合理选择关键参数提高液压再生制动能量回收率-数控机床市场网

合理选择关键参数提高液压再生制动能量回收率

2017-8-10 来源：齐鲁工业大学机械与汽车工程学院作者：朱腾路玉峰高欢欢姚念猛

摘要:针对半挂车制动器磨损严重、能量损耗等问题，对半挂车的再生制动系统进行了研究，提出了液压蓄能器式再生制动系统。通过建立仿真模型，并针对制动与驱动工况建立数学模型，分析蓄能器容积与预充压力、泵/马达排量对液压再生制动系统的影响。研究结果表明，增大泵/马达排量，能提升制动能量回收效率; 制动能量回收效率随着蓄能器的容积大小而不同; 蓄能器预充压力增大，制动距离短，但不利于制动能量的回收与驱动位移的增加。再生制动系统能增加半挂车的行驶位移，提高燃油经济性，为液压混合动力研究提供了参考。

关键词:半挂车; 制动能量回收; 制动; 驱动; 仿真

引言

半挂车因运输生产率高、营运成本低、经济的特点而广泛应用于长途运输，传统半挂车在制动时，利用制动装置以摩擦方式消耗车辆动能达到制动目的，这既磨损制动器又造成了能量浪费，因此制动能量再生系统应运而生［。目前，国外研究开发的制动能量再生系统从有多种能量回收形式，有电能量回收、液压能量回收等。液压混合动力作为混合动力研究的支柱之一，已成为国内外相关机构研究重点。其中澳大利亚 Permo-Drive 公司将液压再生制动系统应用在城市垃圾车和重型卡车; 上海神州研发的液压混合动力公交车节油率提高一倍。

制动能量再生，是指根据车辆制动状况将制动动能高效存储于储能装置内，在车辆启动或加速时推动车辆前进，避免这部分动能消耗于制动器和轮毂间，既提高车辆的燃油经济性，又减少了发动机的废气排放和噪声。以某重型半挂车为原型，针对液压蓄能器式制动能量再生系统的组成、工作原理进行分析，以蓄能器容积与预充压力、泵/马达排量为变量模拟半挂车纯再生制动工况，在制动的基础上仿真半挂车的驱动工况，探讨半挂车制动能量回收效率，为液压混合动力车辆的研究提供借鉴。

1 .再生制动系统工作原理

再生制动系统括液压蓄能器、可逆元件泵/马达、离合器、车辆模型和信号元件，基本结构如图 1 所示。汽车在某速度下开始制动，泵/马达离合器 1 接合，汽车惯性力驱动泵/马达( 作为泵工作) ，经过电磁阀的左位向蓄能器中存储能量，把车辆的动能转化为液压能; 当汽车起步或加速时，蓄能器中的高压油流经电磁阀右位、泵/马达( 作为马达工作) ，产生汽车起步加速所需要转矩，推动汽车前进，实现能量转化。

图 1 液压再生制动系统结构图

2. 能量回收系统的分析

2． 1 制动能量回收过程

假设半挂车在水平路面上直线行驶，则制动过程中的平衡方程为:

由式( 4) 可知，汽车的制动转矩 Tv受液压泵/马达压力 Δp、排量 qt和传动比 i 影响。当汽车模型确定，传动比 i 和效率 η 固定不变; 如果排量 qt也固定不变，汽车的制动力矩随工作压力的增加而增大。由式( 5) 知，当汽车的制动转矩为最大值，工作压力为最小值时，液压泵/马达的排量为最大。

皮囊式蓄能器因惯性小、油气隔离性能好、比容大、反应灵敏等特点而受到广泛青睐。

根据波义耳定律有:

蓄能器的容积为:

2． 2 制动能量释放过程

所谓能量释放指半挂车在起步或加速时，制动能量回收系统作为主动力系统或辅助系统驱动半挂车前进，把蓄能器中存储的液压能转为半挂车所需的动能过程。半挂车起步加速时，依靠液压蓄能器上一阶段存储的能量作为半挂车起步时的动力，提升了半挂车的动力性能，又间接减少了发动机的燃油消耗量，假设半挂车在平直路面行驶，则驱动平衡方程为:

半挂车的综合能量回收效率是指制动过程中存储在蓄能器内最终转化为驱动车辆的动能占制动初始时车辆动能的比例，即:

式中: Qs为百公里燃油消耗量，L/100 km; pp / m为液压泵/马达提供的功率，k W; γ 为燃油重度，柴油机为7. 94 ～ 8． 13 N / L; b 为对应于发动机某一功率下的燃油消耗率，g /k W·h。

3 .能量回收与单独驱动的分析

为了验证能量再生系统的制动性能与动力性能，以某型号半挂车为原型，主要仿真参数如表 1 所示。

3． 1 制动能量回收分析

能量回收仿真主要针对半挂车在 30 km/h ( 即8. 33 m / s) 的速度下，单独使用再生制动系统对半挂车制动，直至车速为零，探究泵/马达排量、蓄能器的容积与预充压力对能量回收的影响。仿真中半挂车匀速行驶，当制动开始时，控制电磁阀工作在左位，离合器 1结合，离合器 2 分离，以泵/马达的不同排量和不同的蓄能器容积即 40 L、50 L、60 L、70 L、80 L 为相对变量观察半挂车的动能

、位移、蓄能器压力情况，如表 2 ～表 4 所示。

从表 2、表 3 得，蓄能器回收的能量随泵/马达的排量增大而增加，位移与之相反，半挂车的制动性能提升; 而蓄能器容积增大带来了动能的下降，位移的增加，使半挂车制动效果变差，不利于半挂车的制动。

图 2 不同的泵/马达排量下制动过程参数变化曲线

从表 4 得，当蓄能器的容积较小时，液压系统会迅速达到极限工作压力，溢流阀出现卸荷，表明蓄能器单位升压幅值较高，冲击较大，蓄能器的寿命缩短，液压系统稳定性较差; 而蓄能器的容积较大时，导致内部绝对压力变小，单位升压幅值较小，同时随排量增大蓄能器压力增加，但增幅较小。

综合来说，泵/马达排量越大，制动效果越好，制动时间和制动距离缩短，蓄能器的压力越大，存储的能量也越大，越有利于制动能量回收。蓄能器容积对能量回收影响相对复杂，蓄能器容积越小，压力迅速达到极限值，以最大制动转矩制动车辆，半挂车的位移越小，能量越高，但是对能量回收系统有更大的损耗; 蓄能器容积越大，带来位移增大，蓄能器的压力变小，动能回收效率降低，但有利于减少泄漏。综合考虑，半挂车选取蓄能器容积为 60 L。

以不同的泵/马达排量和预充压力为批量运行参数，观察半挂车的整车位移、速度、蓄能器的压力、制动能量回收效率或者综合制动能量回收效率变化情况，如图 2、图 3 所示。

由图 2 可知，泵 /马达的排量越大，半挂车制动时间和制动距离越短，从开始制动到车速为零，相对于泵 /马达 105 m L/r 排量的制动时间 34． 15 s 来说，分别缩短了 2． 3 s、4． 33 s、6． 13 s、7． 75 s，而制动距离分别为 147. 49 m、137. 81 m、129. 12 m、121. 28 m、114． 16 m，同样蓄能器压力越大，回收的能量效率越高，分别达到 58． 44% 、60． 17% 、61． 56% 、62． 68% 和63． 52% ，蓄能器压力的增大对半挂车的制动效果更优。

由图 3 可知，随着蓄能器预充压力的变大，车辆的制动时间和制动距离缩短，更有利于车辆的制动。但蓄能器预充压力的变大使蓄能器压力的提升幅度减小，制动回收效率低下，不利于能量回收。

3． 2 能量释放过程分析

在制动能量回收系统作为主动力系统，以半挂车上一阶段回收的制动能量单独驱动半挂车原地起步加速的情况下，分别研究泵/马达的排量与蓄能器的预充压力对整车动力性的影响，结果如图 4、图 5 所示。由图 4 可知，泵/马达的排量增大，半挂车的起步加速性能提升，加速到最大速度时的时间缩短。图4b、图 4d 中半挂车的速度和综合能量回收效率因蓄能器内动能释放完毕，导致车速和制动能量综合回收率在制高点后下滑更迅速，基于此只讨论车速最大值时，半挂车的驱动过程位移和能量综合回收效率。相比于105 m L / r 排量的位移 151． 94 m，排量越大，越不利于车辆位移的提升，位移减少了 10． 96 m、17． 05 m、26. 23 m、34． 85 m，但制动能量综合回收率却稳步上升。