陳有權(quán)，范麗丹，張國福，于曉慧，趙 悅，劉昕暉

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對交通運輸業(yè)的需求越來越大，但是，能源與環(huán)保問題一直是人們所關(guān)注的影響經(jīng)濟發(fā)展的兩大問題［1］.因此，科學工作者們將研究重點集中在節(jié)能與新能源車輛的研究上，這類車輛可在節(jié)能與環(huán)保方面發(fā)揮非常重要的作用［2-4］.目前，研究較多的節(jié)能與新能源車輛主要集中在電動車及油電混合動力車輛方面，充分發(fā)揮了這類車輛續(xù)航能量密度大、里程長的特點.但是，對于功率密度要求較高的重載車輛而言，需要更多的功率去驅(qū)動車輛，相反，重載車輛在減速時有較多的功率可以回收.液壓混合動力技術(shù)以其功率密度大、充放迅速、綠色環(huán)保等特點，受到了廣泛的關(guān)注與應用［5-6］.

正如國外EPA文獻報道［7］:“液壓混合動力車輛的主要優(yōu)勢是捕捉和應用很大比例的通常損失掉的制動能量，由于具有高功率密度，液壓混合動力技術(shù)可以快速而有效地存儲和釋放大量的能量，因此，在最大化能量回收以及增加發(fā)動機燃油經(jīng)濟性方面，這是一非常關(guān)鍵的因素.”

通常，混合動力車輛被定義為兩種或兩種以上動力源驅(qū)動的車輛.根據(jù)液壓二次元件與發(fā)動機的耦合方式不同，液壓混合動力的結(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)三種構(gòu)型.其中，串聯(lián)式與并聯(lián)式構(gòu)型是兩種最基本的構(gòu)型.串聯(lián)式構(gòu)型是將各動力源以串聯(lián)方式連接，因此，只有最后動力源可以給車輛直接提供動力.這種動力配置方式不僅容易控制，還可以獲得比并聯(lián)式結(jié)構(gòu)稍微高一點的燃油經(jīng)濟性收益，但是，這種結(jié)構(gòu)需要更大的原件尺寸，與傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)有很大的不同.而并聯(lián)式構(gòu)型，所有的動力源都可以直接驅(qū)動車輛［8］.因此，方便在現(xiàn)存車輛系統(tǒng)的改裝，并且能夠減小主動力源的尺寸及功率，但是控制系統(tǒng)更加復雜.此外，還有將串聯(lián)式與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)合并在一起的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，兼顧串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)更加復雜［9］.其中，液壓蓄能器是液壓混合動力系統(tǒng)中重要的原件之一，其主要作用是將液壓二次元件捕捉到的制動能量存儲起來，在系統(tǒng)需要的時候，適時、適量地將存儲的能量釋放出來，以進行車輛的輔助驅(qū)動［10］.但無論哪種構(gòu)型，蓄能器的作用都是一致的，只是對于不同的車輛，蓄能器容積的大小、預充氣壓力等參數(shù)對液壓混合動力系統(tǒng)的影響較大.因此，本文將在混合動力系統(tǒng)構(gòu)型確定的前提下，通過建立系統(tǒng)各部件的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，基于AMESim軟件建立液壓混合動力系統(tǒng)的仿真模型，分析液壓蓄能器的不同參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并通過相應的實驗進行驗證，為系統(tǒng)最終選型以及后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ).

1 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，混合動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機、液壓二次元件、轉(zhuǎn)矩耦合器、高壓液壓蓄能器和低壓液壓油箱以及連接管路組成.其主要工作原理是當車輛制動時，通過液壓二次元件將車輛的一部分制動能量轉(zhuǎn)換為液壓能存儲在高壓蓄能器中，當車輛需要時，在中央控制器的作用下，再將高壓蓄能器中的液壓能適時地釋放出來，以輔助驅(qū)動車輛運行，此時，發(fā)動機就能夠適當?shù)販p少工作時間或工作強度，以調(diào)整發(fā)動機的工作點，同時，由于發(fā)動機經(jīng)常工作在經(jīng)濟區(qū)域，燃燒比較充分，因此，可達到節(jié)能環(huán)保的目的.在眾多的液壓混合動力元/部件中，液壓蓄能器的作用顯得至關(guān)重要，其參數(shù)匹配的好壞將直接影響整車能量回收與利用的性能.

圖1 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)原理圖

2 液壓蓄能器的工作過程及數(shù)學模型

液壓蓄能器作為蓄能單元，將能量以壓力能的方式，通過充能和放能進行能量存儲和傳遞，并且能夠起到緩沖作用.由于液體是高度不可壓縮的，因此不能蓄積壓力能，必須通過其它介質(zhì)來轉(zhuǎn)換、積蓄壓力能.

如果在液壓油和氮氣之間沒有屏障，高壓氣體會迅速地進入液壓油，并達到由亨利定律（Henry’s Law）［11］所確定的量，從而會引起其他部件的問題.此外，將氣體預壓到所需的壓力是極其困難的，這個事實導致在蓄能器中創(chuàng)建兩個獨立的腔室，可以改變大小和共享一個共同的容積.

蓄能器［12］按加載方式可分為彈簧式、活塞式和氣體式三種，其中，彈簧式液壓蓄能器，如圖2所示，是依靠壓縮彈簧把液壓系統(tǒng)中的過剩壓力能轉(zhuǎn)化為彈簧勢能存儲起來，需要時釋放出去，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低.但是因為彈簧伸縮量有限，而且彈簧的伸縮對壓力變化不敏感，消振功能差，所以只適合小容量、低壓系統(tǒng)（P≦1.0～1.2MPa），或者用作緩沖裝置.而活塞式液壓蓄能器，如圖3所示，它通過提升加載在密封活塞上的質(zhì)量塊把液壓系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)化為重力勢能積蓄起來.其結(jié)構(gòu)簡單、壓力穩(wěn)定.缺點是安裝局限性大，只能垂直安裝，不易密封，質(zhì)量慣性大，不靈敏.這類蓄能器僅供暫存能量用.這兩種蓄能器因為其局限性已經(jīng)很少采用.囊式蓄能器，如圖4所示，是利用惰性氣體（如氮氣）的可壓縮性來蓄積液體的原理（即采用氮氣作為壓縮介質(zhì)）而工作的.膠囊式蓄能器由油液部分和帶有氣密隔離件的氣體部分構(gòu)成，位于膠囊周圍的油液與油液回路接通.如圖4所示，囊式蓄能器主要由殼體、膠囊、充氣閥、菌形閥等部件組成.

囊式蓄能器提供的尺寸范圍廣，壓力變化響應快，并提供高功率輸出.對于使用蓄能器作為能量存儲設(shè)備的移動應用場合來說，囊式蓄能器是最常用的.由于重量和反應的優(yōu)勢，以及儲存大量液體的需要，本文選用工程界常用的氣囊式蓄能器進行研究，它使用液壓油與液壓系統(tǒng)的其它部分進行連接，但是能量是通過壓縮氣體來儲存的.

由于氮氣在化學上是惰性的，不易燃的，而且具有豐富的特點，常常被做為液壓蓄能器使用的氣體.

圖2 彈簧式蓄能器

圖3 活塞式蓄能器

氮氣由充氣閥充入與排出，利用橡膠托環(huán)與菌形閥保護膨脹時的膠囊、殼體形成容器，起到支撐和保護作用，應符合最高壓力設(shè)計，氮氣與液體用膠囊隔離，液壓油通過油閥流入與流出，閥體座可與配管進行連接，位于膠囊周圍的油液與液壓回路相通.因此，當壓力升高時，油液進入囊式蓄能器，壓縮氣囊中的氣體，直到系統(tǒng)管路壓力不再上升；當壓力下降時，氣囊中的被壓縮氣體膨脹，進而將油液壓入回路，從而減緩管路壓力的下降.

使用前的狀態(tài)（氮氣與液體未進入），膠囊內(nèi)預先充有氮氣，油閥是關(guān)閉的，防止膠囊脫離.達到最低工作壓力時，膠囊外和油閥之間應保留少量油液（約為蓄能器公稱容量的10%），不至于膠囊在每次膨脹過程中撞擊閥，引起膠囊損壞，蓄能器處于最高工作壓力.最低工作壓力和最高工作壓力時的容積變化量相當于有效的油液量，ΔV=V1-V2.

圖4 囊式蓄能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及工作原理［13］

囊式液壓蓄能器的建模方法有許多，并且不同的方法具有不同的精度.本文將采用絕熱模型和一個考慮氣體壓縮熱特性的更高級的模型.

蓄能器內(nèi)的壓縮和膨脹過程應遵循氣體狀態(tài)多變的規(guī)律.根據(jù)Boyle-Mariotte定律，對于理想的氣體，液壓蓄能器應滿足下列方程，

式中:P0,V0分別是初始或預充壓力（MPa）和相應的初始氣體體積（m3）；P1,V1分別是最小壓力（MPa）和相應的最大氣體體積（m3）；P2,V2分別是最大壓力（MPa）和相應的最小氣體體積（m3）；n——Boyle-Mariotte定律氣體多變指數(shù)，它是氣體特性隨著時間的影響指數(shù).緩慢的膨脹和壓縮過程的狀態(tài)變化接近于等溫，多變指數(shù)可為n=1；而快速的膨脹和壓縮過程發(fā)生絕熱的狀態(tài)變化，取n=1.4（適合雙原子氣體的氮氣），其它情況介于二數(shù)值之間.那么，蓄能器中的能量可以通過下式得到，

這里，負號代表能量隨能量隨體積減小而增加，對pVn進行求導，

已知

求導

通過這個方程，可以幫助我們理解蓄能器有能力存儲能量的本質(zhì).但是，P2受到蓄能器物理強度的限制，并且V0是蓄能器的空容量.因此，考慮到蓄能器的物理限制，而要達到蓄能器最大能量存儲，選擇一個合適的P0是非常重要的.注意到，方程（7）只有在兩種情況下，即，當P0=0或P0=P2時，才能等于零.同時，通過計算下式可以得到一個最值，即

類似的推導也可以用在n=1的情況，

3 蓄能器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

液壓蓄能器是液壓混合動力系統(tǒng)中必不可少的重要部件之一，主要負責存儲由液壓二次元件回收的制動能量并以壓力能的形式進行存儲.

由于氣囊式蓄能器使用液壓油來與液壓系統(tǒng)的其它部分進行連接，但是能量是通過壓縮氣體來儲存的，液壓混合動力的回收能力受液壓蓄能器的大小和配置限制.因此，液壓蓄能器各參數(shù)的選擇合適與否，將直接影響整個液壓混合動力系統(tǒng)性能的優(yōu)劣［14］.

對于囊式蓄能器的參數(shù)，主要有蓄能器的容積和預充壓力兩個參數(shù).利用LMS Imagine.Lab AMESim仿真環(huán)境下分別建立并聯(lián)式液壓混合動力車輛的虛擬樣機和控制模型［14］，如圖5所示，并對混合動力系統(tǒng)進行動態(tài)仿真.通過這個模型，可以了解在達到壓力極限和體積極限之前多少能量能被存儲在蓄能器中，并針對液壓蓄能器進行可視化后處理，分析液壓蓄能器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響.

圖5 FPHHV底盤系統(tǒng)頂層仿真模型

3.1 液壓蓄能器預充壓力對系統(tǒng)性能的影響

液壓蓄能器的預充壓力對液壓蓄能器本身以及整個液壓混合動力系統(tǒng)影響很大，所以對蓄能器預充壓力的選擇既要考慮系統(tǒng)的工作性能還要考慮系統(tǒng)的安全性.對液壓蓄能器進行預充氣，使膠囊存有一定的初始壓力，可以保證系統(tǒng)在最高工作壓力時，蓄能器能將壓力油順利地釋放出來.理論上，P0=P1，但由于液阻、泄漏以及溫度的影響，實際的預充氣壓力是小于系統(tǒng)的最低工作壓力的，預充壓力不得超過最低系統(tǒng)壓力的90%.因此，為了充分地利用蓄能器的容量，按經(jīng)驗公式，預充氣壓力的取值范圍應滿足下式，

囊式蓄能器NXQ系列允許容積利用率為實際氣體容量的75%.因此預充氮氣壓力和最高工作壓力間的比例應滿足下式

這樣，在最高壓力Pmax確定之后，即可計算出預充壓力P0.遵照這種規(guī)定可保證較長的膠囊使用壽命.其它壓縮比可采用特別的措施達到.

利用數(shù)值仿真的方法我們可以直觀地看到不同的蓄能器預充壓力對系統(tǒng)性能的影響.如圖6所示，在設(shè)定液壓蓄能器的容積為100L，分別對預充壓力80bar、100bar、120bar、140bar、160bar時的混合動力車輛的速度、加速度、蓄能器壓力、氣體的容積變化以及蓄能器存儲和釋放的能量變化進行仿真.從圖中可以看到，預充氣壓力的變化對混合動力車輛的車速和加速度幾乎沒有什么影響，但蓄能器的液體壓力和氣體的體積變換較為劇烈.在較低預充氣壓力情況下，由于預壓壓力比較低，蓄能器可沖入的液壓油的體積最大，這是因為在達到最大壓力之前，氣體可以被壓縮得更多.但由于壓縮氣體的壓力很小，所以，儲存在蓄能器中的能量相對較低

而蓄能器的能量變換幅度并不劇烈，只是有較小幅度的變化.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著預充壓力的增加，車輛在制動時，蓄能器中的液體壓力上升較快，而氣體的體積變化相對較小，能量的影響并不是很大，但較高的預充壓力會使系統(tǒng)回收的能量反而較少，因為盡管壓力很高，但是氣體體積的變化相對較低，那么，在達到最大壓力之前，很少有液壓油進入蓄能器.所以，在這種情況下回收的能量很低.

因此，在選擇液壓蓄能器預充壓力時，應在式（12）的范圍內(nèi)，合理地選擇預充壓力以及蓄能器的大小，以平衡良好的能量儲存和理想的流體儲存，使系統(tǒng)能夠存儲更多的能量.

圖6 蓄能器預充氣壓力對系統(tǒng)性能的影響

3.2 蓄能器的容量選擇

對于并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)，液壓蓄能器的容積大小與蓄能器的預充壓力同樣重要，它將直接影響著系統(tǒng)所能存儲能量的多少，通過改變蓄能器的大小來調(diào)整儲存其中的液體量，從而可以調(diào)整存儲在其中的能量.如果太小，不能滿足最大限度地回收車輛的制動能量，如果太大，又受到車輛安裝空間及成本的限制，因此，合理地選擇液壓蓄能器的容積技能保證回收能量的數(shù)量，又能起到減小空間、節(jié)約成本的作用.

液壓蓄能器的能量存儲能力是蓄能器的最大壓力和蓄能器容積之間的函數(shù)，而由于P0與P2之間的固定比例，儲存在蓄能器中的液壓油的油量（V0-V2）卻只依賴于蓄能器的容積.如式所示，

由 ΔV=V0-V2，可知，V2=V0-ΔV，則式（14）可表示為

即

為了保證液壓混合動力車輛在制動時蓄能器能回收相當一部分制動能量，通常以平均車速作為衡量標準，這樣才能保證存儲全部回收的制動能量，即

式中，vavg——車輛行駛過程中的平均車速，m/s；m——車輛質(zhì)量，kg.

為了更直觀、清晰地看到液壓蓄能器的容積對系統(tǒng)性能的影響，本文基于AMESim軟件［15］，假定液壓蓄能器預充壓力為160bar，分別對蓄能器的容積為60L、70L、80L、90L、100L、110L六種情況進行仿真分析.液壓蓄能器容積對系統(tǒng)性能的影響如圖7所示，從圖中可以看出，隨著蓄能器容積的變大，液壓蓄能器的容積對混合動力車輛的車速與加速度的影響并不是很大，蓄能器的液體壓力變化幅度較大，蓄能器的能量變化的幅度的影響相對較小，而氣體的壓力變化幅度幾乎相等.

圖7 蓄能器容積對系統(tǒng)性能的影響

其中，液體的壓力上升的幅度會隨著蓄能器容積的增加而減小，而在回收能量一定的情況下，蓄能器容積越大，混合動力系統(tǒng)回收制動能量的能力也就越強.但達到最優(yōu)值后，再增加蓄能器的容積對能量的回收效果也沒有太大的改善，甚至可能會出現(xiàn)少許降低的趨勢［16］.由此可見，蓄能器的容積對提高系統(tǒng)性能和節(jié)約裝配空間與成本顯得至關(guān)重要.因此，在對蓄能器選型時，應根據(jù)具體情況以及設(shè)計要求，合理地選擇蓄能器的型號.

4 熱損失校正

以上分析是在理想條件下（氣體在能量轉(zhuǎn)換過程中是絕熱的）進行的，雖然有助于理解，但是在實際的能量轉(zhuǎn)換過程中的氣體與理想氣體存在一定的偏差，存在熱量損失.尤其是在充能、放能速度比較快的能量再生系統(tǒng)中，熱量損失更為嚴重.而這涉及到蓄能器循環(huán)的整體的動力學問題.為了使所建的模型更加精確，根據(jù)基本熱力學理論，應用BWR（Benedict-Webb-Rubin）方程［17-19］，可以得到關(guān)于壓強、溫度和特定體積的一個微分方程和兩個代數(shù)方程，即

A0、B0、C0、a、b、c、d和γ均為特征參數(shù)，由實驗回歸而得.

這些方程是基于蓄能器和環(huán)境之間的熱交換率可以使用熱力學時間常數(shù)——ξ來建模的想法建立的.這個熱力學時間常數(shù)定義了氣體的溫度在氣體和環(huán)境空氣之間的溫度差異的速度，確切的時間常數(shù)一般通過實驗得到.

囊式蓄能器的熱損失是蓄能器充能/放能之間的時間延遲的函數(shù)，這可以大大降低蓄能器的整體效率.如圖8所示，當ξ以及時間延遲不同的三種情況的蓄能器壓力變化情況.所有的情況都被循環(huán)，直到達到平衡，然后能量和滯后被捕獲.

圖8 囊式蓄能器的熱損失

從圖中可以看出，蓄能器充能與放能之間的延遲時間對蓄能器能量的儲存能力有直接影響.這是由于延遲時的熱變化減少了在壓力限制之前的允許的體積變化.值得注意的是，增加熱時間常數(shù)盡管它大大提高了效率，但卻降低能量儲存容量.這是由于有一小部分能量被用來改變氣體的溫度，從而改變了壓力—體積曲線的形狀.

在實際工程中，常常將彈性泡沫添加到蓄能器中，以提高蓄能器的熱時間常數(shù).考慮到蓄能器中會發(fā)生的熱損耗和真實氣體動力學，蓄能器的實際尺寸應該比理論值大10%～30%左右，甚至可以達到50%.

5 實驗

根據(jù)前面的理論分析，初步確定了蓄能器參數(shù)，如表1所示.

表1 液壓蓄能器主要參數(shù)

為了驗證和測量液壓混合動力系統(tǒng)的對車輛的節(jié)油與動力性能的影響，研制了液壓混合動力起重機的實驗樣車，如圖9所示，分別對混合動力實驗樣機和原始樣機在循環(huán)工況下進行了循環(huán)實驗.先從車速為0加速到30km/h，再由30km/h減速到0，進行多次的循環(huán)實驗，來測量油耗、車速、距離等相關(guān)信號.本文主要針對液壓混合動力起重機的動力性能與節(jié)油性能進行了比較與分析.其中節(jié)油率的計算參照公式（21）

式中，SFuel——節(jié)油率；Ccon——起重機在原車傳動形式運行下的油耗；CHyb——起重機在混合動力系統(tǒng)輔助下運行的油耗.

圖9 混合動力實驗樣車

對比兩種工況下的測試曲線以及蓄能器壓力變化曲線，如圖10、11、12所示，可以看出，蓄能器可以有效地補充和釋放能量，車輛在混合動力系統(tǒng)輔助下的油耗要低于原車傳動形式下的油耗.而在混合動力輔助下車輛行駛位移的提升也代表了車輛動力性能的增強.經(jīng)過計算可以得出，目前車輛在混合動力系統(tǒng)的輔助下，從0加速至16km/h過程中的節(jié)油率為34.75%，由此也可以推測，在制動較為頻繁的工況下，車輛的燃油經(jīng)濟性較為可觀.

圖10 車輛油耗對比（單位：L）

圖11 車輛行駛距離（單位：m）

圖12 蓄能器壓力變化（單位：bar）

6 結(jié)論

通過建立液壓蓄能器的數(shù)學模型，基于AMESim多學科領(lǐng)域復雜系統(tǒng)建模仿真平臺，結(jié)合實驗樣機實際參數(shù)，建立了重載車輛并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)仿真模型，分析了液壓蓄能器主要參數(shù)對液壓混合動力系統(tǒng)性能的影響.從仿真曲線中可以看出，蓄能器的容積以及預充壓力對系統(tǒng)性能影響較大，只有合理地選擇液壓蓄能器的參數(shù)，不僅節(jié)省原件布置空間，而且可以最大限度地提高系統(tǒng)的性能.同時，考慮到蓄能器在實際的充、放能過程中會存在熱損失，設(shè)置了熱損失校正參數(shù)，在實際工程中，采用在蓄能器中添加彈性泡沫的方法，來提高蓄能器的熱時間常數(shù)，可大大提高蓄能器的充、放能效率，以消除熱損失的影響.通過試制混合動力實驗樣車并進行相關(guān)實驗，結(jié)果表明，可以通過仿真確定的參數(shù)范圍對蓄能器選型，使蓄能器能夠有效地對制動能量進行回收與利用，并且節(jié)油率相當可觀.此外，本文的研究成果為后續(xù)的液壓混合動力車輛節(jié)能研究打下了良好的基礎(chǔ).