新型液压混合动力及无级变速技术应用分析

1、新型液压混合动力及无级变速技术应用分析1、前言工程机械除了完成特定工作所必需消耗的能量即有用功以外，还必须提供附加的能量来 完成工作循环，包括重力势能与运动动能，附加能量通常通过制动机构消耗掉了。比如挖掘 机，重达几顿的转台要频繁的起停，动臂和斗杆需要不断的上升下降；再如几顿和十几吨重 的的叉车和装载机，要在料场到运输车之间来回穿梭，其中浪费了相当多能量。工程机械的 能量利用率即有用能耗与总能耗之比，普遍较低，有的还不到 50%。因此，工程机械节能的 空间相当巨大。工程机械的节能主要围绕着如何提高原动机的效率与如何回收附加能量来展开。要提高 原动机效率，就必须使用无级变速技术使原动机在大幅度变

2、化的负载工况下，一直能工作在 高效区。要回收附加能量就必须有高效的能量转换与储存装置。工程机械中的主要耗能机构是以液压缸驱动的直线运动部件和以马达驱动的旋转运动 部件。其中能量浪费最大的是其转动或者行走机构，其传动的主要形式有三种：一是采用摩 擦式离合器 +机械变速器即手动档，传动效率高，但劳动强度大，磨损快。二是用液力变矩 器+机械自动变速器形式， 传动平稳， 但在频繁起停的工程机械上， 效率很低， 最高效率 85%， 平均效率甚至低于 70%。三是采用液压或者电动马达直接驱动。三类传动形式各有优缺点， 前两种的问题是只能匹配单一动力源和能量的单向流动，不能实现制动能量的回收，主要用 在叉车

3、和装载车等轮式行走机构中。后一种传动则要通过能量形式转换，虽然能回收部分制 动能，但传动效率不高，主要用在履带式行走机构中。最近十多年来，随着电池和功率电子技术的进步，具有百年历史的电动技术又逐步加盟 到工程机械动力总成中来，构成油电混合动力传动(Hybrid Electric Vehicle ， HEV )。它能够实现工程机械制动动能的部分回收， 还在深度混合动力中同时实现无级变速，即 ECVT ，。但是，油电混合也存在明显的弱点，首先是成本高，需要大功率的电机、电机控制器和大功率电池，增加数万元的成本，短期内还很难被市场所接受。其次是转换次数多导致节能效率 不高，如工程机械中大量使用的液压

4、马达驱动，需要回收的是工作部件的重力势能，在油电 混合动力中是通过发电机发电，并储存到电池或者超级电容中。回收效率受限于电池充电功 率，实际能达到比常规传动方式节油20%-25% 。在石油资源相当匮乏，工程机械尾气排放污染相当严重，而工程机械产业又在高速发展 的中国，如何找到一种能够迅速产业化，成本低又高效节能减排的传动技术，是工程机械产 业界面临的巨大挑战。液压技术是一种低成本、高比功率、安全成熟的技术，在工程机械的各种液压执行机构 中已经得到广泛应用，随着现代技术的进步，以液压传动为基础的低成本高效节能液混动力 无级变速技术必将在工程机械中得以全面推广应用。关于液压与电动混合动力的特点，请

5、参见哈尔滨工业大学姜继海教授在本刊2010 年第10期和第 11 期上“液驱及电动混合动力在挖掘机的运用”的文章，做了非常详细的分析和对比。本文重点推荐一种新型的混合动力与无级变速节能技术。2、液压马达驱动的混合动力节能技术2.1 系统结构与原理 在工程机械中，大量采用液压马达作为驱动动力源，如挖掘机上的转台，履带式行走机 构等。传统的制动方式是用制动盘或者制动鼓把机械的动能转换为热能散发到空气中去了。 也有用发电机来制动，转换为电能储存在电池中，但成本高，效果一般。本文介绍一种简单高效的混合动力驱动方法，其结构见图1：该机构由一台液压泵 /马达装置、 一个液压蓄能器、 一个控制阀与传动控制器

6、 TCU 构成。其工作原理是，外界压力油源驱动液压马达带动工作机械旋转，到达工作位置后，液压马达 转换为液压泵对工作机械制动，液压泵输出高压油进入液压蓄能器，将机械动能转换为液压 能储存起来。当下一个循环启动时，液压蓄能器中的高压油将驱动液压马达带动工作机械旋 转，从而使制动能量得以部分再生利用。2.2 数字控制四象限变量液压泵 /马达装置 本结构中的关键部件是要能在四象限运转的变量液压泵/马达。 通常而言， 传统的液压马达是不能作为液压泵使用，而液压泵也不能作为液压马达使用，并且，液压泵也不能双向旋 转，否则，其使用寿命、工作效率将大幅度下降，而噪声大幅度上升。本文作者与力源液压 公司通过数

7、年的共同努力，开发出一种全数字闭环反馈控制，能实现四象限运行的高效低噪 声液压泵 / 马达装置。由该泵 /马达组成的一款双联静压传动装置HST 如图 2，它由两个四象限液压泵 /马达构成。其中任意一个泵 /马达的参数如下：外形尺寸：长 x 宽 x 高 220x180x200mm重量： 28kg工作 / 最高压力： 30/35Mpa工作 /最高转速： 2500/3200rpm噪声：84db，离泵1M处测量比功率达到 4.6kw/kg 和 18kw/L 。其重量、体积、价格分别是同等功率永磁无刷直流电 机+电机控制器的 1/3、1/4和 1/5，具有明显的成本优势。80-92% ，我国国产液压泵的

8、效1，万有特性曲线则如图 3，表 1。液压泵 /马达的效率，通常国外高水平的液压泵的效率在率会低 2-3%，在 80-90%之间。 该数控液压泵实测效率见表由实测效率表及万有特性曲线图可见，只要系统压力高于10Mpa ，在额定转速的5%-100%范围内， 液压泵的效率均大于 85%。与电机相比， 其最高效率差不多， 但高效区宽， 平均效率要高 3?5%。特别是在低速区间，效率要高 5?8%。该 HST 使用普通液压油的使用范围在 -20 至+80 度，如果要在更低温度的地方使用，需换用低温液压油或者使用进口液压油，温度范围可达 -40 至 105 度。根据力源液压采用同样机芯的液压泵几十年的经

9、验， 以及对该 HST 所做 300 小时的强化 试验结果预测，使用寿命在 5?8 千小时。2.3 液压蓄能器的结构、原理与特点液压蓄能器是由一个能够承受高压的罐体，内装一个橡胶气囊构成，结构十分简单。气 囊内充有一定压力的氮气。它的蓄能原理很简单，就象气体弹簧，低压液压油被液压泵（被 发动机驱动或者被工程机械惯性驱动）加压进入蓄能器，压缩气体而做功，在释放时，气体 膨胀将高压液压油挤出并推动液压马达旋转，推动工程机械前进（见图4）。液压蓄能器具有极高的比功率， 可以以每升几千瓦的功率存储和释放能量。且存 /放效率非常高，达到97%以上，远高于电池或者超级电容。 其比能量也能达到 3.5wh/

10、L ,即卩12.6kj/L , 为了给读者一个简单的能量概念， 一辆 10 吨的工程车在时速 18km/h 下所具有的动能是 125kj ， 也就是用一个 10L 的液压蓄能器即可全部存储起来。而该蓄能器的重量，如果采用普通钢制 蓄能器，也就是 30kg ，如果采用创世奇科技公司开发的复合材料蓄能器，则只有10kg 重。液压蓄能器的循环寿命可达十几万次，一天平均高强度制动30 次，也可以使用十多年。蓄能器在工业上的应用已经有相当长的历史，是一种十分安全的蓄能机构。从蓄能器的结构可知，它的材料是合金钢和橡胶皮囊，成本是低廉的。其报废处理也不会对环境造成危害。2.4 液压马达混合动力系统效率分析采

11、用该液压泵 /马达的传动装置的能量循环效率为69%= 液压泵（ 86%）x 蓄能器（ 97%）x 控制阀组（ 98%x98% ）x 液压马达（ 86%）如果系统的能效为 50%，则采用该混合动力系统后，系统总能效可达到84.5% ，即提高约 34.5% 。与用电能回收的效率相比，可提高能效10%以上。更重要的是成本大幅度降低。3、液压混联混合动力与无级变速技术3.1 结构组成 以下介绍的是一种能同时实现工程机械制动能量高效回收和大范围无级变速优化发动 机工况的液压混联混合动力无级变速技术（ Hydraulic Hybrid Vehicles,HHV ）。该技术可以直 接应用到动力源为汽油或者柴

12、油发动机的叉车、装载车等行走机械为轮式的的工程机械上。 其系统构成如图 5 和图 6 所示。图中， HM 代表液压马达， HC 代表液压缸。它们是工程机械中完成特定工作所必需的。 如履带式挖掘机，需要两个履带驱动马达，一个专题驱动马达，三个液压缸。比如传统装载 车或叉车，HHV 机液混联混合动力及无级变速器包括有四个主要部件， 一是由液压泵和马达构成的 静压传动装置 HST,二是传动电控系统 TCU与液控阀组，三是液压蓄能器，四是能完成动 力分解合成的自动无级变速器。混联混合动力模式综合了串联和并联两种结构的特点，具有多种工作机制，也可以在大 范围内实现无级变速来优化发动机工况，在轻载和重载等

13、各种工况下均能获得发动机和传动 系统的高效率，从而达到最佳节能效果。当然，有利就有弊，相应的系统要复杂化，控制难 度增大，这就是国内外混联混合的应用尚处于探索阶段的原因。3.2 能量回收机制在该系统中，车轮通过差速器带动液压泵旋转，输出高压油，通过控制阀组，进入蓄能 器，能量流向如图中红线所示（见图 7）。3.3 启动加速与无级变速在行走机构启动和加速过程中，发动机的动力通过行星轮系分解为两路，一路是纯机械 传动，效率高；另一路是液压回路，由液压泵输出的高压油驱动液压马达，马达的驱动扭矩 与机械回路的扭矩叠加后输出，起到无级变速变矩的功能。如果蓄能器中还有蓄能，也可以 释放出来通过液压马达助力

14、。能量流向如图中红线所示（见图8）。4、整车性能测试液混动力与无级变速器可以应用到各种工程机械的轮式行走机构中，也包括在汽车上。 由于汽车的市区工况与叉车或者装载车的工作工况较为接近，而且汽车的油耗有国家统一的 测试标准与规范，测试结果有可比性。北京创世奇科技经过数年的探索和实践，在北京市科 委、北汽研究总院、中航重机力源液压股份公司、北京工业大学、成都天人压力容器有限公 司等单位的大力支持下， 该装置先后装配在捷达轿车、 北京现代伊兰特轿车上进行各种测试。试验样车选用三辆北京现代工程机械公司 2008 款伊兰特新车，其中 1 辆作为对比样车。 该车整备质量 1.25 吨，配 a1.6LD-C

15、VVT 发动机和 5 档手动变速器， 经过 5000 公里的磨合后 进行改装前后的对比测试（见图 9）。该车改装前后的主要技术性能指标见表2：从表中可看出，该系统的节能效果是明显的。通过进一步的改进，包括和发动机的联调 控制，可以达到更好的节能效果。表中，燃油经济性在天津国家轿车质量监督检验中心。而动力性、安全性和噪声等性能 指标是委托北京汽车研究院实验中心在通州交通部公路试验场完成的。可靠性测试是在通州 交通部公路试验场， 9000 公里高环 /强化路面 / 山区道路测试通过。环适性是在云南进行2000公里高温、高湿、高原以及在福田环模实验室-20 度低温启动测试通过。5、结论 北京创世奇科技公司在液压混合动力无级变速领域进行了多年的研发实践和探索，有效 解决了液压传动的比能低、噪声大、控制难的难题。研制成功了重量轻、体积小、价格便宜 的静压传动装置 CSQ-HST ；安装在汽车上，在国家授权的油耗与排放实验室检测的结果是， 市区工况百公里油耗 6.3