液压蓄能式公共汽车制动能量回收系统匹配与试验分析.pdf

2 0 1 4年 6月 第4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I C S J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 3 液压蓄能式公共汽车制动能量回收系统匹配与试验分析 曲金玉 ，王儒 ，任传波 ，韩尔棵 ，刘林 1 ．山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 2 5 5 0 4 9； 2 ．潍柴动力股份有限公 司新能源技术 中心 ，山东潍坊 2 6 1 0 0 0 摘要针对城市公共汽车运行的特殊工况，设计并研制了一种新型液压蓄能式制动能量 回收系统 ，介绍了该制动能量 回收系统的组成和工作原理，对液压系统主要部件参数进行了分析与匹配。通过台架和实车道路试验，结果表明所设计 的液压蓄能式制动能量回收系统在满足汽车运行安全的前提下，具有较高的制动能量回收率 ，对改善汽车的燃油经济性具 有积极作用。 关键词 公 共汽车 ；制动回收 ；液 压蓄能器 ；匹配 中图分类号 U 4 6 3 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 l 1 0 0 9 3 An a l y s i s o f Te s t i ng a nd M a t c h i n g o f Br a k i ng En e r g y Re c o v e r y S y s t e m o f Hy dr a u l i c En e r g y S t o r a g e Ty p e Bus e s Q U J i n y u ， WA N G R u ，R E N C h u a n b o ， H A N E r l i a n g ， L I U L i n 1 ． S c h o o l o f T r a n s p o r t a n d V e h i c l e E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Zi b o S h a n d o n g 2 5 5 0 4 9， Ch i n a； 2 ． N e w E n e r gy T e c h n o l o gy C e n t e r ，We i c h a i P o w e r C o ． ， L t d ． ， We i f a n g S h a n d o n g 2 6 1 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e s p e c i a l c o n d i t i o n o f t h e c i t y b u s e s o p e r a t i o n ，a n e w t y p e o f h y d r a u l i c e n e r g y s t o r a g e t y p e b r a k i n g e n e r gy r e c o v e r y s y s t e m wa s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d ．T h e c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e b r a k e e n e r g y r e c o v e r y s y s t e m wa s i n t r o d uc e d，a n d t he ma i n c o mp o ne nt s o f t h e h y d r a ul i c s y s t e m pa r a me t e r s we r e a n aly z e d a n d ma t c h e d．F i n a l l y，b y t he b e n c h a nd v e h i c l e r e f i t t i n g t e s t ，t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n o f t h e n e w h y d r a u l i c e n e r g y s t o r a g e t y p e b r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t i o n s y s t e m i mp r o v e d t h e b r a k i n g e n e r g y r e c o v e ry r a t e u n d e r t h e p r e mi s e o f s a f e t y o p e r a t i o n，h a s p o s i t i v e e f f e c t o n f u e l e c o n o my i mp r o v e me n t o f a u t o mo b i l e ． Ke ywor dsBus e s；Br a ki n g e ne r g y r e c o v e ry ；Hy dr a u l i c a c c u mu l a t o r；Ma t c h i n g 公共汽车在市区运行时需要频繁起步、加速和制 动，使得发动机的工作点经常偏离燃油效率最高的经 济曲线而使油耗增加 ，废气排放也随之增加；且在制 动过程中，车辆的动能经制动器的摩擦转化为热能被 浪费掉⋯。因此 ，如何合理有效地回收车辆制动过程 中浪费的能量就成为汽车节能技术研究热点。 目前 ，液压蓄能方式因功率密度大、存储能量时 间长、工作性能稳定和成本低等优点，便于商业化应 用 。文中针对城市公共汽车的特殊要求提出了一种 新型液压蓄能式制动能量回收系统 ，介绍了该系统的 组成和工作原理 ，并着重对液压系统的主要部件性能 进行分析 ，合理匹配系统参数。最后，通过台架和实 车道路试验 ，对该系统的制动回收性能进行验证。 1 制动能量回收系统组成与工作原理 1 ． 1 系统 组成 该液压蓄能式制动能量回收系统的结构如图 1 所 示 ，系统主要 由动力 总成 、液压 系统 、电子控制系统 三部分组成 。 1 一柴油机2 一传动装置卜 电磁离合器4 一离合器5 一液 压泵／ 马达6 ---变速箱7 一液压阀体控制模块8 一压力传感器 电液 换 向 阀l o - ． 低压 闭式油 箱1 1 一 制 动 回收系 统E C U 1 2 m液压蓄能器l 卜 离合器踏板开关1 4 --制动踏板传感器 1 5 m油门踏板传感器l 6 一车速传感器1 7 lN ， R 挡位置传感器 图 1 液压蓄能式制动能量回收系统结构图 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 3 基金项目国家 自然科学基金项目 5 1 2 7 5 2 8 0 ；山东省科技发展计划项 目 2 0 1 1 G G X 1 0 5 0 5 作者简介 曲金玉 1 9 6 1 一 ，男 ，硕士 ，副教授 ，研究方向为汽车节能技术 。E ma i l q u j i n y u s i n a ． c o m。 l 0 机床与液压 第 4 2卷 其中，动力总成包括 传动装置 ，电磁离合器总 成 ，液压泵／ 马达总成。该总成在保持原有柴油机零 部件结构不变，将传动装置装配在柴油机缸体与飞轮 壳之间，使发动机曲轴通过传动装置与电磁离合器、 液压泵／ 马达连接 ；通过 控制 电磁离 合器 的接合 与分 离 ，实现液压泵／ 马达与柴油机之 间的动力传递 。 液压系统主要包括 液压蓄能器、液压阀体控制 模块 、低 压闭式油箱等部 分。 电子控 制 系统 主要 包 括 电控单 元 、车速 传感 器、蓄能器压力传感器和电磁换 向阀等。其功能是通 过检测车辆的行驶参数和各传感器信号，对制动能量 回收过程进行控制 。 1 ． 2 系统工作 原理 车辆制动减速时，经电控系统对各信号的检测和 判断 ，电磁离 合 器接 合 ，车辆 惯 性力 驱 动 液压 泵运 转 ，此时 ，液压油 由低压油箱经液压管路通过 电磁换 向阀的控制流入高压蓄能器 中，这样就将车辆 的动能 转化为液压势能储存在蓄能器中。当终止制动后，制 动 回收 系统停 止 工作 ，车辆 正常 运 行。在 紧 急制 动 时 ，除进行制动 回收外 ，车辆原制动系统 同时保持独 立运行；在倒档位置制动时，车辆原制动系统保持独 立运行 ，制动 回收系统不工作 。 2制动回收系统参数 匹配与分析 2 ． 1 车辆制动减速过程 假设公共汽车制动工况是在水平路 面上进行 ，忽 略制动过程中制动器消耗的能量 ，汽车制动时能量平 衡方程如下 1 一 16 mA v E 1 E 2 E 3E 4 1 式中艿为车辆旋转质量换算系数 ；m为车辆满载质 量 ，k g ；E 为液压系统 回收和 损失 的总能 量 ，J ；E 为车轮克服滚动摩擦损失的能量，J ；E 为发动机制 动阻力消耗的能量 ，J ；E 4 为车辆克服空气阻力消耗 的能量 ，J 。 根据汽 车理论 ，汽车制动能量 回收过程 中动力学 平衡方程 为 T 1艿 m aF 。F 印F f F 二 旦 _ T o i oi s 2 式中。为制动减速度，m ／ s ；F 。为液压泵制动阻 力 ，N ；F 为柴油机空转 的制动 阻力 ，N；F 为轮胎 滚动 阻力 ，N ；F 为空 气 阻力 ，N； f为 轮胎 滚 动 阻 力 系数 ； 为 发 动机空 转 时的制 动 阻力 矩 ，根 据 台 架实验结果 ，取 T e o 2 0 0 N i n ⋯。 其中，液压泵制动阻力矩 为 一 1 ． 5 9。 卸 ‘ ‘ I O v h 3 式中 为液压 马达机械效率 ； 为液压泵／ 马 达额 定 排 量 ，m L ／ r ；△ p为 液 压 系 统 工 作 压 力 差 ， MP a 。 忽略液压部件 的压力泄漏 ，可认为蓄能器工作压 力差即为液压 系统 的工作 压力差 △ p 。由式 2 、 3 可得 出，对于给定的车 辆 ，当液 压 马 达排量 确定 的情况下 ，增加液压系统工 作压力差 卸 有 助 于提高系统的制动性能 ，缩短制动距离 ，减少传统制 动系统的耗损 ，提高制动器的使用寿命。 2 ． 2 气囊式液压蓄能器性能分析 皮囊式蓄能器工作 时，由于工作介质 氮气 的影 响 ，可 以看作是一个独立 的热力学 系统 和外界进 行能量传递和转换的过程 。 根据气体定律 P 。 P P c o n s t ，其 中V o 、V I 、 分别为压力P 。 、 P 、 P 对应下的气体 体积 ；n为多变指数 ，由于蓄能器充、排油速度很 快 ，时间都小于 1 5 s ，气室内气体膨胀也相应较快， 与外界无热交换 ，所以蓄能器内气体的变化可按绝 热过 程考虑 ，取 n 1 ． 4 。 车辆制 动过程 中 ，蓄能器 回收 的能 量 A E等 于外 界对蓄能器 内部气体所做的功 。由热力学第一定律可 知 引 A E 一 一 p 。 d 4 又有 A E E l 7 ／ r ／ h 5 式中J， 7 为车辆传动效率 ；r ／ 为液压传动效率。 当蓄能器工作压力从 P 上升到P 时，液压系统 工作压力差 △ pP 一 P ，蓄能器气体容 积变化量 A VV l ，在数值上等于液压泵 向蓄能器充入 的 油量 ，即蓄能器的有效容积 A V为 A V 6 结合上述计算公式，评价制动能量回收过程的回 收率 田的计算公式为 叩 - 一 1 。 。 ％ 7 ‘ 寺 1 a m A 由上式可知，蓄能器初始充气压力 P 、最低工 作压力 P 。 、最 高工作压力 P 和总容积 是影响制动 能量回收率的主要因素。其 中，最低工作压力 P 应 第 1 1 期 曲金玉 等液压蓄能式公共汽车制动能量回收系统匹配与试验分析 1 1 满足执行机构最大负载工作时所需压力 。 制动时流入蓄能器的液体体积 为 6 0 玑 ． _『 d 。 ‘ ‘ 式 中 叼 为液 压泵／ 马 达容 积效 率 ；n 。 为液 压 泵／ 马 达转速 ，r ／ m i n 。 其中，根据设计的传动装置，其传动比 i 1 ， 假设车辆制动回收时 ，电磁离合器不打滑，即滑移率 为 0 ，则 有 nt q 9 m 式 中 n 。 为发动机转速 ，r ／ m i n 。 图 2 、图3分别为蓄能器不 同初始充气 P 。 和总容 积 下的蓄能器工作压力P与流入蓄能器的液体体 积 的关系 曲线 。 充入 蓄 能器 的液 体容积 ， L 图2 不同初始充气压力下的蓄能器工作 压力随充入油液体积的变化曲线 5 充 入 蓄 能 器 的 液 体 窨 积 ， L 图3 不同容积下的蓄能器工作压 力随充入油液体积的变化曲线 由图 2 、3可知 ，相对初 始充气 压力 P 。 ，蓄能器 容积 的大小对蓄能器工作压力变化率的影响较大。 在蓄能器初始充气压力 P 。 和最低工作压力 P 。 一定的 情况下，减少蓄能器容积 可以提高工作压力的变 化率和制动减速度 a ；但蓄能器回收的能量 A E减少 ， 回收率 卵也会降低 ；当蓄能器容积 一定时，增大 最高工作压力P 都能提高蓄能器回收的能量 A E；但 是会受 密封 和安全等 因素 的限制 。所 以，综合考虑增 加蓄能器容积 和适当提高初始充气压力 P 。 对提升 再 生系统制动能量 的回收均有效 。 2 ． 3 制动回收 系统主要技术参数选取 表 1 制动能量 回收 系统主要技术参数 传动装置传动比i 泵／ 马达排量 ／ m L r 蓄能器总工作容积／ L 蓄能器初始充气压力 P o ／ M P a 蓄能器最低工作压力P M P a 蓄能器最高工作压力 P 2 ／ M P a 1 1 6 0 9 6 1 6 1 6． 5 3 0 3试 验 3 ． 1 台架试验 为 了实际测试该系统制动 回收 的性能 ，搭建液压 蓄能式制动能量回收系统实验台架，如图4所示。 图 4 液压蓄能式制动能量回收系统实验台架 发动机 以 6 0 0 r ／ m i n怠速运转 ，通过测 功机 给液 压制 动 回 收 系 统 增 加 制 动 扭 矩 ，输 入 扭 矩 为 1 7 1 N m～ 7 0 1 N m，测试系统制动回收性能，试验结 果 如 图 5所 示 。车 辆 制 动 过 程 中，蓄 能 器 压 力 从 1 1 ． 8 l MP a 上升至 1 4 ． 7 6 MP a ，用时8 ． 8 S ，上升速率 为 0 ． 3 4 MP a ／ s 。 图5 制动回收试验曲线 3 ． 2实车道路 试 验 对试验样车进行改造并加装该液压蓄能式制动 回 收系统，进行实车道路试验，验证该系统在实车上的 制动 回收性能 。试验结果如 图 6 所示 。 下转第 l 5页 要 高 系 主 提 收 统、回 系 果 量 压 效 能。 液 收 动 一 不 对 回 制 所 述 量 式 上 能 能 表 据 动 蓄 如 根 制 压 ， 并 统 液 择 ， 系 该 选 数 虑 对 配 参 考 成 匹 车 合 完 的 样 综， 数 验， 素 参 试 析 因 术 合 分 等 技 结 的 率 要 数 收 主 参 回 统 、， 8 第 1 1 期 牟恩旭 等伺服控制参数对摩擦误差影响的研究 1 5 2 5 目 2 0 i 面1 5 l O 5 0 ．5 图8 不同速度环积分增益 对摩擦误差形态影响 昌 j1l Ij i 图9 速度环积分增益 对摩擦误差影响 4 总结 通过在不同伺服控制参数下对系统换向点处摩擦 误差的仿真，从时域和频域角度分析了各个参数对摩 擦误差形态及有关评价指标 的影响 。通过分析可 以发 现 ，控制参数中的位置环 比例增益 K 和速度环积分 增益 K j 主要抑制 摩擦误 差 中的 中、低 频成 份。通过 适当增大这两个参数，可以减小摩擦误差峰值和摩擦 误差持续时 间。而速度环 比例增 益 K。 主要抑 制摩擦 误差中的中、高频成份。通过增大 。 ，可以有效降 低摩擦误差峰值，但对摩擦误差持续时间影响较小。 因而，在无摩擦补偿的条件下，适当调整控制系统参 数 ，可以减小摩擦误差，有利于后续进行的摩擦补偿 的实现。由于控制系统参数对系统的摩擦误差有着直 接 的影 响，可 以将伺服系统在换向点处的摩擦误 差作 为评价伺服系统性能 的指标 之一 ，指导伺 服系统 控制 参数的调整与优化。 参考文献 [ 1 ]X U E S O N G M， T S U T S U MI M， T A O T ， e t a1． S t u d y o n t h e Co mpe n s at i o n o fEr r o r by S tic k--s l i p f o r Hi g h-- Pr e c i s i o n Ta - b l e [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s M a n u f a c ． t u r e ， 2 0 0 4 ， 4 4 5 5 0 3 5 1 0 ． [ 2 ]A R MS T R O N G HI L O U V R Y B ， D U P O N T P， D E wI T c c ． A S u r v e y o f Mo d e l s， Ana l y s i s Too l s a n d Co mp e ns a t i o n Me t h o d s f o r t h e C o n t r o l o f Ma c h i n e s w i t h F r i c t i o n f J ] ． A u t o ma t i ． c a ， 1 9 9 4 ， 3 0 7 1 0 8 31 1 3 8 ． [ 3 ]O L S S O N H， A S T O M K J ， C A N U D A S d E WI T C， e t a 1 ． F r i c t i o n Mo d e l s a n d F ri c t i o n C o mp e n s a t i o n [ J ] ． E u r o p e a n J o u r - n a l o f C o n t r o l ， 1 9 9 8 4 1 7 61 9 5 ． [ 4 ]E R K O R K MA Z K， A L T I N T A S Y ． H i g h s p e e d C N C S y s t e m D e s i g n ． P a r t I I Mo d e l i n g a n d I d e n t i fi c a t i o n o f F e e d Dr i v e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M a c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 1 ， 4 1 1 0 1 4 8 71 5 0 9 ． [ 5 ]冯斌 ， 张东升， 程有龙， 等． 开放式数控系统摩擦补偿的 实现[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 9 7 9 ． [ 6 ]陈广胜， 梅雪松， 陶涛 2 O l 1 ． XY工作台摩擦误差补 偿方法的研究[ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 1 1 ， 4 5 1 6 9 7 3． [ 7 ]刘栋． 数控机床伺服进给系统建模、 辨识及精密控制研 究[ D] 西安 西安交通大学 ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]E L L I S G ． C o n t r o l S y s t e m D e s i g n G u i d e [ M] ． S a n D i e g o El s e v i e r Ac a d e mi c P r e s s ， 2 0 0 4． 上接第 1 1页 曩 至 R 出 熊 勰 鞠 昌 韫 妲 图6 实车道路试验测试曲线 实 车 道 路 试 验 结 果 车 辆 从 初 始 速 度 4 2 ． 1 5 k m ／ h 以五挡制动到 1 4 ． 8 3 k m ／ h ，制动时间为 1 2 ． 1 8 s ，平均制动减速度为0 ． 6 3 m ／ s ，蓄能器压力从 1 6 ． 5 MP a 上升至 2 7 ． 5 3 M P a ，制动能量回收率为 6 9 ． 7 ％。 4结论 1 针对 城市 公共 汽车 运行 特点 ，提 出的一 种 新型的液压蓄能式制动能量回收系统，便于实车布置 改装 ，通过对液压系统参数分析综合考虑各影响因 素，完成了该系统主要技术参数的匹配。 2 分别利用台架试验和实车道路试验，测试 验证了该液压蓄能式制动回收系统的回收性能 ，实验 证明了该系统具有制动回收稳定、迅速、高效等特点。 参考文献 [ 1 ]赵春涛， 姜继海 ， 赵克定． 二次调节静液传动技术在城市 公交车辆中的应用[ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 1 ， 2 3 6 4 2 3 42 6． [ 2 ]S I MO N B， C H R I S I N E E ， E D WA R D G， e t a 1 ． H y d r a u l i c H y b r i d S y s t e m s f o r C o m m e r c i al V e h i c l e s [ C] ． S A E P a p e r ， 2 0 070141 5 0． [ 3 ]余志生． 汽车理论[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 4 ]闫业翠 ， 刘国庆， 陈杰． 液压混合动力公交车动力性能仿 真与试验研究[ J ] ． 汽车工程， 2 0 1 0， 3 2 2 9 3 9 8 ． [ 5 ]张健， 罗念宁， 姜继海． 液压混合动力汽车[ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 1 2 ， 3 9 6 6 7 7 9 ． [ 6 ]刘涛， 姜继海， 孙辉， 等． 新型电控液驱车辆传动系统特 性及匹配研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 5 1 0 51 0 7 ． [ 7 ]张庆永 ， 常思勤． 液驱混合动力车辆液压系统设计及性 能分析[ J ] ． 拖拉机与农用运输车， 2 0 1 0 2 3 71 ． [ 8 ]封士彩． 气囊式蓄能器气体多变指数理论值和实际值的 确定[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 5 3 5 ． [ 9 ]李翔晟， 常思勤， 韩文． 静液压储能传动汽车动力源系统 匹配及性能分析[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 6 ， 3 7 3 1 2一 】 6． 加 如 加 m 0