汽车液-气压能量回收系统研究

胡万强

(许昌学院电气与机械工程学院，河南许昌 461000)

0 前言

随着环境污染的加剧以及能源价格的上涨，汽车的能量回收问题变得越来越紧迫。近年来，国内外许多研究机构均加快了对汽车能量回收系统的研究与开发[1-3]。国内外的研究主要针对液压混合动力，而忽略了液压-气压能量回收技术。气动增压技术通过制动产生压缩空气，并将其注入发动机进气歧管，从而提高进气歧管内的空气压力，进而发动机通过控制器增加燃油喷射量，以提高发动机瞬态响应，提升扭矩，改善发动机燃油经济性。因此，研究汽车液压-气压能量回收系统，对于提高发动机燃油经济性、促进发动机小型化研究、减小汽车后轴传动比等有着非常重要的现实意义。

因此，本文作者研究液压-气动混合动力车辆的再生制动和推进系统。设计相应的液压-气动动力系统，建立系统的动力学模型，制定合理的制动和驱动模式能量回收再生管理控制策略。利用组合参数进行动态仿真，构建实验平台，验证车辆节能减排效果，进而为液压-气动混合动力车辆系统开发提供理论指导和分析依据。

1 系统设计

图1为所设计的车辆混合动力系统原理，分为液压子系统、气压子系统。液压子系统包括泵/马达5、比例换向阀6、液压传感器7、液压系统安全阀8、换向阀9、单向节流阀10、低压蓄能器11、高压蓄能器12、马达13、液压单向阀14、油箱15；气压子系统包括空压机16、气压单向阀17、气压系统安全阀18、气压传感器19、储气罐20、减压阀21。减压阀21通过相应装置分别与发动机1及辅助系统连接。控制系统22控制整个系统中混合传动离合器2的开合，比例换向阀6及换向阀9阀口开合大小，低压蓄能器11与高压蓄能器12压力控制，液压传感器7、气压传感器19信号采集等。

图1 重型汽车混合动力系统原理

控制方法包括停车制动能量回收控制模式、车辆下坡行驶过程能量回收控制模式、车辆下坡控制策略、启动控制模式等。如停车制动能量回收控制模式为：电磁铁2YA得电，换向阀9左位工作，车轮4通过混合传动离合器2驱动泵/马达5转动，油液从油箱15、泵/马达5、换向阀9油口A、单向节流阀10进入低压蓄能器11进行再生制动蓄能，如低压蓄能器11内压力达到设定的最高压力值，则油液进入高压蓄能器12进行再生制动蓄能。如高压蓄能器12压力达到设定上限值，电磁铁2YA失电，控制系统22控制马达13的调节器，使油液驱动马达13带动空压机16转动，产生压缩空气，压缩空气通过气压单向阀17进入储气罐20进行储存。

2 系统建模

2.1 车辆动力学模型

车体由底盘、拖车和货物3个组成部分，根据牛顿第二运动定律，车辆力学公式[4]为

(1)

(2)

在分析再生制动时，假设变速箱连接到发动机之间的离合器是解耦的，液压装置的离合器将液压泵连接到车轮，而不使用摩擦刹车，因此JICE=0。

气动阻力损失和滚动摩擦损失数学模型分别为

(3)

FR=mvgCRcosaroad

(4)

式中：Af为车辆正面区域；ρair为空气密度；CDA为空气阻力系数；CR为滚动摩擦因数；aroad为道路斜角。

重力在车辆运动方向上的分量：

FG=mvgsinaroad

(5)

制动时，液压泵/马达工作在泵工况，液压油液从低压蓄能器传至高压蓄能器，再生制动力[5]为

(6)

式中：iH为静压系统传输比率；τp为泵扭矩；ηmp为泵/马达机械效率。

车辆总能量是守恒的，通过牛顿第二定律可得：

(7)

式中：PML为车辆因空气阻力和机械损耗所消耗的功率；PRB为再生制动时吸收功率；g为重力加速度。从式(6)可知，用于再生制动PRB的功率与车辆动能和势能的变化相对应，因此，车辆所释放的能量为

(8)

可用于回收的能量ERB为

(9)

2.2 液压子系统

泵和马达的角动量守恒[6]，可以表示为

(10)

(11)

式中：Jp为泵惯性负载；Jeq(m/c)为马达和压缩机惯性负载；τc为压缩机所需扭矩；Bc为黏性摩擦系数；Cf/c为库仑摩擦系数；τH为混合系统变速箱出口扭矩，其计算式为

(12)

式中：τw为车轮产生的扭矩；ηmv为传动机械系统的机械效率。泵和马达的扭矩分别为

τp=DpεpΔp+Cv/pμDpωp+Cf/pDpΔp

(13)

τm=DmεmΔp+Cv/mμDmωm-Cf/mDmΔp

(14)

式中：Cv/(p/m)为黏性摩擦系数；Cf/(p/m)为泵或马达库仑摩擦系数。

将连续性方程用于描述泵和马达之间液压系统的动态特性，忽略管道和配件的压力损失，可得出：

(15)

式中：qp、qm、qac、qrelief、qpV分别为泵、马达、蓄能器、液压系统安全阀和比例换向阀的流量；Vh为等效液压体积；ph为液体压力。

泵出口和马达入口流体的体积流量：

(16)

(17)

式中：εp/m为体积排量比，即实际体积排量与泵或马达最大体积排量比率；Dp/m为泵或马达实际体积排量；ωp/m为泵或马达角速度；Δp为压力差(对泵而言，为出口压力减去进口压力；对马达而言，为进口压力减去出口压力)；μ为动力黏度；Cs/(p/m)为泄漏系数；βe为液体体积模量。

比例换向阀6为电液比例插装阀，用于控制马达转速，通过阀口的流量方程可用下式表示[7]：

(18)

式中：KV1为阀流量系数；ph、pLP分别为阀进、出口压力；U1为线圈输入电压；Un为线圈额定输入电压。

2.3 气压子系统

气动系统的核心是储气罐和空气压缩机。在气动系统建模中，假设压缩空气遵循理想气体状态方程：

pairVR=mairRairTair

(19)

式中：VR为储气罐容积；Tair、pair、mair、Rair分别为储气罐内空气的温度、压力、质量和通用气体常数。

结合连续性方程和状态方程，储气罐气体温度方程[7]为

(20)

式中：qm2、qm3分别为储气罐进、出口质量流率；cp为恒压条件下比热容；cv为恒定体积下比热容；dp2、dp3分别为进、出口内管直径；QRES为从储气罐内的空气到周围环境的热传递速率。

空压机吸收的功率[8]为

(21)

式中：kc为多变系数；Nc为阶数；T1为进气度；p1、p2分别为空压机进、出口压力；空压机质量流量qm，air=Dcωcηvcρ1，Dc为体积排量，ωc为空压机角速度，ρ1为进口处空气密度，ηvc为容积效率。

整个系统中每个元件的效率被定义为出口和入口能量之间的关系，因此液压泵/马达、空压机、蓄能器、储气罐的效率依次为

(22)

式中：Ep·∈为泵/马达输出的机械能；Ep，out为泵出口处液压能量；Em，∈为马达入口处液压能量；Em，out为马达轴输入机械能；Ec·∈为空压机轴输入机械能；Ec，out为空压机出口处气体能量；Eacc·∈为蓄能器入口处液压能量；Eacc为蓄能器内储存能量；Eair为储气罐内储存能量。

因此，液压子系统总效率ηH,T=(Eacc+Em,out)/Ep·∈，气压子系统总效率为ηP，T=Eair/Ec·∈。

3 系统验证

图2为用于验证所设计系统的实验装置[9]，将相应参数代入后对系统进行仿真和在实验装置上验证，结果如图3—4所示。图3为液压系统安全阀关闭时，泵/马达在3种不同情况下流量对比效果。可以看出：仿真曲线和实验曲线重合性很好，说明文中所设计方案是科学合理的。图4为空压机转速为1 200 r/min时，储气罐充气过程中气压系统压力对比效果。可以看出：仿真曲线和实验曲线一致性很好，均从0.5 MPa增加到约9 MPa，两条曲线微小差异是由恒定多变指数和实验空压机转速偏差引起的。

图2 实验装置

图3 液压泵实验和模拟体积流量响应比较

图4 气动系统实验和模拟气压响应比较

为了验证文中设计方案性能，实验装置在模拟制动情况下，飞轮(代替模拟车辆)转速从40 km/h减为0时相关参数模拟效果如图5—9所示。从图5可知，车辆完全停止大约需要21.2 s。由图6可知，在制动过程中，蓄能器中的压力近似线性增加，当蓄能器内的压力达到预设值32.5 MPa时，液压马达以3 000 r/ min启动，并开始给储气罐充气，将蓄能器完全增压至34 MPa大约需要14.8 s。由图8可知，在21.2 s时储气罐存储能量达到最大值123 kJ。由图9可知，在14.8 s时蓄能器存储能量达到最大值630 kJ。根据仿真结果可知，飞轮释放能量为1 293 kJ，系统回收能量1 095 kJ，回收率为84.7%。液压系统存储效率为630÷1 095×100%=57.6%，气压系统存储效率为123÷1 095×100%=11.2%，混合动力系统存储效率为57.6%+11.2%=68.8%。

图6 制动时蓄能器中压力值

图7 制动时储气罐中压力值

图8 制动时储气罐中能量变化曲线

图9 制动时蓄能器中能量变化曲线

4 结论

在主要针对液压混合能量再生问题进行研究的基础上，提出了一种用于车辆的液压-气压能量再生系统，该系统主要由液压子系统、气压子系统等组成。当车辆制动时，驱动液压子系统的蓄能器储存能量，由泵/马达带动气压子系统中的空气压缩机转动，压缩空气注入发动机进气歧管，以提高发动机瞬态响应，提升扭矩，改善发动机燃油经济性。从仿真及实验结果来看，文中所设计方案在制动过程中对系统能量回收率可达84.7%，从而验证了所采用数学模型的有效性，控制方案设计的科学性。不足之处是受现实条件所限，系统以飞轮替代实际旋转负载，没有在实际中进行有效验证。