液压动力展望类.doc

液压混合动力传动技术展望能源危机的加剧, 车辆亟待提高燃油经济性水平。采用混合动力传动, 显著提高了车辆的燃油经济性。与电混合动力相比, 液压混合动力传动具有更高的功率密度, 在能量交换频繁的场合其优势尤为突出。作者对液压混合动力传动的工作原理和不同传动形式的工作性能进行分析; 研究了其适用场合; 对国外不同形式的液压混合动力传动发展和技术现状进行论述, 对发展前景进行了展望。关键词: 混合动力; 液压混合动力; 发展和现状; 燃油经济性0 引言能源危机的加剧和环保问题日益严峻, 对汽车节能技术和清洁车辆的开发提出了更迫切的需求。就目前的技术水平, 混合动力是在氢能源时代来临之前提高车辆燃油经济性的最佳选择。液压传动在工业领域得到了广泛应用, 其技术和元件制造水平相对电混合动力传动较成熟。如果将储能技术应用到车辆液压传动中, 势必极大提高其燃油经济性, 提高系统传动效率。液压传动高功率密度的优点, 能处理高频率变化的能量转换情况, 在负载变化频繁的复杂运行工况更能发挥其优势。1 液压混合动力传动工作原理图1 液压蓄能器储能工作原理与电混合动力传动工作原理相似, 液压混合动力传动系统包括能量转换元件- 液压泵/马达和储能元件- 液压蓄能器, 在车辆运行过程中, 实现再生制动功能, 通过能量转换元件将机械能转换为液压能, 并存储于液压蓄能器中, 在随后的加速或正常行驶工况, 释放出来单独或者辅助发动机驱动。其工作原理如图1所示。采用液压混合动力传动的车辆, 燃油经济性得到了显著提高, 具体表现在: (1) 再生制动功能将车辆本来以摩擦生热形式浪费掉的制动能, 转化成液压能, 存储到储能元件中, 并用于驱动车辆。(2) 优化发动机工作点蓄能器作为一个负载调节器工作, 使发动机与路面载荷解耦,发动机始终工作在高效区, 蓄能器吸收或者释放能量, 以吸收发动机过剩能量或不足发动机亏缺部分能量。(3) 减少、消除发动机启动/怠速工况发动机启动和怠速工况的燃油经济性差,排放恶劣。采用蓄能器启动和怠速维持,这样极大减少了燃油消耗量,改善了排放状况,尤其对于长期运行在起停频繁的循环工况的车辆效果尤为显著。2 液压混合动力分类及性能分析液压混合动力传动根据其系统布置方式的不同可以分为串联式、并联式和混联(功率分流式) 式三种,其结构分别如图2(a) (c)所示。图2 液压混合动力传动布置简图布置方案的不同对系统的工作特性影响很大。不同的应用场合有不同的需求,诸多的布置方案中,很难简单地说哪种最优.下面对于三种不同形式的液压混合动力传动特点进行分析。(1) 串联式液压混合动力驱动系统属于重度混合动力的范畴, 是基于纯液压传动的一种混合动力传动形式.其优点是:发动机的转速和扭矩不受负载瞬态载荷影响, 发动机只在蓄能器的SOC (State ofCharge) 值低于某设定值的情况下才工作。这样可以使发动机更多时间工作在高效区, 可以实现较低的附加成本获得较高的燃油经济性。这种布置方式的缺点是: 能量转换次数多, 能量损失增多,效率较低。不能应用到大功率场合, 否则必须选用大排量的液压泵/马达, 体积、重量增加,效率低。而且,优良性能的大功率泵和马达目前还很少。(2) 并联式液压混合动力驱动属于轻度混合动力的范畴。基于在原有的机械传动的基础上增加液压储能机构, 通过一对定轴齿轮并联到原动力传输路线上。其优点: 在原有的传动基础上增加一套储能设备, 对原系统的改动小, 不需要重新布置动力传动系统, 保持了原系统的传动效率高的优点。并联式混合动力布置方式系统具有两个动力源- 发动机和马达, 通过一多挡传动可以单独或同时直接驱动车轮, 因此可以同时获得更多驱动功率。马达可以作为一个载荷调节器来工作, 使发动机工作在高效区。当车辆在低载下运行时, 断开离合器, 关闭发动机, 由液压能量源驱动车辆。当发动机发出的功率高于负载要求的时候, 过多的能量用于蓄能器能量补充。并联布置方式的缺点是不具备液压传动无级变速的优点。发动机与驱动轮直接联系, 要求对发动机瞬态操作, 降低了燃油经济性、使排放恶化。不能将点火正时和喷油在同一个工作区域优化。但在使用相同元件的前提下, 并联式布置方式的动态特性要比串联式布置方式更优。(3) 混联式液压混合动力系统混联式也称为功率分流式液压混合动力驱动, 是基于液压机械传动系统的储能传动形式。综合了串联和并联液压混合动力传动的特点。能够使发动机、液压泵、液压马达等部件进行更多的优化匹配, 从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态, 因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。通过多离合器控制不同元件, 可以实现串联、并联工作模式。每个工作模式下都能实现沿最佳特性曲线工作, 故效率很高, 可传递的功率也较大, 而且功率分流机构的引入, 使得系统速比范围增大。这种布置方案的缺点是增加的构件增加了系统的重量, 机构和控制系统更为复杂。多能源动力的匹配和组合有不同的组合方式, 需要装配复杂的多能源动力总成控制系统, 才能达到高的经济性和低排放的控制目标。该系统首先必须具备作为单独的并联式或者串联式工作能力, 还要在车辆运行过程中, 实时选择最佳工作模式, 保证两种工作模式的无缝切换。混联式传动方案综合了串联式和并联式传动方案的优点, 扩大了调速范围, 提高了系统的传动效率和传动能力。在大功率传动场合的具有广阔发展潜力。3 国外液压混合动力传动发展概况美国、德国、澳大利亚、日本、瑞典、和丹麦等国家的汽车企业、科研机构和大学等对液压混合动力技术的研究比较多, 经过多年的研究、探索, 成果显著。其中对并联式液压混合动力和串联式液压混合动力传动研究的比较多。最初将液压混合动力驱动系统的研究、应用对象主要限制在城市公交车上, 近几年随着节能、环保要求的日益迫切及各项技术的不断革新, 液压混合动力技术的应用范围扩大。 311 主要研究机构车辆节能、环保的要求, 迫使国外许多政府、科研机构和公司投入大量人力物力进行液压混合动力技术开发。主要研究机构有美国环保局( EPA ) 及其合作伙伴、Ford公司、Eaton公司、澳大利亚的P ermo2Drive公司、美国Dana公司、F iba Canning公司、德国MAN公司和日本三菱公司等。许多公司与大学合作开发了各自的液压混合动力传动系统专利产品1。其中并联式液压混合动力传动系统的代表有:Ford公司的HPA、Permo2Drive公司RDS和Eaton公司的HLA; 串联式液压混合动力传动的典型代表是美国EPA的全液压混合动力系统和Fiba Canning公司的Cumulo系统; 功率分流式液压混合动力的代表产品是德国M1A1N1公司和德国柏林工业大学联合开发的H ydro2bus & & 。312 液压混合动力驱动发展现状澳大利亚的Permo2Drive 公司开发的液压混合动力驱动系统2Regenerat ive Drive System ( RDS), 其传动简图如图3所示。美国一种配备了Permo2Drive公司的液压混合动力驱动系统的15吨军用汽车FMTVM1084 A1通过实地测试, 初期试验结果表明了可以在燃油经济性方面提高27%, 在车辆急加速的时候可以提供36%的峰值跳跃和缓冲功能, 在车辆减速的时候与发动机制动相比速率提高60% 2- 3。图3 Permo2D rive的RDS系统布置简图目前Eaton公司最具将液压混合动力车辆商业化的实力。Eaton公司长期致力于液压技术研究和开发,不断地研制出更先进的液压原件。Eaton公司对并联式液压混合动力驱动系统进行了大量研究并开发了自己的液压混合动力专利技术, 称为Eaton H ydraulicLaunch Ass ist (HLA ), 如图4所示。并计划于2007年实现商品化, 投放市Peterbilt和Eaton公司正在合作开发一款采用HLA 系统的车型Mode l320。燃油经济性可提高28%, 加速性能提高20%, 同时改善了发动机排放性能, CO2 减少可达20%, NOx减少17% 4。图4 Eaton公司的H LA结构图美国环保局( EPA ) 多年来致力于对混合动力技术等汽车节能技术的研究, 在液压混合动力和电混合动力研究方面都有出色的表现。EPA和Ford 汽车公司, Eaton 公司, Armyps Nat iona lAutomotive Center 和ParkerHannifin 公司长期合作研究开发混合动力技术1。2004年8月在底特律的SAE 年会上, EPA 展示了世界上第一辆液压混合动力技术的SUV, 该车采用了EPA的重度液压混合驱动专利技术。2005年与其合作公司为美国UPS公司开发了第一款重度液压混合动力包裹投递车, 其动力传动系统简图如图5所示。图5 采用串联式液压混合动力传动系统的UPS传动简图安大略州的FIBA Canning公司从1979年就开始开发清洁能源车辆, 经过多年的努力, 开发出液压混合动力传动系统Cumulo, 其传动简图如图6所示.Cumulo成功地应用到瑞典Volvo生产的公交车上.实际运行结果表明:当该汽车以50km/h的速度制动时,其回收的能量可以保证重新起动时不需启动发动机,蓄能器单独驱动可以使车速达35km/h,节油率达到25% 30%, 整车由制动状态转变为牵引状态只需315s。图6 Cumu lo液压混合动力驱动系统布置图柏林工业大学与莱克罗斯、MAN 公司合作开发了混联式液压混合动力驱动系统(其传动简图如图7所示), 并将其成功应用到城市公交车上。该系统采用了95kW的柴油机 高压蓄能容量为150L, 压力为33MPa; 低压蓄能器的容积为150L, 压力为2MPa。系统总体传动方案属于分速汇矩式传动形式。图7 H ydrobus3混联式液压机械传动布置简图工作原理: 当制动器未结合时, 从发动机发出的功率通过行星排分流, 一路功率流经行星架传到变量泵, 该路为液压路; 另一路功率流经太阳轮传到主动轴, 传到后桥, 该路为机械路。机械路和液压路在输出端的定轴齿轮处汇流, 共同驱动车辆。汽车制动时, 制动块分离状态, 汽车动能通过行星机构带动液压油泵工作, 将低压蓄能器中的液压油泵入高压蓄能器中, 实现制动能的回收, 将制动能转化为液压能储存起来。在启动发动机的时候, 将制动器结合, 蓄能器驱动液压马达, 通过定轴齿轮传到主动轴, 启动发动机。在慕尼黑进行实车试验, 试验结果表明: 省油可达28%, 整车由制动状态转变为牵引状态的时间降为313s 5。另外, 除了节油外, 还可在不恶化汽车使用性能的条件下, 将发动机转速限制在1 800r/min以下, 从而提高了发动机的使用寿命 5。4 发展趋势分析与电混合动力比较, 液压混合动力传动的依存技术- 液压传动技术和液压元件较为成熟, 而且液压传动在工业领域已经得到了较为广泛的应用。虽然目前全世界范围内对电混合动力的研究都非常火热, 但是短期内一些制约其大范围应用的技术问题尚不能解决, 液压混合动力技术无疑更可行, 是改善工程机械、拖拉机及运行在起停频繁工况的车辆和机械的燃油经济性的最佳选择。发展的新动向主要有两个方面: 混联式液压混合动力传动的关注提升和寻求液压储能与电储能结合的一种新型混合动力传动系统的研究。近几年, 基于液压机械传动的混联式液压混合动力传动系统日益受到关注。2007年, John J1Kargul提出了一种混联式液压混合动力传动系统, 如图8所示。图8 混联式液压混合动力传动方案能量密度与功率密度是衡量储能器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存储和利用汽车的能量。液压蓄能器的功率密度最高, 适于负载变化频繁的传动系。而液压储能元件的能量密度较低, 所以续驶里程短, 不适合做辅助动力源。能量密度较高是电混合动力传动的优点, 而电混合动力的功率密度无法和液压混合动力的相比, 在起停频繁运行工况, 如果将再生制动能量作为衡量指标, 则电混合动力无法与液压混合动力传动媲美。研究证明: 液压混合动力传动实现再生制动到再生制动能量用于驱动车辆的效率可以达到61%,而电混合动力传动只能达到1715% 6。基于上述分析,认为综合液压混合动力的高功率密度和电混合动力高能量密度的优点, 可以设计一种理想的混合动力传动形式。在这些方面已经有探索性研究, 如Robyn Jackey等提出了一种将液压混合动力和电混合动力结合的概念。其结构简图如图9所示, 框中的结构被称为EMB ( E lectric2mechan ica lbattery)。作者对其进行了仿真研究, 其可行性有待进一步研究。图9 EMB原理图参考文献=1 Charles L1Gray,Jr1,Director.Hydraulic Hybrids: EPA Hybrid Truck Initiative J. Clean Automotive Technolo2gy,2006.=2 R1P1Kepner. Hydraulic Power Ass ist2A Demonstration ofHydraulic Hybrid Vehicle Regenerative Braking in a Road Vehicle Application R . SAE Paper, 2002 - 01 -3128.=3 Paul