賀 磊,劉志奇,劉宣佐,高有山

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引 言

工業(yè)的發(fā)展加大了對(duì)能源的需求,而能源的消耗又會(huì)引起環(huán)境污染,因此,面對(duì)日益突出的能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題,開(kāi)展資源節(jié)約和節(jié)能減排技術(shù)的研究就顯得尤為重要。

機(jī)械裝備中存在很多高頻啟停,且質(zhì)量較大的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置,其頻繁啟停過(guò)程不僅會(huì)造成資源浪費(fèi),還會(huì)降低裝置的使用壽命。

基于對(duì)蓄能器的分析,惠記莊等人[1]對(duì)挖掘機(jī)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究,但該研究只是通過(guò)蓄能器對(duì)回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能進(jìn)行回收,沒(méi)有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)負(fù)載對(duì)其回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能回收的影響。針對(duì)回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能的回收問(wèn)題,黃偉男[2]提出了一種采用雙液壓馬達(dá)、主被動(dòng)復(fù)合高能效控制的回轉(zhuǎn)系統(tǒng);但是在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,受到機(jī)械結(jié)構(gòu)、地面傾斜等因素的影響,會(huì)造成系統(tǒng)正、反向運(yùn)行特性不同的問(wèn)題,對(duì)此該研究并未給予考慮。劉昌盛等人[3]經(jīng)過(guò)相關(guān)的研究,提出了一種以液壓馬達(dá)+電機(jī)為回收方式,超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案,但該研究并未考慮儲(chǔ)能元件超級(jí)電容的性能對(duì)其能量回收效率的影響。

在制動(dòng)的過(guò)程中,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在制動(dòng)前聚集的大量能量會(huì)以不同形式損耗掉。若將制動(dòng)過(guò)程中損耗的能量?jī)?chǔ)存起來(lái),利用儲(chǔ)存能量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或輔助液壓泵產(chǎn)生壓力油等方法,均可提高能量的利用率,節(jié)約資源。

對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)能量進(jìn)行回收與利用,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的方法,也受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注。

筆者將從液壓式儲(chǔ)能、電力式儲(chǔ)能、電液式儲(chǔ)能和機(jī)械式儲(chǔ)能4個(gè)方面出發(fā),分別介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果,并分析總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)而探討回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 液壓驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

液壓驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示[4,5]。

圖1 液壓驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)1—減速器和上車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);2—制動(dòng)器;3—回轉(zhuǎn)馬達(dá);4，5—單向閥;6，7—溢流閥;8，9—防反轉(zhuǎn)閥;10—主閥

該系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、制動(dòng)器、單向閥、溢流閥和防反轉(zhuǎn)閥等元件組成。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí),主閥處于左位,主泵供油驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。由于負(fù)載質(zhì)量大,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)存在滯后現(xiàn)象,主泵提供壓力油中的一部分通過(guò)溢流閥溢流,減緩啟動(dòng)過(guò)程中的液壓沖擊;回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí),主閥處于中位,回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油路和回油路均斷開(kāi),在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大慣量的作用下,回轉(zhuǎn)馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),使得回油管路壓力升高,當(dāng)壓力達(dá)到溢流閥6或7的設(shè)定壓力時(shí),回油管路中的油液通過(guò)溢流閥溢流。

該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在制動(dòng)時(shí),主要靠溢流閥建立制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使負(fù)載減速。大量的回轉(zhuǎn)動(dòng)能以熱能的形式耗散在溢流閥閥口,造成能量的浪費(fèi)。

當(dāng)溢流閥開(kāi)啟壓力調(diào)定時(shí),回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)性能也隨之確定,這就使得負(fù)載制動(dòng)時(shí)制動(dòng)加速度難以動(dòng)態(tài)調(diào)整,導(dǎo)致制動(dòng)效果較差。

2 大慣量高頻啟?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)

根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同,可將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)分為液壓式儲(chǔ)能、電力式儲(chǔ)能、電液式儲(chǔ)能和機(jī)械式儲(chǔ)能[6-8]四大類。

2.1 液壓式儲(chǔ)能

液壓式儲(chǔ)能采用液壓蓄能器作為儲(chǔ)能元件,將制動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能,存儲(chǔ)在蓄能器[9]中。

根據(jù)系統(tǒng)中所采用液壓蓄能器的用途,可將液壓式儲(chǔ)能方式分為單蓄能器儲(chǔ)能和多蓄能器儲(chǔ)能兩類:(1)單蓄能器儲(chǔ)能采用單個(gè)蓄能器及換向閥等元件,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制動(dòng)能量的回收;(2)多蓄能器則通過(guò)在液壓系統(tǒng)中采用高、低壓蓄能器相結(jié)合的儲(chǔ)能方式,實(shí)現(xiàn)能量的回收,一般應(yīng)用在閉式回路中。

2.1.1 單蓄能器能量回收與利用系統(tǒng)

根據(jù)儲(chǔ)能方式的不同,單蓄能器儲(chǔ)能可分為直接儲(chǔ)能和間接儲(chǔ)能兩類。對(duì)存儲(chǔ)的能量進(jìn)行利用時(shí),又可以分為增壓利用和直接利用[10]兩類。

單蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)儲(chǔ)能方式的區(qū)別和特點(diǎn),如表1所示。

表1 儲(chǔ)能方式的區(qū)別和特點(diǎn)

單蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)能量利用方式的區(qū)別和特點(diǎn),如表2所示。

表2 能量利用方式的區(qū)別和特點(diǎn)

單蓄能器直接儲(chǔ)能增壓利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng),如圖2所示[11]。

圖2 單蓄能器直接儲(chǔ)能增壓利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng)1—轉(zhuǎn)臺(tái);2—回轉(zhuǎn)馬達(dá);3～9—單向閥;10～12—換向閥;13—蓄能器;14—溢流閥;15—主泵;16—節(jié)流閥;17—發(fā)動(dòng)機(jī);18—油箱

該系統(tǒng)通過(guò)增加換向閥、蓄能器等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),換向閥10工作于中位,11工作于右位,12工作于下位,主泵15停止向回轉(zhuǎn)馬達(dá)2供油;

在大慣量的作用下,轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)2繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)單向閥3從油箱吸油,B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)單向閥6,經(jīng)換向閥11進(jìn)入到蓄能器中,實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥10工作于左位,11工作于中位,12工作于上位,蓄能器中的壓力油通過(guò)換向閥12,經(jīng)單向閥8作用于主泵的進(jìn)油口,從而實(shí)現(xiàn)能量再利用。

該系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量采用增壓利用的方式,將蓄能器的油液作用于主泵的進(jìn)油口。由于蓄能器中油液的壓力遠(yuǎn)大于油箱壓力,其油液極易釋放到主泵的進(jìn)油口,使得主泵進(jìn)油口為壓力油。

該能量利用方式有利于增加主泵進(jìn)油口的壓力,防止大流量時(shí)主泵產(chǎn)生氣蝕,可有效提高主泵的轉(zhuǎn)速[12];還可提高主泵自吸能力,防止吸空;補(bǔ)充主泵泄露油液,提高液壓泵工作效率。

蓄能器輸出的流量由主泵的變量機(jī)構(gòu)決定,在增壓利用方式的流量匹配過(guò)程中,變量機(jī)構(gòu)存在一定的滯后性,使蓄能器釋放的壓力油不能全部被回轉(zhuǎn)馬達(dá)利用,其中一部分壓力油通過(guò)泵出口的溢流閥溢流[13],導(dǎo)致系統(tǒng)能量利用率降低。

單蓄能器間接儲(chǔ)能直接利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng),如圖3所示[14-17]。

圖3 單蓄能器間接儲(chǔ)能直接利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng)1—轉(zhuǎn)臺(tái);2—回轉(zhuǎn)馬達(dá);3～11—單向閥;12～14—換向閥;15～17—溢流閥;18—蓄能器;19—回收泵;20—回收馬達(dá);21—主泵;22—電動(dòng)機(jī);23—過(guò)濾器;24—油箱

該系統(tǒng)通過(guò)增加回收馬達(dá)、回收泵、蓄能器、溢流閥等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),換向閥12工作于中位,13工作于左位,14工作右位,主泵21停止向回轉(zhuǎn)馬達(dá)2供油;

在大慣量的作用下,轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)2繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)單向閥5從油箱吸油,B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)單向閥8,經(jīng)換向閥13驅(qū)動(dòng)回收馬達(dá)20旋轉(zhuǎn),使其帶動(dòng)回收泵19工作,并將壓力油存儲(chǔ)到蓄能器中,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥12、14工作于左位,13工作于右位,蓄能器中的壓力油通過(guò)換向閥14經(jīng)單向閥10作用于主泵的出油口,和主泵一起驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)能量再利用。

該系統(tǒng)為間接式儲(chǔ)能系統(tǒng),其能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多,造成能量回收率較低。能量利用時(shí)蓄能器中的油液作用于主泵的出油口,與主泵共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作。但該系統(tǒng)在工作過(guò)程中,主泵出口壓力較高,蓄能器中的油液無(wú)法完全釋放,導(dǎo)致系統(tǒng)能量利用率較低。能量利用方面,相比于增壓利用方式,該方式中蓄能器釋放油液的多少,取決于回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,所以能量的流量損失較少。

單蓄能器直接儲(chǔ)能直接利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng),如圖4所示[18-22]。

圖4 單蓄能器直接儲(chǔ)能直接利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng)1—回轉(zhuǎn)馬達(dá);2～5—單向閥;6～10—換向閥;11—蓄能器;12，13—液控單向閥;14～17—溢流閥;18—主泵;19—發(fā)動(dòng)機(jī);20—油箱

該系統(tǒng)通過(guò)在主泵和液壓馬達(dá)之間增加換向閥、溢流閥、蓄能器等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),換向閥10工作于中位,6工作于右位,7工作于左位,8、9工作于上位,主泵18停止向回轉(zhuǎn)馬達(dá)1供油;

在大慣量的作用下,轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)1繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)單向閥2從油箱吸油,B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)換向閥7,經(jīng)單向閥5進(jìn)入到蓄能器中,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥10工作于左位,6、7工作于右位,8工作于下位,9工作于上位,蓄能器中的壓力油通過(guò)換向閥8、6作用于回轉(zhuǎn)馬達(dá),驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

該系統(tǒng)啟動(dòng)初期,回轉(zhuǎn)馬達(dá)需要的流量較少,蓄能器中油液的壓力大于溢流閥15和16的設(shè)定壓力,溢流閥15和16打開(kāi),主泵通過(guò)其卸荷。此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)由蓄能器單獨(dú)供油驅(qū)動(dòng),蓄能器儲(chǔ)存油液的壓力逐漸降低,當(dāng)?shù)陀谝缌鏖y15和16的壓力設(shè)定值時(shí),溢流閥15和16關(guān)閉,蓄能器和液壓泵共同驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),這樣不僅能降低主泵的輸出能量,還能提高能量的利用率。

2.1.2 多蓄能器能量回收與利用系統(tǒng)

在液壓系統(tǒng)中,多蓄能器通過(guò)采用高、低壓蓄能器及二次元件液壓泵/馬達(dá),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的回收與再利用。其中,在系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程中高壓蓄能器回收能量,并在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中提供能量;低壓蓄能器在系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程中為液壓泵提供低壓大流量。

閉式高、低壓蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng),如圖5所示[23-25]。

圖5 閉式高、低壓蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用系統(tǒng)1—電動(dòng)機(jī);2—主泵;3～7—單向閥;8，9—液控單向閥;10，11—溢流閥;12—換向閥;13—低壓蓄能器;14—高壓蓄能器;15—節(jié)流閥;16—液壓泵/馬達(dá);17—轉(zhuǎn)臺(tái)

該系統(tǒng)通過(guò)增加高壓蓄能器、低壓蓄能器、二次元件液壓泵/馬達(dá)、換向閥等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),調(diào)節(jié)主泵的變量機(jī)構(gòu),使主泵停止向負(fù)載提供壓力油,換向閥12工作于右位;

在大慣量作用下,液壓泵16繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)換向閥12的右位,從低壓蓄能器13獲取大流量液壓油源,低壓蓄能器通過(guò)另一管路通到主泵的低壓口,防止主泵動(dòng)態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的吸空現(xiàn)象,液壓泵16的B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)單向閥7或者換向閥12進(jìn)入到高壓蓄能器中,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥12工作于左位,調(diào)節(jié)主泵變量機(jī)構(gòu),使主泵向負(fù)載提供壓力油。同時(shí),高壓蓄能器中的壓力油通過(guò)換向閥12作用到液壓馬達(dá)16的A口驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn),B口產(chǎn)生的低壓油通過(guò)換向閥12,進(jìn)入到低壓蓄能器中儲(chǔ)存起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

相較于單蓄能器,多蓄能器中回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口的壓力油沒(méi)有直接流回油箱,而是通過(guò)低壓蓄能器將該部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái),有效提高了多蓄能器的能量回收與利用率。同時(shí),多蓄能器采用的二次元件液壓泵/馬達(dá),不僅能無(wú)節(jié)流損失傳遞能量,還可避免其在回轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的節(jié)流、溢流損失。但二次元件液壓泵/馬達(dá)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率較慢,成本較高,不適合大批量使用。

鑒于上述特性,多蓄能器液壓系統(tǒng)多用于需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和加速的車輛。車輛高、低壓蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng),如圖6所示[26-29]。

圖6 車輛高、低壓蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)1，2—電磁離合器;3—電動(dòng)機(jī);4—低壓蓄能器;5—高壓蓄能器;6—溢流閥;7，8—換向閥;9—液壓泵/馬達(dá)

該液壓系統(tǒng)是雙軸并聯(lián)電液混合動(dòng)力系統(tǒng)[30-32],通過(guò)增加高、低壓蓄能器、二次元件液壓泵/馬達(dá)、換向閥、溢流閥等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)車輛需要停車或減速制動(dòng)時(shí),換向閥7、8工作于左位。液壓泵9在大慣量作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)換向閥7,從低壓蓄能器4獲取大流量液壓油源,液壓泵9的B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)換向閥7儲(chǔ)存到高壓蓄能器中,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)車輛需要起步或加速時(shí),換向閥7工作于右位,8工作于左位,高壓蓄能器釋放的壓力油通過(guò)換向閥8和7作用到液壓馬達(dá)9的A口驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)車輛完成起步或者加速,B口產(chǎn)生的低壓油通過(guò)換向閥7進(jìn)入低壓蓄能器中存儲(chǔ)起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

城市道路車輛在行駛過(guò)程中,需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和加速。車輛在啟動(dòng)時(shí)具有低速重載的特性,該工況下需要較大的峰值扭矩,尤其是對(duì)于城市公交車[33-35]。電動(dòng)機(jī)在低速重載下啟動(dòng)會(huì)使其啟動(dòng)電流過(guò)大,線圈發(fā)熱嚴(yán)重,大幅縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命。該方案采用雙軸雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng),當(dāng)車輛使用液壓動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí),由于蓄能器功率密度大,液壓系統(tǒng)可迅速響應(yīng),能夠改善車輛的啟動(dòng)和加速性能;同時(shí)使電動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域,降低了電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率,提高了系統(tǒng)的能量利用率。但在能量轉(zhuǎn)換和利用方面的控制策略還有待深入研究[36-40]。

2.2 電力式儲(chǔ)能

液壓蓄能器的儲(chǔ)能時(shí)間不長(zhǎng),有學(xué)者提出采用蓄電池或超級(jí)電容[41]等作為儲(chǔ)能元件,并在轉(zhuǎn)換器、控制器等元件的配合下,將制動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在其中,從而實(shí)現(xiàn)能量的回收。能量利用時(shí)將儲(chǔ)能元件連接到電動(dòng)機(jī)[42],并且和混合動(dòng)力單元通過(guò)耦合控制[43,44]共同驅(qū)動(dòng)主泵動(dòng)作。

電力式儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)增加換向閥、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)控制器、蓄電池或者超級(jí)電容等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。電力式回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)如圖7所示[45]。

圖7 電力式回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)1—轉(zhuǎn)臺(tái);2—回轉(zhuǎn)馬達(dá);3～8—單向閥;9，10—換向閥;11，12—溢流閥;13—回收馬達(dá);14—主泵

此處以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),換向閥9工作于中位,10工作于右位,轉(zhuǎn)臺(tái)在大慣量的作用下帶動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)2繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)單向閥3從油箱吸油,B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)單向閥6,經(jīng)換向閥10驅(qū)動(dòng)回收馬達(dá)13旋轉(zhuǎn),回收馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,其電能通過(guò)電機(jī)控制器2儲(chǔ)存在電量存儲(chǔ)單元中,實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥9工作于左位,10工作于中位,電量存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的電能通過(guò)電機(jī)控制器1作用于混合動(dòng)力單元,使其帶動(dòng)主泵14工作,從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

相較于液壓式儲(chǔ)能系統(tǒng),電力式儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件蓄電池或超級(jí)電容比液壓蓄能器的儲(chǔ)能時(shí)間更長(zhǎng),且具有更高的能量密度。其中,超級(jí)電容的功率密度高于蓄電池,其充放電時(shí)間更短、循環(huán)壽命更長(zhǎng),但其續(xù)航時(shí)間短、成本更高[46,47]。

儲(chǔ)能元件蓄電池和超級(jí)電容對(duì)使用環(huán)境和使用場(chǎng)合有很高的要求,這就限制了整機(jī)的使用范圍;而且其負(fù)載的工作性能又比較依賴儲(chǔ)能元件的功率密度、能量密度和存儲(chǔ)容量等因素。若整機(jī)工作在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化大、動(dòng)作頻繁等環(huán)境下,則對(duì)其儲(chǔ)能元件的性能參數(shù)有了更高的要求。

2.3 電液式儲(chǔ)能

電液式儲(chǔ)能系統(tǒng)除使用蓄電池和超級(jí)電容等儲(chǔ)能元件外,還加入液壓蓄能器,將制動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能和液壓能兩種形式能量進(jìn)行儲(chǔ)存[48,49],實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。能量利用時(shí)將蓄電池或超級(jí)電容連接到電動(dòng)機(jī),液壓蓄能器連接到液壓泵/馬達(dá),分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)負(fù)載動(dòng)作。

電液式儲(chǔ)能[50]在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加回收控制閥、二次元件液壓泵/馬達(dá)、二次元件電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、蓄能器、雙向DC-DC變換器、超級(jí)電容等原件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

電液式回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng),如圖8所示。

圖8 電液式回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)1—回轉(zhuǎn)馬達(dá);2～4—溢流閥;5,6—單向閥;7—換向閥;8,9—回收控制閥;10—電動(dòng)/發(fā)電機(jī);11—液壓泵/馬達(dá);12—蓄能器;13—雙向DC-DC變換器;14—超級(jí)電容;15—主泵;16—電動(dòng)機(jī);17—油箱

此處以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況,換向閥7工作于中位,回收控制閥8打開(kāi),9關(guān)閉,主泵15停止向回轉(zhuǎn)馬達(dá)1供油。轉(zhuǎn)臺(tái)在大慣量的作用下帶動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)1繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),A口通過(guò)單向閥5從油箱吸油,B口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)回收控制閥8驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)11旋轉(zhuǎn),液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)10發(fā)電,其電能通過(guò)雙向DC-DC變換器,將電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中,液壓馬達(dá)出口產(chǎn)生的壓力油存儲(chǔ)到蓄能器中,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥7工作于左位,回收控制閥8關(guān)閉,9打開(kāi),由超級(jí)電容提供電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng),使其驅(qū)動(dòng)液壓泵11工作,液壓泵11從蓄能器吸油作用到回轉(zhuǎn)馬達(dá)1,從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

電液式儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過(guò)程比電力式儲(chǔ)能系統(tǒng)更為復(fù)雜,但其兼具電力式儲(chǔ)能系統(tǒng)的高能量密度和液壓式儲(chǔ)能系統(tǒng)的高功率密度特點(diǎn);且能量利用時(shí),超級(jí)電容和液壓蓄能器共同輔助動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)負(fù)載,大大提高了系統(tǒng)的能量利用率。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要高頻的啟制動(dòng),這對(duì)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)、使用壽命等性能指標(biāo)提出了更高的要求。

2.4 機(jī)械式儲(chǔ)能

機(jī)械式儲(chǔ)能采用飛輪作為其儲(chǔ)能元件,將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中,實(shí)現(xiàn)能量的回收;能量利用時(shí),將飛輪連接到液壓泵,驅(qū)動(dòng)其工作。

2.4.1 基于飛輪的能量回收與利用系統(tǒng)

機(jī)械式儲(chǔ)能[51-53]通過(guò)增加齒輪傳動(dòng)單元、變速箱、飛輪、液壓泵、溢流閥等元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

基于飛輪的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng),如圖9所示。

圖9 基于飛輪的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)1—發(fā)動(dòng)機(jī);2—主泵;3～8—單向閥;9～13—溢流閥;14～16—換向閥;17—回轉(zhuǎn)馬達(dá);18—減速器;19—回轉(zhuǎn)支承;20—轉(zhuǎn)臺(tái);21—輔助齒輪;22—變速箱;23，24—離合器;25—飛輪;26—輔助液壓泵;27—油箱

此處以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)系統(tǒng)處于制動(dòng)工況時(shí),換向閥14工作于中位,離合器23結(jié)合,24分離,主泵2停止向回轉(zhuǎn)馬達(dá)17供油?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在大慣量的作用下會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)變速箱22經(jīng)離合器23連接到飛輪,帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)工況時(shí),換向閥14工作于左位,離合器23分離,24結(jié)合,飛輪作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)輔助液壓泵工作,泵出口產(chǎn)生的高壓油通過(guò)單向閥作用到主泵的出油口,和主泵一起驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

作為儲(chǔ)能元件,飛輪在回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中可以儲(chǔ)存較多能量,具有能量密度大的優(yōu)勢(shì)。但飛輪作為動(dòng)力元件時(shí),飛輪在驅(qū)動(dòng)輔助泵工作時(shí)具有轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的缺點(diǎn),這會(huì)導(dǎo)致泵輸出油液流量不穩(wěn)定;且當(dāng)主泵輸出油液壓力大于輔助液壓泵輸出油液壓力時(shí),單向閥8關(guān)閉,輔助液壓泵26出口壓力逐漸升高,當(dāng)達(dá)到溢流閥13的設(shè)定壓力時(shí),能量在溢流閥閥口以熱能的形式耗散掉,從而造成了能量的浪費(fèi),降低了飛輪存儲(chǔ)能量的利用率。

2.4.2 基于飛輪/蓄能器的能量回收與利用系統(tǒng)

不同儲(chǔ)能裝置的功率密度和能量密度都有差異,其中飛輪的特點(diǎn)是能量密度高、功率密度低。為了彌補(bǔ)飛輪功率密度低的不足,有學(xué)者提出將飛輪與功率密度大而能量密度低的蓄能器集成使用,即飛輪/蓄能器[54,55],它能將液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)最小化,并增加其能量密度。

飛輪/蓄能器有3種工作模式:當(dāng)飛輪/蓄能器靜止時(shí),右側(cè)通壓力油,此時(shí)處于普通蓄能器工況,存儲(chǔ)為純液壓能;當(dāng)飛輪/蓄能器旋轉(zhuǎn)且右側(cè)不通壓力油時(shí),此時(shí)處于普通飛輪工況,能量存儲(chǔ)為機(jī)械能;當(dāng)飛輪/蓄能器旋轉(zhuǎn)且右側(cè)通壓力油時(shí),此時(shí)處于混合存儲(chǔ)模式。

用飛輪/蓄能器組成的能量回收系統(tǒng)[56-58],通過(guò)增加換向閥、二次元件液壓泵/馬達(dá)等液壓元件,來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收與利用。

基于飛輪/蓄能器的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng),如圖10所示。

圖10 基于飛輪/蓄能器的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)1,2—液壓泵/馬達(dá);3—換向閥;4—飛輪/蓄能器;5—主泵;6—?jiǎng)恿υ?7—油箱

此處以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例,當(dāng)車輛需要停車或者減速制動(dòng)時(shí),液壓泵/馬達(dá)1處于泵工況,液壓泵/馬達(dá)2處于馬達(dá)工況,A口產(chǎn)生的高壓油一部分通過(guò)飛輪/蓄能器的進(jìn)油口存儲(chǔ)為液體壓力能,另一部分驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)2動(dòng)作,使飛輪/蓄能器旋轉(zhuǎn),將能量存儲(chǔ)為動(dòng)能,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收;當(dāng)車輛需要起步或者加速時(shí),液壓泵/馬達(dá)1工作于馬達(dá)工況,液壓泵/馬達(dá)2工作于泵工況,由飛輪/蓄能器作為動(dòng)力源,驅(qū)動(dòng)液壓泵2生成高壓油,同飛輪/蓄能器以及主泵的壓力油共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)能量的利用。

相比于純液壓蓄能器儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,使用飛輪/蓄能器儲(chǔ)能能夠回收更多的能量,并且在能量利用過(guò)程中,有多種存儲(chǔ)模式可供其選擇,在不同工況下,可以動(dòng)態(tài)調(diào)整能量的存儲(chǔ)及利用方式。

但飛輪/蓄能器帶來(lái)良好特性的同時(shí)也存在一些問(wèn)題,它在高速狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性對(duì)車輛行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性影響較大,在車輛移動(dòng)狀態(tài)下,車輛的轉(zhuǎn)彎、側(cè)傾、俯仰等動(dòng)作會(huì)使飛輪產(chǎn)生陀螺力矩,這就提高了對(duì)車輛操控性能的要求。

若要降低這些不利因素,就需要飛輪/蓄能器在制造過(guò)程中嚴(yán)格控制公差,制造后進(jìn)行平衡性調(diào)整;或者采用垂直安裝飛輪/蓄能器等方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)大慣量高頻啟?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)能量進(jìn)行回收與利用,不僅可減少系統(tǒng)的能量損失,而且能改善系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能,縮小系統(tǒng)的體積和成本,增加其布置的靈活性。

筆者分別從液壓式儲(chǔ)能、電力式儲(chǔ)能、電液式儲(chǔ)能和機(jī)械式儲(chǔ)能4種不同儲(chǔ)能方式,分析各儲(chǔ)能方式的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題,總結(jié)了大慣量高頻啟?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)面臨的主要問(wèn)題及技術(shù)難點(diǎn),并預(yù)測(cè)了節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)。

研究結(jié)論如下:

(1)在液壓系統(tǒng)中,液壓式儲(chǔ)能可將能量直接以液壓能的形式存儲(chǔ),降低能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量損失,但蓄能器能量密度較低,不適合長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能;對(duì)于本身具有電能儲(chǔ)存和利用元件的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電力式儲(chǔ)能不需要另外增設(shè)這部分元件,且電能利用范圍廣,但電能需要通過(guò)元件的多次轉(zhuǎn)化存儲(chǔ),降低了能量回收率;電液式儲(chǔ)能結(jié)合了液壓式儲(chǔ)能和電力式儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn),提高了能量回收與利用率,但該儲(chǔ)能系統(tǒng)需增設(shè)多個(gè)元件,系統(tǒng)更為復(fù)雜且不利于元件的布置;機(jī)械式儲(chǔ)能將回收的能量以機(jī)械能的形式存儲(chǔ)在飛輪中。飛輪的能量密度高、價(jià)格低,但飛輪在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩,將增加其加工和裝配難度;

(2)目前,在設(shè)計(jì)大慣量高頻啟?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),需要增設(shè)多個(gè)相關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能特性,這不僅增大系統(tǒng)所需空間及系統(tǒng)復(fù)雜度,且增設(shè)的能量轉(zhuǎn)換元件會(huì)增加能量回收過(guò)程中的能量損耗,降低能量回收率。因此,減少節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中涉及能量轉(zhuǎn)換的元件的數(shù)量,減少能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗,提高能量傳遞效率是節(jié)能的關(guān)鍵;

(3)對(duì)現(xiàn)有元件的性能進(jìn)行改進(jìn)提升,研制新型高效儲(chǔ)能元件,并完善節(jié)能特性所需不同元件之間的匹配關(guān)系,深入研究驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能量?jī)?yōu)化策略等是節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要研究點(diǎn)。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展,將智能算法與能量回收技術(shù)相結(jié)合,從而提高能量利用率,減少能源消耗,在實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、低碳環(huán)保等方面具有重要意義。

在后續(xù)的工作中,筆者將對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)做進(jìn)一步研究,爭(zhēng)取提出新的液壓系統(tǒng)節(jié)能方案,并對(duì)其節(jié)能特性進(jìn)行優(yōu)化,從而達(dá)到進(jìn)一步提高回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)能量回收效率的目的。