周潤(rùn)生，劉桓龍，于蘭英，王國(guó)志，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031）

基于HMCVT的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究

周潤(rùn)生，劉桓龍，于蘭英，王國(guó)志，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031）

為了回收車輛制動(dòng)過程中浪費(fèi)掉的能量，分析制動(dòng)過程中車輛動(dòng)能的消耗因素，設(shè)計(jì)了基于HMCVT的東方紅某移動(dòng)車輛制動(dòng)能量回收方案，然后在AMESim中建立相關(guān)仿真模型，對(duì)在單次輕度制動(dòng)中動(dòng)能消耗因素及影響能量回收效率的因素進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明:滾動(dòng)阻力及制動(dòng)器消耗為車輛制動(dòng)過程中的主要能量消耗;增大變量泵變量系數(shù)的絕對(duì)值及蓄能器初始?jí)毫梢悦黠@提高能量的回收效率，而改變蓄能器容積的影響不大。

HMCVT;制動(dòng);能量回收;液壓蓄能器

HMCVT(機(jī)液復(fù)合無級(jí)變速傳動(dòng)）是通過將液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合從而獲得高效、調(diào)速范圍寬的一種較為理想的無級(jí)變速傳動(dòng)方式。從結(jié)構(gòu)上講，可分為輸入分流、輸出分流兩種基本型式，但由于輸入分流式的輸出特性不呈線性，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用后者。

制動(dòng)能量回收是一種實(shí)用、效果明顯的節(jié)能方式，尤其在那些頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的車輛中具有極強(qiáng)的實(shí)用性。作者以東方紅某型號(hào)移動(dòng)車輛改進(jìn)后的機(jī)液復(fù)合無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析該機(jī)型在制動(dòng)過程中的能量消耗、能量回收的主要途徑。選取整個(gè)系統(tǒng)中的第二變速段來對(duì)輕度單次制動(dòng)工況下影響制動(dòng)能量回收效率的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 制動(dòng)過程中的能量消耗

首先做出兩點(diǎn)假設(shè):(1）車輛在平路上進(jìn)行作業(yè);(2）車輛傳動(dòng)系中由內(nèi)部摩擦副產(chǎn)生的摩擦力可以忽略不計(jì)。由制動(dòng)時(shí)車輛的受力情況圖 (圖1）可以看出制動(dòng)過程中，車輛在行駛方向上有Fw、Ff、Fb(制動(dòng)力矩產(chǎn)生的摩擦阻力）3個(gè)能量消耗阻力，那么由能量守恒定律可得:

式中:ΔEv為車輛制動(dòng)前后動(dòng)能的變化;

Ef為滾動(dòng)摩擦力引起的損耗;

Ew為風(fēng)阻引起的損耗;

Eb為制動(dòng)器損耗。

圖1 制動(dòng)時(shí)車輛受力圖

圖1中:Fw為風(fēng)阻力;Ff為滾動(dòng)摩擦阻力;Tb為制動(dòng)力在車輪處產(chǎn)生的制動(dòng)力矩;a為減速度;Iw為傳動(dòng)軸及輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

Ef、Ew為不可回收能量，Eb為可回收能量。在實(shí)際的制動(dòng)工況中，車輛的行駛速度很小 (vmax=8.47 km/h），在單次制動(dòng)過程中風(fēng)阻的消耗通常只有幾十焦，可以忽略不計(jì)。

2 回收方案的設(shè)計(jì)

目前常用的能量回收方式主要有飛輪回收、蓄電池 (超級(jí)電容）回收、蓄能器回收3種。從機(jī)液復(fù)合傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)而言，蓄能器與飛輪回收較之電回收更易實(shí)現(xiàn)。理論上飛輪的能量密度和功率密度適中，屬于最優(yōu)方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中這種大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪的平穩(wěn)性很難保證，且控制方案相較于蓄能器回收方案來說較難實(shí)現(xiàn)，所以作者采用蓄能器進(jìn)行能量回收。

圖2為采用蓄能器進(jìn)行能量回收的傳動(dòng)系統(tǒng)某無級(jí)變速段傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，其回收原理為:車輛制動(dòng)時(shí)，離合器松開，發(fā)動(dòng)機(jī)不輸入動(dòng)力，制動(dòng)器將馬達(dá)制動(dòng)，車輛的動(dòng)能經(jīng)過主傳動(dòng)、行星排、輸入軸，然后通過變量泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能輸入到蓄能器中儲(chǔ)存起來。

圖2 第二變速段的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

該系統(tǒng)有蓄能器、傳統(tǒng)制動(dòng)器兩個(gè)制動(dòng)裝置，要保證制動(dòng)的安全性，實(shí)現(xiàn)回收效率的最大化，就必須對(duì)制動(dòng)工況進(jìn)行合理的界定。這里將其分為:輕度制動(dòng) (只有蓄能器作用），中度制動(dòng) (同時(shí)作用），緊急制動(dòng) (只有制動(dòng)器作用）3種工況。文中主要考慮在輕度制動(dòng)工況下，單次制動(dòng)過程中影響回收效率的因素。假設(shè)制動(dòng)減速度a＜1.56 m/s2時(shí)為輕度制動(dòng)(具體的a值需要根據(jù)車輛在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)具體工況進(jìn)行確定）。

3 能量回收仿真研究

3.1 回收性能的判定

蓄能器回收的能量Eacc為:

式中:p0為蓄能器的預(yù)充氣壓力;

V0，V1分別為蓄能器的回收前后的氣體體積;

n為氣體指數(shù)，實(shí)驗(yàn)不考慮熱傳遞，取1.4。

能量回收效率定義為蓄能器回收的能量與制動(dòng)前后車輛損失的動(dòng)能之比，其表達(dá)式如下所示:

3.2 仿真研究的內(nèi)容

在整個(gè)能量回收系統(tǒng)中，影響回收效率的因素主要有蓄能器參數(shù)、變量泵變量系數(shù) (變量泵排量與定量馬達(dá)排量之比）。所以仿真主要研究蓄能器的預(yù)充氣壓力、容積、變量泵變量系數(shù)對(duì)回收效率的影響。

3.3 仿真建模

在AMESim中建立相關(guān)仿真模型如圖3所示，蓄能器通過閥1，閥2與變量泵的兩端相連，可以實(shí)現(xiàn)車輛前進(jìn)、倒擋兩個(gè)方向的能量回收，回收的能量通過閥3接入回路進(jìn)行釋放。仿真過程為:首先調(diào)節(jié)變量泵輸入信號(hào)至所需數(shù)值，離合器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力，使車輛加速至預(yù)定速度。然后離合器斷開，制動(dòng)器1閉合，閥1、閥2打開進(jìn)行制動(dòng)能量回收。仿真車速為5.21 km/h，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 AMESim中仿真模型圖

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

3.4 仿真與結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對(duì)制動(dòng)過程中動(dòng)能的消耗因素進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4所示，車輛具有的動(dòng)能為6 680.30 J，蓄能器回收能量2 607.70 J，滾動(dòng)摩擦力消耗能量4 030.68 J，而風(fēng)阻及摩擦副造成的損耗僅僅為41.82 J。證明滾動(dòng)摩擦損耗及蓄能器回收為制動(dòng)過程中動(dòng)能消耗的主要因素。

3.4.1 蓄能器預(yù)充氣壓力的影響

分別設(shè)定蓄能器預(yù)充氣壓力為2，4，6，8 MPa，進(jìn)行仿真。

根據(jù)輕度制動(dòng)臨界減速度可計(jì)算得蓄能器臨界壓力為8.36 MPa。表2為單次制動(dòng)中不同蓄能器充氣壓力對(duì)回收效率的影響。表中顯示:當(dāng)充氣壓力為8 MPa時(shí)，回收后的蓄能器壓力為8.54 MPa，說明在這種情況下存在輕度制動(dòng)和混合制動(dòng)兩種工況，不予考慮;而另外3組數(shù)據(jù)均屬于輕度制動(dòng)，可以看出當(dāng)設(shè)置的充氣壓力使能量回收后蓄能器的壓力越接近臨界值8.36 MPa，回收效率越高。

表2 蓄能器預(yù)充氣壓力對(duì)回收效率的影響

圖4 車輛制動(dòng)時(shí)的能量消耗圖

3.4.2 蓄能器容積的影響

分別設(shè)定蓄能器的容積為10，20，30，40 L，回收時(shí)的變量泵變量系數(shù)ε=1，進(jìn)行仿真。結(jié)果如表3所示:在一定范圍內(nèi)，能量回收效率隨著蓄能器容積的增大會(huì)有微弱的減小。

蓄能器容積為5 L時(shí)最大制動(dòng)減速度超過了臨界值，不予考慮;為10 L時(shí)，最大減速度為1.55 m/s2，接近臨界值1.56 m/s2，所以這種制動(dòng)工況下單次制動(dòng)中10 L為一較優(yōu)值。

圖5 不同容積下蓄能器進(jìn)口壓力圖

表3 蓄能器容積對(duì)回收效率的影響

由式 (2）可知蓄能器的容積越大，所能儲(chǔ)存的能量就越多。在這種工況下的單次制動(dòng)中10 L回收的效率較高，但當(dāng)在一個(gè)循環(huán)工況中多次制動(dòng)時(shí)，過小的蓄能器容積往往會(huì)因?yàn)檫^早的飽和而造成回收效率的降低。所以蓄能器的容積需要根據(jù)車輛在一個(gè)循環(huán)作業(yè)中的具體制動(dòng)工況來決定。

3.4.3 變量泵變量系數(shù)的影響

分別設(shè)定變量系數(shù) ε為 －1， －0.536 8，0，0.536 8，1進(jìn)行仿真，其中ε=0.536 8為車輛的初始變量系數(shù)值。

由表4可以看出:在其他參數(shù)一定的情況下，能量回收效率與|ε|成正相關(guān);變量系數(shù)為負(fù)值時(shí)，系統(tǒng)中存在換向液壓沖擊，所以回收效率較正值時(shí)略低。

表4 變量系數(shù)對(duì)回收效率的影響

4 結(jié)束語

(1）文中通過分析車輛在平路輕度制動(dòng)過程中的能量消耗因素，得出滾阻及制動(dòng)器為能量消耗的主要因素。

(2）設(shè)計(jì)了基于該機(jī)型機(jī)液復(fù)合無極變速傳動(dòng)的制動(dòng)能量回收方案，并對(duì)輕度單次制動(dòng)過程中影響能量回收的因素進(jìn)行了探索性仿真。結(jié)果表明:①蓄能器初始?jí)毫?duì)能量回收影響很大，初始?jí)毫υ酱?，制?dòng)減速度越大，在輕度制動(dòng)這種工況下設(shè)定的蓄能器初始?jí)毫?，使進(jìn)行能量回收后的蓄能器壓力越接近臨界壓力，回收的能量越多;②蓄能器的容積影響很小，增大容積雖然可以增大蓄能器的能量?jī)?chǔ)存量，但是也減小了蓄能器所能提供制動(dòng)力矩的增幅，從而總體上減小了制動(dòng)力，降低了回收效率;③在制動(dòng)時(shí)，適當(dāng)增大變量系數(shù)的絕對(duì)值，可以提高能量回收效率。

【1】祝昌洪．液壓機(jī)系無級(jí)變速器的設(shè)計(jì)與仿真研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2010．

【2】劉天豪，劉海潮，祝昌洪．液壓蓄能式車輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的 AMESim仿真研究［J］．機(jī)床與液壓，2011，39(3）:123－125．

【3】袁景敏．中度混合動(dòng)力汽車勻速下坡再生制動(dòng)策略優(yōu)化［D］．重慶:重慶大學(xué)，2008．

【4】韓應(yīng)飛，谷立臣，李文天，等．輪式裝載機(jī)剎車能回收系統(tǒng)研究［J］．工程機(jī)械，2011，42(10）:19 －23．

【5】劉修驥．車輛傳動(dòng)系統(tǒng)分析［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998．

【6】陳箭．ABS＆TCS控制系統(tǒng)的控制算法研究與仿真分析［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2003．

【7】張國(guó)強(qiáng)．車輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)淺析［J］．農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2009，29(3）:161 －163．

Research on HMCVT-based Braking Energy Recovery System

ZHOU Runsheng，LIU Huanlong，YU Lanying，WANG Guozhi，KE Jian
(Department of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

In order to recover the braking energy，the consumption factors of the vehicle kinetic energy during braking process were analyzed，and a brake energy recovery program for Dongfanghong vehicle was designed based on HMCVT．A simulation model was built in AMESim to research energy consumption factors and factors affecting energy recovery efficiency in a singlemild braking．The results show that rolling friction and the brake consumption are themain energy lose，increasing initial pressure ofaccumulator and absolute value of variable coefficientof variable displacement pump can improve the recovery efficiency significantly，but changing volume of the accumulator has little effect．

HMCVT;Braking;Energy recovery;Hydraulic accumulator

U463.52

A

1001－3881(2013）9－138－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.038

2012－04－12

周潤(rùn)生 (1987—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液智能控制及新型驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)。E－mail:stzhourunsheng@163.com。

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