 5 一二次元件6 一后桥7 一驱动轮8 控制器 图1 - 2 车辆传动系统结构原理图p j 浙江大学贾光政等部分学者也正在对气动汽车能量系统进行理论研究， 该系统是将超高压气体( 空气) 作为动力源，经过控制和分配环节，驱动汽车 在不同工况下行驶。在汽车制动时又将汽车的动能( 或将汽车下坡时的势能) 通过空压机转化为压缩空气储存起来，以便重新加以利用，其系统流程图见 图1 - 3 矧。本人认为该方法尚存在如下问题； 1 如何将超高压气体经过减压控制装置调节进入气动发动机后，其动力 满足汽车在各种复杂工况下正常运行。 2 气动发动机的研制。 3 汽车制动或下坡时的机械能通过空压机如何转化为超高压气体储存在 超高压气体的储能罐内( 其转换机构极其复杂) ；或另设置蓄能罐时，如何实 现超高压储能罐与储能罐的能量供给的协调性。这样的结构由于体积较大， 会导致汽车的成本上升，同时体积增大难以布置。 图1 - 3 气动汽车的能量系统流程图l 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 鉴于能量回收系统最重要的技术之一是如何储存汽车制动时的能量，国 内外学者先后提出了采用蓄电池、蓄能器( 液压蓄能器、压缩气体蓄能器) 等 方法来回收系统的能量。蓄电池因容量的限制而使节能效果不明显，而蓄能 器的能量回收系统因其体积大，结构复杂而使其实际应用受到一定的限制。 本文采用的飞轮式能量回收系统方法由于其结构简单和显著提高元件寿 命等特点，对于车辆的应用具有一定的优势。然而，由于在飞轮和驱动轮之 间是一个连续、可变的能量传递过程，不同于传统的汽车驱动系统，因而不 利于汽车的正常行驶。为此，通过发动机和飞轮的混合驱动为系统提供动力， 采用定压源液压驱动系统代替传统的能量传递，从而实现能量的传递及汽车 牵引力( 加速减速) 的控制，如图1 _ 4 。 与发尉机相连与飞轮相连 与驱动转相连 麦量泵，马达变量系马达 变量囊，马遮 图i - 4c p s 系统原理图 总之，在我国由于对汽车制动时回收车辆系统能量的研究刚刚起步，有 许多理论及技术开发方面的工作要做。跟踪国外先进科技，将其转化为自己 所拥有的技术，并在此基础上加以改善和提高，促进我国汽车工业水平的发 展，是一项长远而艰巨的任务。 1 4 本论文研究的主要内容 回收并不是目的，可再利用才是目的所在，所以利用车辆制动能量回收系 统研究的目标是尽量吸收车辆的剩余动能并将其最大限度的释放出去，论文所 研究的主要内容： 1 结合国内外研究现状提出系统模型的总体设计方案，分析系统的工作原 理，提出系统的控制策略，推导系统及液压回路在各种不同情况的流量计算公 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式。 2 c p s 能量回收系统关键零部件性能参数的确定。针对具体车型，利用 m a t l a b 对c p s 能量回收系统中变量泵马达，蓄能器，飞轮影响汽车性能指标 的参数进行仿真计算，主要包括：变量泵马达的柱塞数，柱塞直径，排量， 扭矩和流量；蓄能器的最高压力，最低压力，容积和进出蓄能器的流量；飞轮 的重量，直径，转动惯量和飞轮的转速范围，并且对设计的参数进行分析，判 断零部件的性能和参数对系统的影响。 3 系统仿真。设计系统的控制算法方框图，利用m a t l a b 和s i m u l i n k 对整 个系统进行仿真，利用劳斯判据和博得图分析系统的稳定性，分析系统的燃油 消耗量以及c p s 系统与传统系统在节油方面的比较。 1 5 本章小结 本章首先介绍了汽车所造成的能源和环境污染，汽车传统制动带来的危 害，说明了研究汽车能量回收系统的意义，然后介绍了国内外对汽车制动能 量回收的研究概况，最后，提出了本课题的研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章汽车c p s 定压源能量回收系统模型分析 2 1 引言 液压传动技术由于具有重量轻、可实现无级变速、快速性好及易于过载 保护等一系列优点而被广泛应用。由于带有液压蓄能器和飞轮的液压系统具 有能量密度高、可控性和可靠性高的特点，非常适合车辆这类在起步和制动 时短时间内需大能量的工况i 捌。 在汽车的制动过程中，由于汽车行驶时具有一定的动能，在下坡制动时 还具有一定的势能，为了实现汽车制动的同时，将汽车行驶的能量储存起来， 尽量减少制动器摩擦片的磨损，采用液压系统中的泵马达进行能量转换，是 可以达到上述要求的。液压泵可以将机械能转换为液压能，为系统提供一定 流量的压力油液，液压马达将液压能转换为机械能，输出扭矩和转速，显然， 泵马达是c p s 定压源系统主要能量转换元件。但是，汽车制动时储存的液 压能并不是立即释放出来，需要利用蓄电池、飞轮或蓄能器对其能量进行储 存，在汽车起步或需要加速的时候进行释放。同时，由于在飞轮和驱动轮之 间是一个连续、可交的能量传递过程，不同于传统的汽车驱动系统，因而应 保证汽车在一定的行驶工况下液体压力基本恒定，当汽车行驶工况发生改变 的时候，飞轮和蓄能器再给系统提供或储存能量，保持系统压力基本不变， 否则，不利于汽车的正常行驶。下面分析的汽车能量回收系统采用的是定压 源( c p s ) 能量回收系统，该系统是由发动机飞轮混合驱动车辆的定压驱 动系统代替传统的能量传递，从而实现能量的传递及汽车牵引力( 加速减速) 的控制，实现汽车在制动时能量的回收和利用。 2 2 定压源液压驱动系统的工作原理及控制原理 如图2 1 为c p s 的工作原理图及控制原理图，图中仅反映了汽车在前进 方向的变量泵马达的转换情况及高、低压油路的分布。从图中可以看出， c p s 是由一个飞轮和三个可变排量的泵马达组成的液压动力传递系统。变量 泵马达一般采用柱塞式，其排量在正负两个方向可以互换，通过对排量方向 的控制，可实现泵、马达以及它们的正、反转功能。整个系统的油路是由共 用高压油路和共用低压油路组成，系统压力的基本恒定由飞轮转速的变化和 调节液压泵的排量及蓄能器的工作体积实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 i i i 一一一一一一一一j 图2 - 1 系统工作原理及控制原理图 汽车制动分为紧急制动与普通减速。前者直接使用汽车原有刹车系统， 后者使用c p s 定压源系统。汽车在减速行驶时，司机轻踩刹车踏板，通过踏 板上的传感器及控制系统，液压系统被激活。驱动轮上的变量泵马达作为 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。 如果遇到紧急情况，要求汽车在极短的时间内将速度减到很小或停止， 司机将重踩刹车踏板，使刹车踏板的第二个能点接通，在控制系统作用下节 能驱动系统产生最大制动力矩的同时，原有的汽车刹车系统也将起作用，两 套制动系统一起动作将速度减至理想。 汽车在加速行驶或等速行驶阻力增加时，驱动轮上的变量泵马达作为 马达工作，消耗压力油而使系统压力降低，此时由蓄能器和高速旋转的飞轮 将为系统提供动力。通过与飞轮相连的变量泵马达作为泵工作给系统补充 压力油，使系统的油压维持在某一压力水平。当飞轮的转速下降到所容许的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 下限值，即低于飞轮的最低转速时，飞轮不能给系统提供动力，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作 为泵工作给系统提供压力油，使系统的油压上升。一方面，通过与飞轮相连 的变量泵马达作为马达工作给系统提供压力，使汽车加速；另一方面，给 飞轮提供少量的动力使飞轮的转速维持在规定的最低速度。 为了提高飞轮的能量利用率，避免系统不必要的能量消耗。将飞轮与其 变量泵马达之间增加一个离合器，在回收车辆制动减速的能量时，将离合器 接合。当系统的液压能波动较小，系统压力基本恒定时，应将离合器分离， 由蓄能器调节系统管路的压力能；而当系统的液压能降低较多，系统压力低 于设定压力时，此时接合离合器，由飞轮给系统提供能量。 定压源液压系统中的蓄能器能稳定系统压力，消除波动。加速时，蓍能 器排出流量，向系统补充油液；减速时，蓄能器吸收系统的多余流量，改善 系统的动态品质。当变量泵，马达处于泵工况时，蓄能器可储存回收的能量， 供起动加速时利用。 在能量转换过程中，三个变量泵马达的四种功能可用图2 2 所示。以 藏速前进加速蕾进 ( 秉) ( 马选) 加速后退 藏连后退 ( 马达) ( 泵) 藏逮首进 加速首进 【马达)( 泵) 如速后退 藏连后退 ( 泵) ( 马达) 藏连首进 加速前进 ( 停转) ( 幕或停转) 加速后遣藏逮后退 ( 末或停转) ( 停转) 图2 - 2 与驱动轮、飞轮及发动机相连的三个变量泵马达的四种运行工况 驱动轮的变量泵马达为例，当变量泵马达在第一象限工作时，汽车加速向 前行驶；在第二象限工作时，汽车减速向前行驶；在第三象限工作时，汽车 加速后退；在第四象限工作时，汽车减速后退。由此可见，在第一、三象限， 变量泵马达作为马达工作，从系统中取得能量，由液压能转化为机械能驱动 车辆前进；在第二、四象限，变量泵马达作为泵工作，吸收车辆的能量，此 时，机械能转化为液压能，对车辆行驶达到制动的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 系统的控制方法 从图2 - 1 可以看到，与驱动轮相连的变量泵马达的排量是由驱动轮上的 转速传感器、转矩传感器、系统压力传感器和由伺服f 困控制的液压缸来实现 自动控制的，以适应汽车行驶阻力的变化，实现车辆的无级变速。 与飞轮相连的变量泵马达的排量是通过系统压力传感器、飞轮轴上的转 速传感器和由伺服阀控制的液压缸进行控制的。由于飞轮及飞轮轴的材料限 制了飞轮的转速不能太高，为了安全，飞轮有个最高速度的限制，与飞轮相 连的速度传感器可以随时监测飞轮的转速，当驱动轮上的变量泵马达作为 泵工作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，通过安全阀将剩余的能量 释放掉。如果飞轮的转速低于最低转速时，与飞轮相连的速度传感器产生相 应的信号控制作动器使离合器结合，同时控制伺服阀换位，液压缸动作使变 量泵马达作为马达使用为飞轮提供动能。如果车辆加速引起液压系统压力 下降时，压力传感器产生与压降相对应的信号控制伺服阀换位，液压缸动作 使变量泵马达作为泵工作，为系统提供液压能，其泵的排量控制是通过液 压缸上的位移传感器来实现控制的。汽车减速时的控制调节过程与加速时的 类似。 与发动机相连的变量泵马达的排量以及发动机的工作是通过系统的压 力传感器和飞轮轴上的转速传感器产生的，当飞轮转速下降到不能为系统提 供动能时，飞轮轴上的转速传感器和系统的压力传感器产生相应的信号控制 发动机启动工作，当系统动能由飞轮提供时，控制器控制发动机停止工作。 压力传感器，速度传感器，位移传感器及伺服阀通过a d 由计算机控制 的，由计算机根据汽车运行工况发出指令来控制传感器和伺服阀。 能量回收系统控制的策略为系统定压源( c p s ) 与发动机恒转矩控制。汽 车运行分为3 个过程：制动过程、加速启动过程和发动机作用过程。 1 制动过程 车辆在制动时，通过制动前车辆的动能( 或势能) 驱动与驱动轮相连的变 量泵，马达作为泵工作，向系统提供液压能。此时与飞轮相连的变量泵马达作 为马达工作，驱动飞轮从最低转速向上限转速运行，将系统的液压能转化为 飞轮的动能。 当飞轮的转速超出了其上限值时，飞轮与变量泵马达之间的离合器分 离，切断马达的动力输出，将剩余的液压能释放掉。由于飞轮高速旋转时， 受到空气阻力及支承轴承的摩擦阻力，飞轮的转速会下降，此时离合器接合， 查硅堕通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 以维持飞轮在转速上限左右波动。 2 起步或加速过程 当车辆在运行过程中需加速或起步时，与飞轮相连接的变量泵马达作为 泵工作，将飞轮的旋转机械能( 动能) 通过泵转化为系统的液压能。此时与驱 动轮相连的变量泵，马达作为马达工作，将系统的液压能转化成汽车的动能， 驱动汽车加速或起步 当汽车加速后的速度不高时( 由于车辆运行条件的影响) ，汽车低速运行， 此时通过改变与飞轮相连的变量泵马达排量，维持车辆的运行。 3 发动机动力输出过程 由于飞轮储存的能量取决于汽车制动前的制动初速度或动能，是有限的， 当车辆加速的速度要求较高时，飞轮驱动汽车达到一定的运行速度以后，飞 轮的转速接近下限的最低转速时，无法继续给系统提供能量，此时与发动机 相连的交量泵，马达作为泵工作，给系统提供液压能，使车辆继续加速到所需 速度。 飞轮的转速会受到阻力而下降，当飞轮的转速低于下限值时，离合器接 合，发动机提供动力维持飞轮的转速不低于其下限值。 发动机在运行时的控制策略是开关控制，蓄能器主要用来调节系统 压力的微小波动，保持压力的基本恒定。 由于发动机输出动力与驱动轮的变量泵马达所要求的动力无直接的联 系，发动机主要是为系统间接提供动力，发动机的运转可以脱离与驱动轮扭 矩及转速的关系，使发动机在最经济的工作点运转，此时发动机转矩基本不 变。因此在这种控制策略下，发动机运转是最经济的。 1 但是由于该系统压力基本恒定，系统的调节主要是依靠变量泵马达的排 量变化来进行控制的，而变量泵马达的排量变化范围由于制造成本或空间布 置等原因不可能很大，这就导致飞轮的转速范围不可能太大，在汽车下长坡 或制动动能较大时，不可能充分地回收制动的能量。 另外，系统传递的效率相对较低。 2 4 系统技术关键及实现途径 1 不改变司机的驾驶习惯及车辆一般运动规律。主要是指启动、起步、 加速、减速和制动等内容的操纵习惯及在这些过程中车辆所表现的运动规律。 2 合理的能量回收强度。能量回收的强度要与能量回收系统各元件之间 及与汽车行驶的工况相匹配。所咀，要依据能量回收系统各元件和汽车在所 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 处环境下实际工况中减速、制动出现频率较高工况来加以确定。 3 消除发动机强怠速工况。发动机正常怠速时化油器节气门后形成的真 空度较小，而在较高速度减速制动工况，发动机强制制动转动转速使得节气 门后形成的真空度很大，使得燃油被大量从怠速油道中抽出，与空气形成极 浓混合气进入燃烧室烧掉。 目前，在车辆实际运用过程中为解决这一问题，司机采取的做法是脱档 滑行，而这种方法，特别是在下坡行驶时是极不安全的【3 1 1 可见，在汽车高 速减速、制动工况消除发动机被动尚转速转动，对节约燃料、减少排放是极 有意义的。 4 辅助起动与启动。车辆在启动与起步工况时，需要较浓的混合气，1 r a i n 平均要消耗燃料l o o g ，并且这种情况会随环境气温的降低而增加1 3 2 j 。车辆在 这种工况下，特别是重载时，发动机与传动系统负荷大，离合器从动片易滑 磨烧蚀。节能驱动系统可以利用减速、制动等工况贮存的能量，完成发动机 启动与辅助汽车起步。 2 5 定压源液压驱动系统的优点 采用定压源( c p s ) 汽车能量回收系统以后，汽车的有关使用性能得到明显 的改善，主要表现在： 1 可以改善汽车的动力性能。汽车在加速时可利用蓄能器的液压能和飞轮 储存的动能，降低了汽车加速时发动机燃料燃烧不充分产生的污染，提高了汽 车的动力性能。 2 可以改善汽车的燃油经济性。通过对汽车制动减速时汽车动能的回收和 再利用，降低了发动机的燃料消耗。 3 可以改善汽车的环境舒适性。由于汽车各驱动轮分别直接采用液压马达 进行二轮( 或四轮) 驱动，减少了传统汽车的机械传动系统，从而降低了汽车行 驶时机械传动系统所产生的振动和噪音。 4 可以改善汽车的制动安全性能。采用能量回收系统的车辆，由于可实现 汽车制动对的能量回收，因而在制动时大大降低了制动安全事故。 5 可以改善汽车的行驶平顺性。汽车的非簧载质量减轻，使汽车的行驶平 顺性得到了明显的改善。 6 可以改善汽车的稳定性。在省去了汽车的机械传动系以后，可以降低汽 车的质心高度，从而提高了汽车的稳定性 从液压系统来看，其主要特点表现在： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 由于系统压力比较稳定，因而可保护液压元件不受高压的冲击，延长液 压元件的使用寿命，同时也可降低系统的噪音。 2 在定压源中传递能量，使工作压力直接作用于执行元件上，因而可以降 低系统中的能量损耗，提高系统的使用效率。 3 系统结构简单，便于安装和检修。 2 6 研究分析对象 以“长安之星”s c 6 3 5 0 微型车为对象对汽车制动工况进行分析，“长 安之星”s c 6 3 5 0 是长安公司与国际合作伙伴日本铃木公司推出的微车，外 型如图2 - 3 所示。“长安之星”s c 6 3 5 0 的主要技术参数如表2 - 1 1 3 4 1 ： 图2 - 3“长安之星”s c 6 3 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 - i “长安之星”s c 6 3 5 0 技术参数 长宽，高( m m m m m m )3 4 9 5 1 4 7 5 1 8 9 5 轴距( 蛳)2 3 5 0 轮距( 前后) ( 咖)1 2 8 0 7 1 2 9 0 迎风面积( m 2 )1 7 最小离地间隙( 衄)1 6 5 最大爬坡度( ) 3 0 整备质量( k g ) 8 9 0 座位数 8 最小转弯直径( m )9 发动机类型 j i a 7 4 q 直列四缸 发动机位置前置 汽缸数 4 排量( n i l ) 1 3 1 0 最大功率( k w r p m ) 6 0 5 3 0 0 最大扭矩( n m r p m ) 1 0 2 3 0 0 0 城市外道路油耗( l ( 1 0 0 k m ) ) 6 3 ( 5 0 k m h 等速行驶1 市区油耗( l ( 1 0 0 k m ) )8 4 9 燃油类型；无铅汽油 后桥主减速比 4 3 5 轮胎半径( m )0 2 8 最高车速( k m h ) 1 1 5 2 7 能量回收系统模型分析 “长安之星”s c 6 3 5 0 原有的底盘结构如图2 4 所示，传动系统主要是 由离合器、变速器、万向节、传动轴和主减速器及变速器组成的。 在安装了c p s 系统之后的底盘如图2 - 5 所示，与原底盘结构相比，没有 了离合器、变速器、万向节和传动轴，在这些位置加入了一套c p s 系统，即 3 个变量泵马达，一个飞轮和一个蓄能器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 一发动机2 一离合器3 变速器4 万向节 5 传动轴6 一主减速器及差速器 图2 4 传统底盘模型图 o ；哮薯写囊皇f 要善誊奄昏p 嘎 ， 1 一发动机2 与发动机相连的变量泵马达卜与飞轮相连的变量泵马达 4 一离合器5 一飞轮6 一与驱动轮相连的变量泵马达7 - - 主减速器及差速器 8 - - 蓄能器 图2 - 5c p s 模型图 2 7 1 汽车行驶模型 汽车减速上坡制动时，汽车主动轮受力如图2 - 6 所示阳： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 车轮速度f ，一滚动阻力l 一空气阻力 e 一加速阻力e 坡度阻力吗e 动轮转矩 图2 - 6 主动轮受力图 所以汽车减速的行驶方程式为： - 乃+ l + 1 女l r + 互 ( 2 1 ) 式中 ，f 加速阻力( n ) ，f f 肘车，此式中忽略了汽车的旋转 。 r 质量产生的惯性力： m 汽车总质量( k g ) ； v 。一相对速度，在无风时即汽车的行驶速度( m s ) ； b 滚动阻力( n ) ，f ，- f m g ； ，滚动阻力系数； 窖一重力加速度( m s 2 ) ； l 一空气阻力( n ) ，民一妄c