(1.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108；2.流體動力與電液智能控制 福建省高校重點實驗室(福州大學)，福建 福州 350108；3.上海衡拓液壓控制技術有限公司, 上海 201612)

引言

一源多驅系統(tǒng)是液壓領域的常見系統(tǒng)，目前常用的多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)主要有3類：節(jié)流調速系統(tǒng)、負載敏感系統(tǒng)以及二次調節(jié)系統(tǒng)[1-3]。液壓變壓器是恒壓網絡二次調節(jié)系統(tǒng)的新興液壓元件，液壓開關變壓器是一種新型的液壓壓力轉換裝置[4-5]，其概念與電子領域的DC/DC開關變換器類似，利用液壓元件的固有反應特性——流體容腔具有液容效應、小直徑慣性管具有液感效應，實現(xiàn)壓力轉換，其結構較傳統(tǒng)變壓器簡單、造價低、效率較高，逐漸成為液壓系統(tǒng)壓力轉換研究領域的熱門[6]。

液壓開關變壓器這一概念首先由BROWN F T等[7]借鑒DC/DC開關變換器原理，提出基于高速開關閥、液容和液感組合實現(xiàn)壓力變換的液壓回路，為液壓開關變壓器發(fā)展奠定了基礎。隨后，參考DC/DC開關變換器中的Buck，Boost等變換器，許多學者又提出了不同方案。MANHARTSGRUBER B等[8]和NEGRI V J D等[9]分別設計了降壓型、升壓型液壓開關變壓器，兩種方案的仿真結果均表明了液壓開關變壓器的高效變壓特性。但此類變壓器在工作時，高速開關閥在開啟關斷時存在壓力波動，而變壓器工作時開關多為高頻切換，壓力波動劇烈，大大影響了變壓器的變壓效率。

RANNOW M B等[10]設計了一種加入電控鎖定彈簧蓄能器的液壓軟開關回路，有效減少閥在高頻啟閉時的節(jié)流損失。VEN DE VAN[11]在此基礎上，提出一種帶有新型彈簧蓄能器的軟開關液壓回路，但該彈簧蓄能器復雜的機構使變壓裝置在較大泵源壓力和占空比工況下的節(jié)能效果不佳。YUDELL A C等[12]在基于HENZE C P等[13]所設計的DC/DC零電壓開啟升壓變換器的基礎上，設計了一種兩開關閥有短暫重疊關斷時間的升壓型液壓軟開關變壓器。免去復雜鎖定裝置基礎上大幅減少了閥門切換時的壓力波動，且高效的諧振開關裝置可以降低對高速開關閥的性能需求、節(jié)約成本。

本研究基于DC/DC變換器中的非隔離型四開關Buck-boost變換器，設計出一種適用于液壓系統(tǒng)的四高速開關閥式新型升/降壓型液壓開關變壓器，并引入軟開關技術以解決由于高速開關閥高頻啟閉所帶來的高能耗問題，以此設計液壓軟開關變壓器；隨后，為使得慣性管具有較低的能耗，使慣性管流量呈反向環(huán)流型并設計相應的四開關閥控制方法，設計出同時滿足4個高速開關閥實現(xiàn)軟開啟的啟閉時序；最后，建立模型分析液壓軟開關變壓器升、降壓原理的可行性。

1 升降壓型液壓軟開關變壓器設計

1.1 變壓器回路設計

本節(jié)所考慮的方案為非隔離型DC/DC升降壓開關變壓器[14-15]。圖1所示為四開關Buck-boost軟開關變換器，該變壓器繼承了傳統(tǒng)Buck-boost 變換器所具備的升降壓功能，同時減少該變換器的無源器件，降低了控制難度[16]。圖1中，Vin為輸入電壓；Vout為輸出電壓；R為負載；S1, S2, S3, S4為開關元件；E1, E2, E3, E4為二極管；C1,C2,C3,C4,Cout為電容；L為電感。在四開關Buck-boost 變換器中引入軟開關技術解決開關管在通斷時的電壓、電流不為零而引起的電壓、電流突變或重疊等問題，實現(xiàn)零壓開啟，提高系統(tǒng)變壓效率。

由于電路與液壓回路存在相似之處，所以可根據(jù)電子元件對照選出所需要的液壓元件，對照圖如圖2所示。

通過對電子元件與液壓元件的對照，設計出如圖3所示的四開關升降壓型液壓軟開關變壓器。

1.2 升降壓型液壓軟開關變壓器工作原理

升降壓型液壓變壓器的一個工作周期分為8個步驟，完整工作流程如圖4所示。目前四開關Buck-boost開關變換器主要有兩種電感電流多段式工作模式[17]，參照相關文獻，本研究僅介紹升降壓型液壓開關變壓器的慣性管流量波形反向環(huán)流型的工作時序。每個步驟所完成的動作及如何實現(xiàn)每個閥的零壓開啟在下方詳細步驟中給出：

(1) 在t0～t1時間內，由于pp>pt，慣性管中的流體產生動能，此期間內的負載流量由負載蓄能器提供；

(2)t1～t2為開關閥的死區(qū)時間，彈簧蓄能器儲能至單向閥3開啟，此時，閥3兩端壓差較小，從而實現(xiàn)閥3的零壓開啟；

(3) 在t2～t3時間內，泵源壓力大于負載壓力，泵源對慣性管補充能量，慣性管中的流量逐漸增加；反之慣性管釋放能量，慣性管流量降低；

(4)t3～t4為開關閥的死區(qū)時間，彈簧蓄能器5放能，慣性管輸入壓力減少至單向閥2開啟，此時閥2兩端壓差很小，可實現(xiàn)閥2的零壓開啟；

(5) 在t4～t5時間內，由于pl>pt，慣性管向負載端釋放能量，慣性管中的流量逐漸減小直至反向；

(6)t5～t6為開關閥的死區(qū)時間，彈簧蓄能器6放能，使慣性管輸出壓力減少至單向閥4開啟，此時閥4兩端壓差很小，可實現(xiàn)閥4的零壓開啟；

(7) 在t6～t7時間內，慣性管兩端的壓力均為pt，此時慣性管釋放能量使得油液續(xù)流，且由于慣性管本身的液阻，此時慣性管的反向流量緩慢減少；

(8)t7～t8為開關閥的死區(qū)時間，彈簧蓄能器5開始充能，直到單向閥1開啟，此時閥1兩端壓差很小，可實現(xiàn)閥1的零壓開啟，此時，一個完整的變壓器工作周期結束，返回步驟(1)進入下個開關周期。

2 升降壓型液壓軟開關變壓器數(shù)學模型

2.1 液感與液容

1) 液感元件

運用集總參數(shù)法建立慣性管集總參數(shù)模型[18]，將慣性管中的阻性、容性和感性參數(shù)用液阻R、液容C1，C2以及液感L3個元件來表示，且慣性管內的液容C1，C2均分放置在慣性管的兩端，系統(tǒng)模型如圖5所示。

為保證集總參數(shù)模型的有效性，可取慣性管長度lt為：

lt=0.04λ[12]

(1)

式中,λ—— 工作波長，其值為c與T的乘積，c=1265 m/s，T為工作周期

慣性管內的液感L由下式確定：

(2)

式中，ρ—— 油液密度

At—— 慣性管截面積

在層流狀態(tài)下，慣性管內的液阻R由下式確定：

(3)

式中,μ—— 油液運動黏度

C1，C2為慣性管內的油液壓縮所提供的容性，可由下式確定：

(4)

式中，Vt—— 慣性管體積

β—— 油液體積模量

類似于電路的基爾霍夫定律，慣性管的流量是慣性管的液感、管內壓力差以及液阻損耗的函數(shù)：

(5)

式中,pin—— 慣性管輸入壓力

pout—— 慣性管輸出壓力

qL—— 慣性管流量

慣性管在集總參數(shù)模型下，慣性管的進出口的壓力由下式確定：

(6)

(7)

式中，C1—— 慣性管左半側油液的液容

C2—— 慣性管右半側油液的液容

qin—— 慣性管輸入流量

qout—— 慣性管輸出流量

2) 液容元件

在升降壓型液壓變壓器回路中，液容元件起到濾除系統(tǒng)紋波，穩(wěn)定輸出的作用。依據(jù)充氣式蓄能器結構圖轉化為力學模型，可將蓄能器的力學模型分為氣腔模型和液腔模型，以此來建立充氣式蓄能器的數(shù)學模型。

由上述充氣式蓄能器力學模型可得到蓄能器的氣腔模型為：

(8)

式中,pa—— 蓄能器氣腔壓力

pb—— 蓄能器液腔壓力

Aa—— 蓄能器氣囊橫截面積

ke—— 氣體剛度系數(shù)

Va—— 蓄能器氣腔體積

ce—— 氣體阻尼系數(shù)

液腔數(shù)學模型為：

(9)

式中，pl—— 負載壓力

m—— 液腔內液壓油等效質量

B—— 液壓油黏性阻尼系數(shù)

2.2 液壓軟開關

為了降低升降壓型液壓開關變壓器閥口的功耗，借鑒DC/DC中的零壓開啟技術，引入液壓軟開關來減少高速開關閥開關時的節(jié)流損失。

本小節(jié)將建立回路中軟開關部分元件的數(shù)學模型以及系統(tǒng)的高速開關閥閥口損耗模型。圖7中元件1，2，3為軟開關的基本組成部分。

1) 高速開關閥模型

為了便于分析開關變壓器的變壓性能，將高速開關閥的數(shù)學模型進行簡化，即不考慮高速開關閥的動態(tài)響應過程，將閥口的啟閉簡化為線性啟閉的過程，通過4個高速開關閥的閥口流量公式為：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中,pp—— 泵源壓力

pt—— 回油背壓

qvi—— 通過高速開關閥閥口的流量,i=1,2,3,4

Cd—— 油液的流量系數(shù)

Avi—— 高速開關閥的閥口截面積,i=1,2,3,4

2) 單向閥模型

假設單向閥為理想的液壓元件，當滿足閥口兩端壓差大于開啟壓力時，閥口可瞬時開啟，則回路中4個單向閥的閥口流量公式為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,qci—— 通過單向閥的流量，i=1,2,3,4

Ac—— 單向閥的閥口截面積

pc—— 單向閥開啟壓力

3) 彈簧蓄能器模型

彈簧蓄能器示意圖如圖8所示。彈簧蓄能器在液壓軟開關變壓器中起到類似液容的功能，因此可將彈簧蓄能器當作1個純液容元件，彈簧蓄能器的數(shù)學模型為：

(18)

(19)

(20)

式中，psv—— 彈簧蓄能器的壓力

Csv—— 彈簧蓄能器的液容

qsv—— 進入彈簧蓄能器的流量

Ap—— 彈簧蓄能器活塞面積

ks—— 彈簧剛度

dp—— 彈簧蓄能器活塞直徑

2.3 能耗及效率模型

1) 高速開關閥功耗模型

液壓開關變壓器系統(tǒng)中，4個高速開關閥的閥口損耗Ploss用以下公式表示：

(21)

式中，Δp—— 高速開關閥進出口壓差

2) 變壓器效率模型

液壓開關變壓器的效率是通過將一個周期內傳遞給負載的功率除以泵源提供的功率得出的，該功率取整個周期的平均值：

(22)

式中,qload—— 負載流量

3 仿真分析

基于升降壓型液壓開關變壓器和液壓軟開關變壓器的MATLAB/Simulink仿真模型，選取升壓工況和降壓工況進行兩種變壓器仿真分析，主要對比上述兩種變壓器的負載壓力和能耗的差異，驗證液壓軟開關對提高變壓器效率的有效性。

液壓開關變壓器相關仿真參數(shù)如表1所示，該部分參數(shù)和液壓軟開關變壓器相同，而表2參數(shù)僅為液壓軟開關變壓器所設。

表1 液壓開關變壓器參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulic switching transformer

表2 液壓軟開關變壓器參數(shù)Tab.2 Parameters of hydraulic soft switching transformer

3.1 升壓仿真結果分析

選取閥1占空比D1為0.7，閥3占空比D3為0.4，閥1、閥4重疊占空比δ為0.4的條件下進行仿真，一個工作周期的仿真曲線對比如圖9所示。

由圖9a的負載壓力圖可知，液壓開關變壓器的負載壓力為13.2 MPa，液壓軟開關變壓器的負載壓力為15.8 MPa，負載壓力提高2.6 MPa，效果顯著。負載壓力提升的原因是引入軟開關后，閥口端的損耗下降，使得更多流入液壓軟開關變壓器的能量轉換至負載端，而不至于在系統(tǒng)中耗散。

從圖9b可以看出，在閥4切換至閥3時，閥口功耗最高達到18 kW，加入軟開關消除壓力突變后，最大閥口功耗由18 kW降至3 kW，將閥口功耗大幅減小，而此部分能量在一個開關變壓器周期內，將由開關變壓器轉換至負載端，從而提升負載壓力。

改變閥1的占空比由0.4升至0.8，液壓開關變壓器在有無軟開關下負載壓力如圖10a所示?？芍?，在閥3占空比固定情況下，閥1的占空比越大，負載壓力也越大且呈近似線性變化。軟開關變壓器對比開關變壓器在每個占空比下的負載壓力均有提高，提高量在2 MPa以上。

由圖10b可得，改變閥1占空比，變壓器的效率先增大后減小。對比兩種變壓器的效率曲線，軟開關變壓器效率的提升量隨著占空比的增大逐漸減小，提升量最小值在閥1占空比0.8附近，效率提升5%。排除極端占空比后，諧振開關的加入能使變壓器的效率提升8%以上。

3.2 降壓仿真結果分析

選取閥1占空比D1為0.4，閥3占空比D3為0.7，閥1、閥4重疊占空比δ為0.2的降壓工況下進行仿真，一個工作周期的仿真曲線對比如圖11所示。

由負載壓力圖11a可知，液壓開關變壓器的負載壓力為4.78 MPa，液壓軟開關變壓器的負載壓力為5.52 MPa，加入諧振開關使負載壓力損失減少0.74 MPa。

閥口功耗圖11b顯示，在閥4切換至閥3時，由于諧振開關消除了大部分的壓力突變，使在此切換時間的閥口功耗大大降低，最大閥口功耗由3.5 kW降至0.3 kW。其壓力損失的原因與升壓工況一致，同為引入軟開關后閥口損耗減小，使得更多的能量轉換到負載端。

改變閥1的占空比由0.2升至0.9，液壓開關變壓器在有無軟開關下負載壓力如圖12a所示?？芍?，負載壓力及效率曲線的變化趨勢與升壓工況類似。在此降壓工況下，加入液壓諧振開關的液壓軟開關變壓器對比液壓開關變壓器負載壓力損失減少0.7 MPa以

上，效率至少提高7%。

通過上述升壓工況和降壓工況仿真對比分析可知，液壓軟開關方法可以有效消除因高速開關閥切換時的慣性管進出口壓力突變，大幅減少因壓力突變造成的閥口功耗，進而提高液壓開關變壓器的負載壓力和效率。

4 參數(shù)特性分析

本節(jié)將對升降壓型液壓軟開關變壓器的重要參數(shù)進行分析，獲取重要參數(shù)對變壓器負載壓力和效率的影響規(guī)律，進一步通過仿真驗證理想負載壓力表達式的正確性。

選取閥3占空比D3為0.4, 0.5, 0.6分別進行仿真，分析閥1占空比D1及閥1、閥4重疊占空比δ對軟開關變壓器負載壓力和效率的影響規(guī)律，仿真結果分別如圖13、圖14、圖15所示。

如圖13a、圖14a、圖15a所示，隨著閥1占空比D1增加，負載壓力增加，且負載壓力與閥1占空比成近線性變化。當閥1、閥4重疊占空比δ增大時，閥1占空比可變范圍改變，負載壓力曲線右移。由于負載壓力與閥1占空比成近線性正比關系，增加δ可以獲得更高的負載壓力。

隨著閥1占空比增加，變壓器效率先增加后減小，在閥1占空比的可變范圍內，最高效率點均在接近中間占空比的位置，其仿真結果如圖13b、圖14b、圖15b。隨著δ的增大，效率曲線右移，每個δ下的效率最高點先增加后減小。因此可以通過選擇合適的閥1、閥4重疊占空比來獲取更高的負載壓力和效率。

選取D1=0.5，D3=0.5，δ=0.2為仿真工況，改變液壓軟開關變壓器的負載流量，進行多組仿真，仿真曲線如圖16所示。

由圖16a可得，負載壓力隨著負載流量的增加而線性減小，在負載流量為0.04～0.20 L/s范圍內，可調節(jié)負載壓力0.64 MPa。由圖16b可得，效率隨著負載流量的增加先增加后減小，在負載流量為0.15 L/s附近時效率最高，最高效率可以達到72%。由分析結果可知，通過調節(jié)負載流量，可以在小范圍內調節(jié)負載壓力，而不用改變高速開關閥的占空比，增加了變壓器的控制靈活性。

5 結論

(1) 基于DC/DC開關變換器中的四開關Buck-boost變換器，引入軟開關技術比對設計了四高速開關閥式升降壓型液壓軟開關變壓器，且根據(jù)反向環(huán)流型的四開關閥控制方法，設計出同時滿足4個高速開關閥實現(xiàn)軟開啟的啟閉時序。引入軟開關后的仿真結果表明，升壓工況下負載壓力提升2 MPa以上，變壓器效率提升8%以上，降壓工況下負載壓力提升0.7 MPa以上，變壓器效率至少提升7%，有效降低升壓、降壓工況下高速開關閥的閥口功耗，分別為83.3%和91.4%。結果表明液壓軟開關技術大幅降低了液壓變壓器在高速開關閥閥口啟閉時的壓力突變，提升開關變壓器的轉換效率和負載壓力；

(2) 獲取升降壓型軟開關變壓器性能參數(shù)影響規(guī)律：負載壓力隨著閥1占空比增加而近線性增加，效率隨著閥1占空比增加先增大后減小，最大效率在占空比可變范圍的中間處附近；增加閥1、閥4重疊占空比使負載壓力及效率曲線右移，且最高效率點在重疊占空比取近似中值時所在的效率曲線中；隨著負載流量增大，負載壓力線性減小，效率先增加后減小，存在一最大效率值。通過仿真驗證了理想負載壓力表達式的正確性，結果表明，閥1，3的占空比以及負載流量對變壓器負載壓力的影響規(guī)律與理想負載壓力表達式結論基本一致；

(3) 變壓效率的仿真結果表明，液壓軟開關的引入可提升變壓效率，但四高速開關閥式液壓開關變壓器的效率仍有待提升，這主要受限于高速開關閥高頻響下的通流能力、慣性管能量損失、回路優(yōu)化配置等因素，后續(xù)將沿著上述方向研究，繼續(xù)推進變壓效率的提升。