張 明

車輛制動能量回收領(lǐng)域中液壓技術(shù)的應(yīng)用研究論述

張 明

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510403）

由于城市人口、車輛較為集中，車輛需要頻繁起步加速、換擋制動，特別是公交車輛，能源消耗量大，環(huán)境污染嚴(yán)重。液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛制動能量回收，能提高能量利用率，改善車輛的排放性能，降低對環(huán)境的污染程度，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

車輛制動 能量回收 液壓技術(shù)

隨著社會不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，對車輛運(yùn)行已提出了新的要求。在新時代下，高速重載是車輛發(fā)展的重要方向，因此，車輛需要具有更高的安全性、可靠性、平穩(wěn)性和較低的能耗量，而這些都和車輛的制動裝置具有密不可分的聯(lián)系。目前，車輛制動裝置的類型較多，比如，液壓式、氣動式，它們具有相同的制動工作原理，都需要充分利用制動裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的摩擦熱，逐漸消耗車輛的動能，實(shí)現(xiàn)車輛的減速制動。而在這一過程，車輛能量消耗非常大，環(huán)境污染嚴(yán)重。由于液壓技術(shù)具有機(jī)械能、液壓能正反轉(zhuǎn)換的功能，在應(yīng)用到車輛制動能量回收領(lǐng)域后，可以從根本上解決能量回收、再利用的問題，具有較高的能量回收率，能達(dá)到節(jié)能的效果。

1 車輛制動能量回收系統(tǒng)工作原理

在制動初期，車輛具有一定的動能。通常情況下，這部分能量會被道路阻力、風(fēng)阻力消耗，但大部分都被制動器以摩擦形式消耗掉。想要回收、再利用這部分動能，需要在車輛傳動系統(tǒng)中增加額外的阻力源，使對應(yīng)的動能可以被轉(zhuǎn)化為液壓能，并儲藏起來，減少能量消耗，也能減少對環(huán)境的污染。就車輛制動能量回收系統(tǒng)而言，雙向變量泵-馬達(dá)是其能量轉(zhuǎn)化裝置，皮囊式蓄能器是其能量儲存單元。在車輛進(jìn)行制動時，其中的控制單元會以制動踏板具有的制動強(qiáng)度為紐帶，使二通插裝閥被打開，雙向變量泵-馬達(dá)會和高壓蓄能器相融合。在此基礎(chǔ)上，使泵-馬達(dá)排量發(fā)揮作用，合理控制車輛的油壓，車輛會在帶動泵-馬達(dá)旋轉(zhuǎn)下，發(fā)揮阻力源的作用，把對應(yīng)的低壓液壓油轉(zhuǎn)化會高壓油，最終，實(shí)現(xiàn)車輛制動能量的回收轉(zhuǎn)換。

2 車輛制動能量回收系統(tǒng)存在的問題

該工作原理也具有一定的缺陷性。在車輛制動過程中，并不能回收車輛行駛過程中具有的所有動能，很大一部分能量都在車輪與地面等摩擦過程中轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的熱量被消耗了，特別是車輛的制動裝置，能量損失非常嚴(yán)重，能量利用率極其低下。在行駛過程中，如果路況比較復(fù)雜，車輛需要花費(fèi)較長的時間頻繁進(jìn)行制動。在這一過程中，車輛的制動副表面會產(chǎn)生一定的熱量，使其表面溫度急劇升高，以至于車輛制動裝置無法發(fā)揮應(yīng)有的制動效果，如果情況嚴(yán)重，制動裝置將無法發(fā)揮制動作用，車輛行駛也不具有其安全性，容易發(fā)生安全事故。此外，在車輛進(jìn)行制動時，制動裝置長期處于頻繁工作的狀態(tài)中，會在一定程度上磨損車輪、制動裝置的摩擦片，縮短了零部件的使用壽命。為了保證車輛安全行駛，需要頻繁更換車輛的車輪、剎車片，這樣會大大增加車輛在維修保養(yǎng)方面的費(fèi)用支出，不具有經(jīng)濟(jì)性。

3 車輛制動能量回收領(lǐng)域中液壓技術(shù)的應(yīng)用

在新時代下，汽車已成為人們生活中不可或缺的交通工具。隨著汽車保有量日益增加，其負(fù)面影響也日趨嚴(yán)重，比如，向空氣中排放大量廢氣，空氣質(zhì)量不斷下降。為降低能耗，解決環(huán)境污染問題，新能源汽車已成為研究的核心，比如，太陽能汽車、氫能汽車。同時，車輛制動能量回收利用也是研究的重要方向，其可以節(jié)約大約50%的能源，極大地提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，使制動器零部件更好地投入到使用中。為此，液壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用到車輛制動能量回收領(lǐng)域，且扮演著關(guān)鍵性角色，具有一定的實(shí)踐價值。因此，筆者對液壓技術(shù)在其中的應(yīng)用予以分析。

3.1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從某種意義上說，車輛制動能量回收液壓系統(tǒng)并不是由單一元素組成，比如，皮囊式蓄能器。具體來說，首先，二通插裝閥是液壓系統(tǒng)高壓蓄能器的開關(guān)閥，其高壓流量非常大，高達(dá)31.5MPa。和傳統(tǒng)類型的液壓閥相比，二通插裝閥較優(yōu)，運(yùn)行速度非?？?，具有較大的通流能力。最為重要的是，二通插裝閥在運(yùn)行過程中很少發(fā)生泄漏現(xiàn)象，能在一定程度上使高壓蓄能器效率得以提高。其次，低壓蓄能器是液壓系統(tǒng)的油箱，它可以使泵—馬達(dá)的馬達(dá)運(yùn)行時，對應(yīng)的出口產(chǎn)生一定的背壓力，而泵工作時，進(jìn)口處會產(chǎn)生一定的壓力，避免泵工作時發(fā)出噪音，失去已有的功效。最后，在液壓系統(tǒng)運(yùn)行中，泵—馬達(dá)主要采用的是高壓蓄能器壓力油源來合理控制車輛制動的排量，并在一定程度上提高系統(tǒng)自身的靈活性，能有效解決泵—馬達(dá)在轉(zhuǎn)速較低時無法正常工作的問題，使車輛制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化，不需要使用車輛外部的動力源。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

對車輛制動能量回收系統(tǒng)來說，提高能量轉(zhuǎn)化效率是其關(guān)鍵所在。具體來說，就是根據(jù)車輛制動系統(tǒng)的特點(diǎn)、性質(zhì)，制定可行的方案，采取有效的措施，使車輛的剩余動能盡可能被吸收，并釋放出來。從這方面來說，需要采取可行的控制措施，選擇適宜的系統(tǒng)參數(shù)。就系統(tǒng)控制對策而言，主要采用的是開關(guān)控制。具體來說，在車輛運(yùn)行中，大多數(shù)制動工況都需要使用液壓類型的系統(tǒng)制動。但如果情況緊急，需要使用原制動器。此外，在蓄能器壓力達(dá)到相關(guān)數(shù)值之前，都需要泵—馬達(dá)提供大部分功率。在達(dá)到相關(guān)數(shù)值之后，才由發(fā)動機(jī)提供對應(yīng)的功率，并充分利用多樣化的控制對策，開關(guān)控制的操作非常簡單。從關(guān)鍵參數(shù)來看，車輛制動能量回收系統(tǒng)需要設(shè)置五個關(guān)鍵參數(shù)，比如，蓄能器的最低工作壓力、泵馬達(dá)的排量。在設(shè)計過程中，五個參數(shù)所選的數(shù)值并不相同，對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化率也不相同。因而，在設(shè)計過程中，需要以能量轉(zhuǎn)換率為基點(diǎn)，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計算。以城市公交車輛為例，如果相關(guān)車速下的車輛需要進(jìn)行制動，其中的液壓系統(tǒng)便會吸收車輛已有的動能，并在車輛停止運(yùn)行的過程中，進(jìn)行短期的蓄能保壓，只需要借助系統(tǒng)中高壓油力量驅(qū)動車輛。在計算過程中，需要以系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量為紐帶，以必要的約束條件為媒介，充分利用序列二次規(guī)劃來進(jìn)行計算，并對其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，滿足液壓系統(tǒng)各方面的需求，使其更好地發(fā)揮自身的功能。需要注意的是：在計算過程中，由于車輛制動過程中，最后瞬間的剎車片制動所消耗的能量非常小，不需要考慮該因素的影響。但是，如果回收的能量是其中二次零部件排量最大時，需要把對應(yīng)的動能轉(zhuǎn)化為液壓油回壓力能，并儲存起來。

3.3 仿真結(jié)果

以某種類型的車輛為例，車輛重量為20kN，車速達(dá)到每小時60km時，車輛開始制動。經(jīng)過相關(guān)計算后，可以得出對應(yīng)的結(jié)論：

在車輛運(yùn)行過程中，車輛制動的時間、距離和液壓系統(tǒng)蓄能器容積具有密不可分的聯(lián)系，一旦蓄能器容積增加，其制動時間、距離也會隨之發(fā)生變化。主要是因?yàn)檐囕v制動時間、距離會受到液壓系統(tǒng)壓力變化的影響。在車輛運(yùn)行過程中，蓄能器容積在增加的同時，車輛制動系統(tǒng)的壓力會隨之增加，增加速度比較緩慢，而蓄能器會吸收更多的動能。從某種意義上說，車輛蓄能器吸收能量和蓄能器的容積、系統(tǒng)壓力息息相關(guān)。換句話說，在蓄能器運(yùn)行過程中，隨著吸收能量不斷增多，車輛制動系統(tǒng)所回收的能量也會隨之增加。比如，在車輛運(yùn)行過程中，蓄能器容積為30L時，車輛制動時間為5.9s，車輛的制動距離為51.2m。在此基礎(chǔ)上，車輛蓄能器所吸收的能量比為43.1%，車輛制動能量比為71.9%。需要注意的是：在設(shè)計蓄能器時，需要充分考慮相關(guān)影響因素，如車輛制動的時間與距離、車輛蓄能器自身的重量。

車輛液壓系統(tǒng)工作壓力與車輛制動的時間、距離具有某種聯(lián)系，屬于反比例關(guān)系。一旦車輛液壓系統(tǒng)的工作壓力增加，車輛制動時間、制動距離都會縮短。比如，在車輛液壓系統(tǒng)工作壓力為20MPa時，車輛制動時間為6.5s，制動距離為60.4m。但車輛液壓系統(tǒng)工作壓力為25MPa時，車輛制動時間為5.9s，小于液壓系統(tǒng)壓力為20MPa時的制動時間。同時，車輛制動距離為51.2m，也比之前短。

車輛在運(yùn)行過程中，其制動力、車輛速度之間呈正比例，一旦車輛車輪速度減慢后，制動力的比例也會處于下降趨勢。而在車輛運(yùn)行過程中，并不會發(fā)生“抱死”現(xiàn)象。

4 結(jié)語

在車輛運(yùn)行過程中，液壓技術(shù)的應(yīng)用具有非常深遠(yuǎn)的意義。液壓技術(shù)在車輛制動能量回收中的應(yīng)用可以在一定程度上提高制動能量利用率，降低車輛運(yùn)行過程中能源消耗率，保證車輛安全運(yùn)行。同時，它的利用可以降低車輛內(nèi)部零部件磨損率，避免經(jīng)常更換零部件，減少車輛的維修費(fèi)用。此外，車輛高效回收制動能量具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會效益，能充分展現(xiàn)車輛自身的經(jīng)濟(jì)價值。從長遠(yuǎn)來說，車輛制動能量回收、再利用還需要進(jìn)一步完善，但其必將會走上長遠(yuǎn)發(fā)展的道路，擁有廣闊的發(fā)展前景。

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Discussion on the Application of Hydraulic Technology in the Field of Vehicle Braking Energy Recovery

ZHANG Ming
(State Intellectual Property Office Patent Office patent examination cooperation Guangdong Center,Guangzhou 510403)

Due to the urban population, the vehicle is more concentrated, the vehicle needs to start accelerating, shift brake, especially the public transport vehicles, energy consumption, environmental pollution is serious. Subsequently, the hydraulic technology is applied to the vehicle braking energy recovery, can improve the energy utilization rate, improve the vehicle emission performance, reduce the pollution degree of the environment, and achieve the purpose of energy saving and emission reduction.

vehicle braking,energy recovery,hydraulic technology