那天明

(上海汽車(chē)變速器有限公司檢測(cè)中心，上海 201800)

0 引言

液壓混合動(dòng)力車(chē)輛是在車(chē)輛本身加裝一套液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程回收制動(dòng)能量，并在車(chē)輛起步過(guò)程中釋放，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。該系統(tǒng)主要由蓄能器、液壓泵、液壓馬達(dá)及其他電氣控制元件組成。

蓄能器在液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))整個(gè)運(yùn)行階段始終處于重要地位。忽略系統(tǒng)液壓環(huán)節(jié)流量損失及沿程壓力損失，蓄能器在系統(tǒng)制動(dòng)蓄能階段作為系統(tǒng)的唯一負(fù)載存在，在系統(tǒng)放能驅(qū)動(dòng)階段作為車(chē)輛唯一動(dòng)力來(lái)源，其工作過(guò)程和工作特性直接影響到系統(tǒng)的能量再生性能和車(chē)輛驅(qū)動(dòng)特性。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)際運(yùn)行工況，研究蓄能器配置參數(shù)對(duì)其輸出參數(shù)的影響，對(duì)車(chē)輛液壓混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。同時(shí)，為系統(tǒng)優(yōu)化配置蓄能器提供理論依據(jù)。

1 蓄能器配置參數(shù)及工作過(guò)程分析

蓄能器的配置參數(shù)是指某特定系統(tǒng)中，根據(jù)功能要求，需要選擇匹配的蓄能器某些基本參數(shù)。該系統(tǒng)中，相關(guān)的蓄能器配置參數(shù)包括蓄能器的公稱(chēng)容積、蓄能器充氣壓力、工作壓力上限和工作壓力下限。皮囊式蓄能器以其結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)快、漏損小[2]等優(yōu)點(diǎn)成為該系統(tǒng)配置蓄能器的首選，已被用在目前多數(shù)液壓混合動(dòng)力技術(shù)中。文中以皮囊式蓄能器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)蓄能器工作過(guò)程的熱力學(xué)分析，并結(jié)合實(shí)際使用過(guò)程中的參數(shù)配置，研究它在系統(tǒng)工況下的工作過(guò)程和工作特性。

蓄能器在工作過(guò)程中主要有3個(gè)基本狀態(tài)：充液前狀態(tài)，工作壓力上限狀態(tài)，工作壓力下限狀態(tài)。設(shè)充液前狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)初始充氣壓力p0，氣體體積近似為蓄能器的公稱(chēng)容積V0，氣體溫度為T(mén)0。工作壓力上限狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)設(shè)定最高工作壓力p2。工作壓力下限狀態(tài)下，氣體壓力為系統(tǒng)設(shè)定最低工作壓力p1。

系統(tǒng)工況下，蓄能器在4種工況下往復(fù)變化，分別為制動(dòng)能量回收工況、壓力上限保壓工況、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工況和壓力下限保壓工況。在制動(dòng)能量回收過(guò)程中，蓄能器氣體體積減小，壓力增大；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)壓力pt≥p2時(shí)，車(chē)輛ECU(Electronic Control Unit)立刻發(fā)出指令，切換油路。此時(shí)系統(tǒng)壓力為p2，蓄能器氣體體積為V2。在系統(tǒng)蓄能保壓階段，蓄能器油路切斷，蓄能器氣體體積保持不變。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，蓄能器氣體體積增大，壓力減?。划?dāng)壓力傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)實(shí)際壓力pt≤p1時(shí)，車(chē)輛ECU立刻發(fā)出指令，切換油路。此時(shí)系統(tǒng)壓力為p1，蓄能器氣體體積為V1。同前，在系統(tǒng)放能保壓階段，蓄能器氣體體積不變。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知，蓄能器氣體體積與其輸出壓力間的關(guān)系為(K為常數(shù))：

pVn=K

(1)

式中：p為蓄能器充氣腔的氣體壓力(絕對(duì)壓力)；V為蓄能器充氣腔的氣體體積；n為多變指數(shù)，n=1～1.4。為了定性分析，設(shè)定環(huán)境溫度維持在T0狀態(tài)不變，且不受蓄能器自身吸熱散熱影響，并忽略液壓管路泄漏及溫度和壓力變化引起的液壓油體積的變化。系統(tǒng)蓄能和放能過(guò)程時(shí)間很短，蓄能器氣體狀態(tài)變化可看作絕熱過(guò)程[3]，取n=1.4。在保壓階段，假定蓄能器與外部環(huán)境有足夠時(shí)間達(dá)到熱平衡，即蓄能器氣體溫度恢復(fù)為T(mén)0。從而根據(jù)式(1)，得到系統(tǒng)典型工況下蓄能器的參數(shù)變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 蓄能器氣體狀態(tài)參數(shù)變化圖

2 蓄能器輸出參數(shù)特性理論分析

蓄能器的輸出參數(shù)是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，蓄能器對(duì)其以外系統(tǒng)有貢獻(xiàn)的物理參量，即蓄能器與其外部元件相關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)。這里，對(duì)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)影響較大的輸出參數(shù)包括：蓄能器的壓力輸出、有效蓄能容積、比能量及能量效率。

2.1 蓄能器壓力輸出

蓄能器輸出壓力瞬時(shí)值直接影響到系統(tǒng)工作性能，在車(chē)輛制動(dòng)蓄能階段決定車(chē)輛制動(dòng)力的大小,在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起步階段決定車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力大小。由圖1可知，系統(tǒng)在制動(dòng)蓄能階段和驅(qū)動(dòng)起步階段壓力輸出線(xiàn)并不重合。其中，系統(tǒng)設(shè)定最高工作壓力p2和最低工作壓力p1在系統(tǒng)控制策略中設(shè)置，但在系統(tǒng)制動(dòng)蓄能起點(diǎn)，蓄能器的實(shí)際壓力p1e大于系統(tǒng)設(shè)定最低壓力p1。在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起步起點(diǎn)，蓄能器的實(shí)際壓力p2e小于系統(tǒng)設(shè)定最高壓力p2。結(jié)合蓄能器系統(tǒng)工況工作過(guò)程(如圖1)，利用氣體狀態(tài)方程推出：

(2)

(3)

作者用p1與p1e的比值和p2e與p2的比值分別表征蓄能器制動(dòng)蓄能起點(diǎn)時(shí)的壓力增益和蓄能器驅(qū)動(dòng)起步起點(diǎn)時(shí)的壓力損失。根據(jù)式(2)、(3)有：

(4)

于是，在系統(tǒng)制動(dòng)蓄能階段，某m狀態(tài)工作點(diǎn)下，根據(jù)式(1)得到此時(shí)蓄能器輸出壓力大小pm為：

(5)

同樣，在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起步階段，某n狀態(tài)工作點(diǎn)下，根據(jù)式(1)得到此時(shí)蓄能器輸出壓力大小pn為：

(6)

通過(guò)以上的熱力學(xué)分析及計(jì)算結(jié)果，有以下結(jié)論：

(1)蓄能器輸出壓力受系統(tǒng)設(shè)定壓力上限p2、壓力下限p1、蓄能器充氣壓力p0和蓄能器公稱(chēng)容積V0影響；且在某特定狀態(tài)工作點(diǎn)上，蓄能器輸出壓力(兩種工況下分別對(duì)應(yīng)比較)隨p1、p2上升而下降，隨p0、V0上升而上升。

(2)系統(tǒng)制動(dòng)蓄能的起點(diǎn)壓力p1e與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起步的起點(diǎn)壓力p2e只受系統(tǒng)設(shè)定壓力上限p2和壓力下限p1影響，且隨p1、p2增大而升高。

(3)系統(tǒng)兩工況下起點(diǎn)實(shí)際工作壓力與系統(tǒng)設(shè)定值的差值與系統(tǒng)設(shè)定壓力下限p1和壓力上限p2比值有關(guān)，該值越大，則實(shí)際工作壓力越接近系統(tǒng)設(shè)定壓力。

2.2 蓄能器有效蓄能容積

蓄能器有效蓄能容積是指系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，蓄能器儲(chǔ)存能量變化的幅度值。在系統(tǒng)工況下，它包含兩方面內(nèi)容：一方面，在系統(tǒng)制動(dòng)蓄能階段，流體對(duì)蓄能器氣腔壓縮做功，此時(shí)能量形式由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，其大小關(guān)系到系統(tǒng)的制動(dòng)能力；另一方面，在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起步階段，蓄能器氣腔膨脹對(duì)外做功，此時(shí)能量形式由液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其大小關(guān)系到系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。且由圖1可知，二者并不相等。根據(jù)能量的定義，將圖中兩工況曲線(xiàn)分別對(duì)體積V進(jìn)行積分，得到：

(7)

(8)

式中：E蓄、E放分別為制動(dòng)蓄能工況和驅(qū)動(dòng)起步階段蓄能器的有效蓄能容積；p3為蓄能器允許的最高工作壓力。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工況下，蓄能器對(duì)外做功，E放為負(fù)。由以上分析可知：

(1)蓄能器的蓄能容積與其公稱(chēng)容積V0、充氣壓力p0呈正比。

(2)蓄能器設(shè)定壓力上限與下限的比值越大，蓄能器蓄能容積越大。

2.3 蓄能器比能量

比能量對(duì)于混合動(dòng)力而言是一個(gè)非常重要的概念，其意指不同混合動(dòng)力技術(shù)中，蓄能元件單位質(zhì)量所能儲(chǔ)存或釋放能量的大小[6]。考慮到某些蓄能元件的體積因素，有時(shí)也可指單位體積蓄能元件所能承載或釋放能量的多少。其數(shù)值大小直接影響到混合動(dòng)力技術(shù)實(shí)施的可行性，是一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于蓄能器而言，由式(7)、(8)得到:

(9)

(10)

現(xiàn)設(shè)ρ為蓄能器的平均密度，m為蓄能器質(zhì)量，根據(jù)機(jī)械手冊(cè)[7]數(shù)據(jù)可以得出：不同容積下，蓄能器的平均密度近似恒定。于是根據(jù)上面兩式可以得到：

(11)

(12)

由上可知，蓄能器的比能量?jī)H與蓄能器壓力設(shè)定有關(guān)。此壓力設(shè)定值包括蓄能器的初始充入壓力p0和系統(tǒng)設(shè)置壓力上限p2與下限p1，且其大小隨著初始充氣壓力的升高而增大，隨系統(tǒng)設(shè)定壓力p2與p1的比值的增大而增大。

2.4 蓄能器能量效率

蓄能器在系統(tǒng)制動(dòng)蓄能階段和驅(qū)動(dòng)放能階段能量大小并不相同，部分能量由于蓄能器工作過(guò)程中溫度的變化及其與外界的熱交換散失掉。蓄能器能量效率反映了系統(tǒng)在制動(dòng)工況回收的能量用于車(chē)輛驅(qū)動(dòng)起步能力的大小。根據(jù)式(7)、(8)可以得到此過(guò)程中蓄能器的效率為：

(13)

由此，可以得知系統(tǒng)中蓄能器的能量效率僅與系統(tǒng)設(shè)定壓力p1與p2的比值有關(guān)，并隨其數(shù)值的增大而增大。

3 蓄能器輸出參數(shù)特性試驗(yàn)分析

利用液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)上文得出的系統(tǒng)工況下蓄能器輸出參數(shù)特性做進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)(如圖2所示)主要由蓄能器、液壓閥體、液壓泵/馬達(dá)、飛輪、電動(dòng)機(jī)、油箱、離合器和電氣控制及信號(hào)采集部分構(gòu)成。根據(jù)試驗(yàn)條件，對(duì)蓄能器在系統(tǒng)工況下的實(shí)際壓力輸出、蓄能器的有效蓄能容積、蓄能器的能量效率進(jìn)行試驗(yàn)分析。忽略試驗(yàn)過(guò)程描述，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理，得出試驗(yàn)結(jié)果，如圖3—5所示。

圖2 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

圖3 蓄能器理論特性曲線(xiàn)與實(shí)際特性曲線(xiàn)對(duì)比圖(壓力)

圖4 蓄能器理論特性曲線(xiàn)與實(shí)際特性曲線(xiàn)對(duì)比圖(能量)

圖5 蓄能器理論特性曲線(xiàn)與實(shí)際特性曲線(xiàn)對(duì)比圖(效率)

其中，在測(cè)量蓄能器蓄能容積時(shí)，為排除蓄能器以外元件能量損失造成的影響，首先對(duì)系統(tǒng)在不同工況下系統(tǒng)效率加以試驗(yàn)測(cè)量，并根據(jù)其趨勢(shì)給出擬合結(jié)果，從而得出飛輪在不同初速度時(shí)系統(tǒng)的效率曲線(xiàn)，如圖5(a)所示。根據(jù)圖中對(duì)比結(jié)果可以看到：

(1)蓄能器蓄能工況初始?jí)毫?shí)際值小于理論值，而放能工況初始?jí)毫?shí)際值大于理論值。

(2)蓄能器蓄能階段蓄能容積大于理論值，放能階段蓄能容積小于理論值。

(3)蓄能器實(shí)際蓄能效率小于理論值，且隨著p1/p2的比值增大，它與理論值的差值有增大的趨勢(shì)。

(4)除了試驗(yàn)儀器及人為因素導(dǎo)致的誤差外，造成上述差異的原因還包括蓄能器保壓階段，液壓閥體的泄漏、壓力測(cè)量點(diǎn)處流體動(dòng)壓造成的影響。另外，在系統(tǒng)蓄能階段及放能工況下，蓄能器實(shí)際工作狀態(tài)與絕熱狀態(tài)存在差異，及試驗(yàn)制定工況下保壓時(shí)間不夠等。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)液壓混合動(dòng)力運(yùn)行工況，蓄能器的輸出參數(shù)，包括蓄能器在不同工況下實(shí)際的壓力輸出p1e、p2e，蓄能器的有效蓄能容積E蓄、E放，蓄能器的比能量E蓄/m、E放/m，以及蓄能器的能量效率η直接受其配置參數(shù)的影響和支配。文中通過(guò)熱力學(xué)分析，對(duì)參數(shù)影響的結(jié)果做了分析，給出一些計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證分析，從而為系統(tǒng)實(shí)際配置蓄能器提供一個(gè)理論依據(jù)。

系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛工況十分復(fù)雜，蓄能器充放能時(shí)間間隔不固定，致使蓄能器的工作狀態(tài)與前面描述狀態(tài)曲線(xiàn)中并不完全重合；蓄能器實(shí)際工作狀態(tài)多變系數(shù)接近但必然小于1.4，其準(zhǔn)確值要根據(jù)蓄能器不同工況通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)得。此外，系統(tǒng)環(huán)境溫度的不斷改變，使得蓄能器狀態(tài)圖中的平衡溫度不斷偏移。然而，根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行工況，由概率分布考慮到通常情況及在一段時(shí)間內(nèi)溫度變化幅度不大等特點(diǎn)，文中的假設(shè)在一定程度上是合理的，其結(jié)果有一定的參考價(jià)值，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)加以修正。

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