串联式液压混合动力车系统设计与分析
来源:哲成阀门 作者:www.zczkvalve.com 发布时间:2019-5-18 阅读:
  

0 引言
     近年来,能源回收再利用与能源的可持续发展,成为各界所追求的目标。混合动力技术能显著提升能源使用效率,减少燃油消耗量与燃油废气排放量。
     液压混合动力系统由静液压传动系统所发展而来,由于重型车辆车身重,增加液压系统部分的质量相对于整体车重影响不大,因此该系统对于运行过程中低速率行驶、高频率走停的重型车辆更为适合。液压混合动力系统是以蓄能器来储能,需要时释放蓄能器中的能量,从而达到能量回收与再利用的目的。
1 液压混合动力系统架构方式比较
     近年来,许多学者针对液压混合动力车进行了实验和测试,验证了液压混合动力系统在节能减排和燃油经济性等方而的效益。同时,为了提升液压混合动力车的能量回收效率,研究不同系统的控制方式,增加能量回收效率,提升燃油经济性。
      液压混合动力车系统可分为并联式与串联式2种。并联式架构仍保留传统车辆的传动系统,新增液压系统作为辅助动力源与刹车动能回收储存;串联式架构是直接由液压系统取代传统的机械式传动系统。并联式和串联式比较:
    (1)引擎运转效率方而并联式车辆引擎运行方式几乎与传统车辆相同,整体效率提升有限;串联式车辆引擎单纯作为动力输出驱动液压泵,利用控制系统使引擎工作于高效率区间,能有效提升引擎工作效率,更具燃油经济性;
    (2)车重方而并联式仍保有传统机械式传动系统,相较于完全由液压系统所建构的串联式,整体车重较重;
    (3)控制方而并联式由于车辆引擎系统与液压系统两者独立存在,需分别控制,较为繁杂;串联式液压系统与车辆引擎相连接,控制较为简单;
    (4)动能回收效率并联与串联式均为相同的能量回收液压系统,则两者回收效率基本相同。但串联式液压系统需负担整体车辆动力输出,必须具备较高的功率;
    (5)能量转换方而并联式系统中液压系统为辅助,主要能量传输仍为传统机械式车辆系统,回收能量再利用时,仍需机械传动部分传递,造成传动损失,引擎的能量转换效率也造成了多数的能量损失;串联式系统完全由液压系统构成,引擎单纯作为动力输出,减少了传递效率与能量转换效率上造成的能量损失。
      由上可知,串联式液压混合动力系统整体性能优于并联式。本文以串联式液压混合动力车系统设计为研究对象,考虑车辆外型、车重、运行模式等条件,分析探讨不同设定参数和不同系统控制方式对刹车动能回收效率与能量使用效率的影响。
2 串联式液压混合动力车系统架构
     串联式液压混合动力车的液压系统原因如图1所示。

串联式液压混合动力车系统原理图

图1  串联式液压混合动力车系统原理图
1.电动马达 2.定量液压泵 3、11.常闭式力向控制阀

4、10、12,、13、19、24、30.控制信号  5 、8 、23.泄压阀

6.高压蓄能器  7、26. 止回阀 9.可变开度流量控制阀 14.三位四通力向控制阀

15.惯性负载  16、17.信号接地  18.阻尼负载  20.信号力程式  21.可变排液量液压马达

22.低压蓄能器25.常开式力向控制阀  27.压力传感器  28.信号比较器 29.信号转换器 31.信号传感器

      在本系统中,引擎与液压泵相连接,以定转速电动马达取代车辆引擎进行仿真分析。若高压蓄能器中具有足够的液压能,则由高压蓄能器输出液压能至可变排量液压马达,从而驱使车辆加速;当高压蓄能器中的液压能不足时,则关闭输出,由固定排量液
压泵提供液压能至可变排量液压马达,从而使车辆行驶。刹车时,固定排量液压泵停比输出,常闭式方向控制阀开启,三位四通方向控制阀换位,可变排量液压马达以泵工况将低压蓄能器中的液压能传输回高压蓄能器中,达到回收刹车动能的目的。回路中泄压阀5是整个系统的安全阀,泄压阀8和泄压阀23作为溢流阀,避免高压蓄能器与低压蓄能器超过设定的最高操作压力。
3系统运行仿真
     使用HyPneu分析软件仿真,将运行模式区分为4种状态:0一10 s为加速状态,1050 s为匀速状态,5060 s为减速状态,6090 s为静比怠速状态。可变排量液压马达的排量根据不同行驶状态调整,开始加速时开度为100%,匀速行驶时80%;当开始减速时,再次增大至100%,使液压油能快速传输回高压蓄能器中储存。
3.1 不同行驶状态的系统状态
    (1)加速前行状态
    假设加速时间为lOs,从静i h:加速至30 km/h ,并在行驶前先将液压油预充入高压蓄能器中,加速时常闭式方向控制阀11接通,由高压蓄能器供油使车辆加速,此时,常开式方向控制阀关闭,高压蓄能器将油输出存入至低压蓄能器中,常闭式方向控制阀3打开,液压泵处于待机循环。
    (2)匀速行驶状态
    将常闭式方向控制阀11关闭,使高压蓄能器停比供油,常闭式方向控制阀3关闭,由液压泵供油至液压马达驱动车辆匀速行驶。此时,马达的排量减小至80% 。
    (3)减速刹车状态
    假设减速时间为lOs,此时,常闭式方向控制阀3、11都接通,液压泵处于待机循环,常开式方向控制阀关闭,三位四通方向控制阀换位,液压马达的排量由80%渐增至100%,刹车时将低压蓄能器中的油传输回高压蓄能器中储存。液压马达处于泵工况。
    (4)静比怠速状态
     当车辆静n怠速时,常闭式方向控制阀3、11都关闭,三位四通方向控制阀置中位,常开式方向控制阀接通,此时,高压蓄能器中储存着刹车时所回收的能量,待下次加速时再次利用。
3.2能量回收效率和整体车辆系统的效率计算
    (1)刹车动能回收效率
     刹车时由低压蓄能器供油,经液压马达以泵工况将车辆动能储存回高压蓄能器当中,因此回收效率为高压蓄能器回收能量对低压蓄能器输出能量加上车辆动能的两者之和的比值。
     在分析时,每0.01、量取一次高压蓄能器(低压蓄能器)的压力与流量值,计算得出每一时刻高压蓄能器(低压蓄能器)的功率,将 5060、内每一时刻的功率求和.可得高压蓄能器的回收能量和低压蓄能器的输出能量。
     设定车体质量为21 953 kg,车辆从30 km/h的匀速状态,开始刹车至速度为0,由此可得刹车动能回收效率数据如表1所示。

表1 刹车动能回收效率数据

    (2)整体车辆系统能量使用效率计算
      整体车辆系统能量使用效率为液压马达的输出能量与液压泵的输入能量的比值。分析时每0.01 s量取一次液压马达输出的转速与扭矩,由于液压马达在50 }60 s是以液压泵的形式将刹车时的车辆动能储存回高压蓄能器中,此时间内液压马达并非消耗能量而是储存能量,因此,液压马达总输出能量时间为加速与匀速行驶时0一50 s,将这段时间每一时刻的功率求和,可得出液压马达总输出能量。
      液压泵的输入能量同样是在分析时每0.01 s量取一次液压泵输入的压力与流量值。然而,在本系统中液压泵为固定排量式液压泵,在任何行驶状态下(0~60 s)液压泵仍持续输入液压能,因此将每一时刻的输入功率求和,即可得液压泵的输入能量,能量使用效率数据如表2所示。

表2 能量使用效率计算数据表

    (3)回收能量比例计算
     将泵的输入能量与高压蓄能器的回收能量相比,即可得回收能量占总输入能量的比例,能量回收百分比计算数据如表3所示。

表3 能量回收百分比计算数据表

3.3泵控液压系统的对比
     液压系统可分为阀控和泵控2种不同的方式。上而所构建的系统属于阀控液压系统,具有较高的控制灵敏度。而泵控液压系统通过可变排量的液压泵控制液压油的流量大小,其控制灵敏度比阀控系统稍差。
      作为对比,将阀控液压系统改为泵控液压系统,将固定排量液压泵改为可变排量液压泵,并去除之前系统中控制液压泵输出的油流方向的控制阀,液压系统原理如图2所示。

图2 泵控串联式液压混合动力系统原理图

1.电动马达 2.可变排量液压泵  3 ,4,21.泄压阀 5.高压蓄能器
6. 止回阀 7.可变开度流量控制阀 8.常闭式力向控制阀  9,10,
11,19,24,26.控制信号 12.三位四通力向控制阀 13.定排量液压
马达  14.惯性负载 15,16.信号接地 17.阻尼负载 18.低压蓄能器
20.常开式力向控制阀  22. 止回阀 23.压力传感器 25.信号比较器
                  27.信号转换器 28.信号传感器

  对图2进行仿真模拟,其结果如表4所示。泵控串联式液压系统的能量回收率与阀控系统相近,而能量回收比例方而提升了13.6%。

表4 泵控液压系统能量回收与使用效率计算表

4 结语
     (1)设计的阀控液压系统,其刹车动能回收效率为73%,整体车辆系统能量使用效率为32.8%,回收能量比例为17.22% ;
     (2)泵控液压系统中使用变量液压泵和定量液压马达结合,回收能量的比例可达30.8%,能量回收能力提升78.9%。

本文Tag:调节阀、控制阀、电动调节阀
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