基于液压混合动力车辆的蓄能器特性分析

那天明

(上海汽车变速器有限公司检测中心，上海 201800)

0 引言

液压混合动力车辆是在车辆本身加装一套液力驱动系统，通过液压系统在车辆制动过程回收制动能量，并在车辆起步过程中释放，驱动车辆前进，从而达到节能减排的目的[1]。该系统主要由蓄能器、液压泵、液压马达及其他电气控制元件组成。

蓄能器在液压混合动力系统(以下简称系统)整个运行阶段始终处于重要地位。忽略系统液压环节流量损失及沿程压力损失，蓄能器在系统制动蓄能阶段作为系统的唯一负载存在，在系统放能驱动阶段作为车辆唯一动力来源，其工作过程和工作特性直接影响到系统的能量再生性能和车辆驱动特性。结合系统结构及其实际运行工况，研究蓄能器配置参数对其输出参数的影响，对车辆液压混合动力技术的发展至关重要。同时，为系统优化配置蓄能器提供理论依据。

1 蓄能器配置参数及工作过程分析

蓄能器的配置参数是指某特定系统中，根据功能要求，需要选择匹配的蓄能器某些基本参数。该系统中，相关的蓄能器配置参数包括蓄能器的公称容积、蓄能器充气压力、工作压力上限和工作压力下限。皮囊式蓄能器以其结构紧凑、反应快、漏损小[2]等优点成为该系统配置蓄能器的首选，已被用在目前多数液压混合动力技术中。文中以皮囊式蓄能器为研究对象，通过对蓄能器工作过程的热力学分析，并结合实际使用过程中的参数配置，研究它在系统工况下的工作过程和工作特性。

蓄能器在工作过程中主要有3个基本状态：充液前状态，工作压力上限状态，工作压力下限状态。设充液前状态下，气体压力为系统初始充气压力p0，气体体积近似为蓄能器的公称容积V0，气体温度为T0。工作压力上限状态下，气体压力为系统设定最高工作压力p2。工作压力下限状态下，气体压力为系统设定最低工作压力p1。

系统工况下，蓄能器在4种工况下往复变化，分别为制动能量回收工况、压力上限保压工况、系统驱动工况和压力下限保压工况。在制动能量回收过程中，蓄能器气体体积减小，压力增大；当压力传感器检测到系统压力pt≥p2时，车辆ECU(Electronic Control Unit)立刻发出指令，切换油路。此时系统压力为p2，蓄能器气体体积为V2。在系统蓄能保压阶段，蓄能器油路切断，蓄能器气体体积保持不变。系统驱动工况时，蓄能器气体体积增大，压力减小；当压力传感器检测到系统实际压力pt≤p1时，车辆ECU立刻发出指令，切换油路。此时系统压力为p1，蓄能器气体体积为V1。同前，在系统放能保压阶段，蓄能器气体体积不变。根据气体状态方程可知，蓄能器气体体积与其输出压力间的关系为(K为常数)：

pVn=K

(1)

式中：p为蓄能器充气腔的气体压力(绝对压力)；V为蓄能器充气腔的气体体积；n为多变指数，n=1～1.4。为了定性分析，设定环境温度维持在T0状态不变，且不受蓄能器自身吸热散热影响，并忽略液压管路泄漏及温度和压力变化引起的液压油体积的变化。系统蓄能和放能过程时间很短，蓄能器气体状态变化可看作绝热过程[3]，取n=1.4。在保压阶段，假定蓄能器与外部环境有足够时间达到热平衡，即蓄能器气体温度恢复为T0。从而根据式(1)，得到系统典型工况下蓄能器的参数变化曲线如图1所示。

图1 蓄能器气体状态参数变化图

2 蓄能器输出参数特性理论分析

蓄能器的输出参数是指系统运行过程中，蓄能器对其以外系统有贡献的物理参量，即蓄能器与其外部元件相关联的物理参数。这里，对液压混合动力系统影响较大的输出参数包括：蓄能器的压力输出、有效蓄能容积、比能量及能量效率。

2.1 蓄能器压力输出

蓄能器输出压力瞬时值直接影响到系统工作性能，在车辆制动蓄能阶段决定车辆制动力的大小,在系统驱动起步阶段决定车辆驱动力大小。由图1可知，系统在制动蓄能阶段和驱动起步阶段压力输出线并不重合。其中，系统设定最高工作压力p2和最低工作压力p1在系统控制策略中设置，但在系统制动蓄能起点，蓄能器的实际压力p1e大于系统设定最低压力p1。在系统驱动起步起点，蓄能器的实际压力p2e小于系统设定最高压力p2。结合蓄能器系统工况工作过程(如图1)，利用气体状态方程推出：

(2)

(3)

作者用p1与p1e的比值和p2e与p2的比值分别表征蓄能器制动蓄能起点时的压力增益和蓄能器驱动起步起点时的压力损失。根据式(2)、(3)有：

(4)

于是，在系统制动蓄能阶段，某m状态工作点下，根据式(1)得到此时蓄能器输出压力大小pm为：

(5)

同样，在系统驱动起步阶段，某n状态工作点下，根据式(1)得到此时蓄能器输出压力大小pn为：

(6)

通过以上的热力学分析及计算结果，有以下结论：

(1)蓄能器输出压力受系统设定压力上限p2、压力下限p1、蓄能器充气压力p0和蓄能器公称容积V0影响；且在某特定状态工作点上，蓄能器输出压力(两种工况下分别对应比较)随p1、p2上升而下降，随p0、V0上升而上升。

(2)系统制动蓄能的起点压力p1e与系统驱动起步的起点压力p2e只受系统设定压力上限p2和压力下限p1影响，且随p1、p2增大而升高。

(3)系统两工况下起点实际工作压力与系统设定值的差值与系统设定压力下限p1和压力上限p2比值有关，该值越大，则实际工作压力越接近系统设定压力。

2.2 蓄能器有效蓄能容积

蓄能器有效蓄能容积是指系统运行过程中，蓄能器储存能量变化的幅度值。在系统工况下，它包含两方面内容：一方面，在系统制动蓄能阶段，流体对蓄能器气腔压缩做功，此时能量形式由机械能转化为液压能，其大小关系到系统的制动能力；另一方面，在系统驱动起步阶段，蓄能器气腔膨胀对外做功，此时能量形式由液压能转化为机械能，其大小关系到系统的驱动能力。且由图1可知，二者并不相等。根据能量的定义，将图中两工况曲线分别对体积V进行积分，得到：

(7)

(8)

式中：E蓄、E放分别为制动蓄能工况和驱动起步阶段蓄能器的有效蓄能容积；p3为蓄能器允许的最高工作压力。系统驱动工况下，蓄能器对外做功，E放为负。由以上分析可知：

(1)蓄能器的蓄能容积与其公称容积V0、充气压力p0呈正比。

(2)蓄能器设定压力上限与下限的比值越大，蓄能器蓄能容积越大。

2.3 蓄能器比能量

比能量对于混合动力而言是一个非常重要的概念，其意指不同混合动力技术中，蓄能元件单位质量所能储存或释放能量的大小[6]。考虑到某些蓄能元件的体积因素，有时也可指单位体积蓄能元件所能承载或释放能量的多少。其数值大小直接影响到混合动力技术实施的可行性，是一个重要指标。对于蓄能器而言，由式(7)、(8)得到:

(9)

(10)

现设ρ为蓄能器的平均密度，m为蓄能器质量，根据机械手册[7]数据可以得出：不同容积下，蓄能器的平均密度近似恒定。于是根据上面两式可以得到：

(11)

(12)

由上可知，蓄能器的比能量仅与蓄能器压力设定有关。此压力设定值包括蓄能器的初始充入压力p0和系统设置压力上限p2与下限p1，且其大小随着初始充气压力的升高而增大，随系统设定压力p2与p1的比值的增大而增大。

2.4 蓄能器能量效率

蓄能器在系统制动蓄能阶段和驱动放能阶段能量大小并不相同，部分能量由于蓄能器工作过程中温度的变化及其与外界的热交换散失掉。蓄能器能量效率反映了系统在制动工况回收的能量用于车辆驱动起步能力的大小。根据式(7)、(8)可以得到此过程中蓄能器的效率为：

(13)

由此，可以得知系统中蓄能器的能量效率仅与系统设定压力p1与p2的比值有关，并随其数值的增大而增大。

3 蓄能器输出参数特性试验分析

利用液压混合动力系统试验台，对上文得出的系统工况下蓄能器输出参数特性做进一步试验验证。试验台(如图2所示)主要由蓄能器、液压阀体、液压泵/马达、飞轮、电动机、油箱、离合器和电气控制及信号采集部分构成。根据试验条件，对蓄能器在系统工况下的实际压力输出、蓄能器的有效蓄能容积、蓄能器的能量效率进行试验分析。忽略试验过程描述，通过对试验数据的统计和整理，得出试验结果，如图3—5所示。

图2 液压混合动力系统试验台

图3 蓄能器理论特性曲线与实际特性曲线对比图(压力)

图4 蓄能器理论特性曲线与实际特性曲线对比图(能量)

图5 蓄能器理论特性曲线与实际特性曲线对比图(效率)

其中，在测量蓄能器蓄能容积时，为排除蓄能器以外元件能量损失造成的影响，首先对系统在不同工况下系统效率加以试验测量，并根据其趋势给出拟合结果，从而得出飞轮在不同初速度时系统的效率曲线，如图5(a)所示。根据图中对比结果可以看到：

(1)蓄能器蓄能工况初始压力实际值小于理论值，而放能工况初始压力实际值大于理论值。

(2)蓄能器蓄能阶段蓄能容积大于理论值，放能阶段蓄能容积小于理论值。

(3)蓄能器实际蓄能效率小于理论值，且随着p1/p2的比值增大，它与理论值的差值有增大的趋势。

(4)除了试验仪器及人为因素导致的误差外，造成上述差异的原因还包括蓄能器保压阶段，液压阀体的泄漏、压力测量点处流体动压造成的影响。另外，在系统蓄能阶段及放能工况下，蓄能器实际工作状态与绝热状态存在差异，及试验制定工况下保压时间不够等。

4 结束语

根据以上理论分析和试验验证，针对液压混合动力运行工况，蓄能器的输出参数，包括蓄能器在不同工况下实际的压力输出p1e、p2e，蓄能器的有效蓄能容积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直接受其配置参数的影响和支配。文中通过热力学分析，对参数影响的结果做了分析，给出一些计算结果，并通过试验加以验证分析，从而为系统实际配置蓄能器提供一个理论依据。

系统在实际运行过程中，车辆工况十分复杂，蓄能器充放能时间间隔不固定，致使蓄能器的工作状态与前面描述状态曲线中并不完全重合；蓄能器实际工作状态多变系数接近但必然小于1.4，其准确值要根据蓄能器不同工况通过试验进一步测得。此外，系统环境温度的不断改变，使得蓄能器状态图中的平衡温度不断偏移。然而，根据车辆的实际运行工况，由概率分布考虑到通常情况及在一段时间内温度变化幅度不大等特点，文中的假设在一定程度上是合理的，其结果有一定的参考价值，但在实际应用中还需要经过进一步的试验加以修正。

参考文献:

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