城市公交車節(jié)能減排能力分析設(shè)計(jì)--制動能量回收系統(tǒng)

城市公交車節(jié)能減排能力分析設(shè)計(jì)--制動能量回收系統(tǒng),城市公交車節(jié)能減排能力分析設(shè)計(jì),制動能量回收系統(tǒng),城市,公交車,節(jié)能,能力,分析,設(shè)計(jì),制動,能量,回收,系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目： 城市公交車節(jié)能減排能力的分析—制動能量回收系統(tǒng) 學(xué)號：2008963308 姓名： 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、熟悉和掌握液壓蓄能器工作原理及設(shè)計(jì)參數(shù)； 2、總結(jié)和撰寫設(shè)計(jì)說明書一份； 3、CAD制圖，一張AO裝配圖紙及其零件圖，共計(jì)2張A0圖量； 4、翻譯外文相關(guān)資料一份（3000字?jǐn)?shù)以上）； 二、重點(diǎn)研究的問題 液壓蓄能器設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。 三、進(jìn)度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間 1 熟悉課題及基礎(chǔ)資料 第一周 2 調(diào)研及收集資料 第二周 3 方案設(shè)計(jì)與討論 第三～四周 4 液壓蓄能器各部分參數(shù)的計(jì)算 第五～八周 5 CAD軟件的學(xué)習(xí) 第九周 6 CAD制圖 第十周 7 撰寫說明書 第十一周 8 英文文獻(xiàn)翻譯，答辯 第十二周 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) （1）揚(yáng)立忠，楊鈞錫。新能源技術(shù)——跨世紀(jì)國民經(jīng)濟(jì)的動力，北京：孛國科學(xué)技術(shù)出版社，1994． （2）蔣曉夏，劉慶和．具有能量回收與重新利用的二次調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)．工程機(jī)械．1992。 （3）廖抒華．汽車技術(shù)開發(fā)與環(huán)境保護(hù)．環(huán)境保護(hù)，1999，(4)：31-34． 張鐵柱．城市用車輛新型節(jié)能動力傳動系統(tǒng)研究[搏士學(xué)位論文]．吉襪工業(yè)大學(xué)，1991． （4）胡驊，宋慧．電動汽車．北京：人民交通出版社，2003． (5)竇一兵。蓄能器在汽車液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用．液壓氣動與密封，1999，(4)：29-32。 (6)李永堂，雷步芳，高雨茁．液壓系統(tǒng)建模與仿真．北京：冶金工業(yè)出版社，2003． (7)薛定字，陳陽泉．基于Matlab／Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社。 (8)張鐵柱．城市用車輛新型節(jié)能動力傳動系統(tǒng)研究[搏士學(xué)位論文]．吉襪工業(yè)大學(xué)，1991． （9）Peter Romilly．Substitution of Bus for Car Travel in Urban Britain：an Economic Evaluation of Bus and Car Exhaust Emission and Other Costs，Transportation Research Part D：Transport and Environment ，1999，4（3）. (10)任國軍。公共汽車制動能量再生的液壓儲能技術(shù)研究。山東理工大學(xué)：載運(yùn)王具運(yùn)用工程，2006 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目：關(guān)于提高城市公交車節(jié)能減排能力的分析 ——制動能量回收系統(tǒng) 學(xué) 院：xxxx 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2012年5月30日 目錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的意義 3 1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 3 第2章 能量回收制動系統(tǒng) 4 2.1 能量回收制動系統(tǒng)概述 4 2.3 車輛制動能量回收技術(shù)簡介 5 2.3.1飛輪儲能 6 2.3.2 蓄電池儲能 7 2.3.3 液壓儲能 8 2.4 液壓儲能技術(shù)在制動能量回收中的應(yīng)用情況 9 2.4.1力士樂二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動系統(tǒng) 9 2.4.2 驅(qū)動系統(tǒng) 10 2.4.3.CPS系統(tǒng) 11 第3章 WG6930EH公共汽車能量回收系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 13 3.1 WG6930EH公共汽車相關(guān)技術(shù)參數(shù) 13 3.2 能量回收系統(tǒng)的總體方案選擇及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵 14 3．2．1能量回收系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 14 3.1.2 能量回收系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵 16 3. 3 能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制策略 17 3. 3. 1能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.3.2 系統(tǒng)工作過程分析 18 3.3.3 系統(tǒng)控制策略 19 第4章 能量回收系統(tǒng)及裝置的設(shè)計(jì) 20 4.l 液壓系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)選擇與原理 20 4.l.1液壓系統(tǒng)的功能 20 4.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案選擇 21 4.1.3 液壓系統(tǒng)工作原理 21 4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算 23 4.2.1蓄能器有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 23 4.2.2 變量泵馬達(dá)的計(jì)算 30 4.3 泵／馬達(dá)離合器的設(shè)計(jì)與選擇 31 離合器結(jié)構(gòu)型式的選擇 32 4.4 能量回收過程的系統(tǒng)工作性能分析 32 4.5 燃油消耗分析 35 第5章 結(jié)論與展望 41 參考文獻(xiàn) 42 摘 要 目前，減少車輛的油料消耗和廢氣排放是車輛節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的一個(gè)迫切問題。本文針對城市公交車節(jié)能減排主要進(jìn)行了能量回收系統(tǒng)的研究，以期在確保在制動安全的前提下，使車輛制動過程中的動能充分吸收和儲存，并在起步加速過程中充分釋放，形成車輛行駛的動力，從而達(dá)到節(jié)能和改善車輛排放性能的目的。本系統(tǒng)由液壓技術(shù)，傳動技術(shù)，控制技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)車輛的低油耗，低排放，并有效提高車輛的動力性能，實(shí)現(xiàn)由汽車節(jié)能環(huán)保的重要途徑。在分析城市公交車特殊運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，本文對現(xiàn)有的各種儲能方案進(jìn)行綜合對比，并介紹了液壓儲能技術(shù)在制動能量回收中的應(yīng)用情況，確定了采用液壓儲能技術(shù)，并聯(lián)式驅(qū)動的系統(tǒng)整體方案。 在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用皮囊式液壓蓄能器作為能量儲存裝置，變量泵/馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速的要求。在對車輛制動過程動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，確定了液壓系統(tǒng)的主要工作參數(shù)。通過對液壓系統(tǒng)工作性能進(jìn)行仿真分析可知，參數(shù)選取合理，可以滿足常規(guī)制動及輔助車輛起步加速的需要。 本文針對能量再生系統(tǒng)與原動力系統(tǒng)之間采用并聯(lián)驅(qū)動方式的特點(diǎn)，結(jié)合具體的車型，進(jìn)行了泵/馬達(dá)離合器的設(shè)計(jì)。該裝置采用液壓離合器進(jìn)行動力傳遞，提高了系統(tǒng)的可控性和可靠性。 本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是去循環(huán)工況，分析比較了傳統(tǒng)車輛與節(jié)能車輛在一個(gè)循環(huán)工況上的耗油量，通過仿真得出能量回收系統(tǒng)的技能效果。 本文最后從離合器的改進(jìn)和汽車滑行兩個(gè)方面簡單介紹了其節(jié)能效果。關(guān)鍵詞：公共汽車，節(jié)能，制動能量回收，液壓蓄能器 Abstract Today it becomes very urgent problems to reduce fuel consumption and exhaust gases from road vehicles for enviromental protection．In this paper，the braking energy regeneration system of city bus is studied．By using the energy regeneration technology，the kinetic energy generated during braking is recovered and then released when the bus spee&up．In this way，the city bus can reduce fuel consumption and the associated emissions．The low oil consumption and lowbleeder of vehicle are achieved by using of transmission，hydraulie power control and the compound drive system works hamoniously with engine to raise the motive capability effectively．It is the important way of saving energy and environmental protection for automobile． By analyzing the special driving cycle of city bus and comparing with different type of regenerative schemes，this paper introduced the using of hydraulic energy storage in the braking energy regeneration system and proposed a system scheme which is using the hydraulic energy storage and parallel connection driving techniques． The hydraulic system uses the bladder hydraulic accumulator and the pump／motor as the energy storage and transformation part，So it has compact structure and the rapid reaction．On the basic of the dynamics analysis to the braking process，the parameters only draulic system are figured out.Through simulation，the performance of hydraulic system is demonstrated．The results show that the energy regeneration system is effective to improve the fuel economy of city bus． Based on the parallel connection-driving structure and the given vehicle，the power-train of this system which includes hydraulic clutch is designed．So the controllability and reliability of the system are improved． According to national standard(GB／T183886—’2001)：circulation driving patterns of city，this paper analyzed the fuel consumption of conventional vehicle and energy savingvehicle on one circulation driving patterns by usingof MATLAB． At last，this paper introduced the energy saving effect of improving the disign of clutch and vehicle skiding． Key words：City bus，Saving energy，Regenerative braking energy，Hydraulic accumulat I 城市公交車節(jié)能減排—制動能量回收系統(tǒng) 第1章 緒 論 隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口越來越多，隨之帶來的交通壓力也越來越大，環(huán)境問題也越來越嚴(yán)峻。目前，減少車輛的油料消耗和廢氣排放量是車輛節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的一個(gè)迫切問題。本文針對城市公共汽車節(jié)能減排主要進(jìn)行了能量回收系統(tǒng)的研究，以期在確保制動安全性的前提下，使車輛制動過程中的動能充分吸收和儲存，并在起步加速過程中充分釋放，形成車輛行駛的動力，從而達(dá)到節(jié)能和改善車輛排放性能的目的。本系統(tǒng)由液壓技術(shù)、傳動技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)車輛的低油耗、低排放，并有效地提高車輛的動力性能，是現(xiàn)有汽車節(jié)能、環(huán)保的重要途徑。 在分析城市公共汽車特殊運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，本文對現(xiàn)有的各種儲能方案進(jìn)行了綜合對比，并介紹了液壓儲能技術(shù)在制動能量回收中的應(yīng)用情況，確定了采用液壓儲能技術(shù)、并聯(lián)式驅(qū)動的系統(tǒng)整體方案。 在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用皮囊式液壓蓄能器作為能量儲存裝置、變量泵/馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速的要求。在對車輛制動過程動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，確定了液壓系統(tǒng)的主要工作參數(shù)。通過對液壓系統(tǒng)工作性能進(jìn)行仿真分析可知，系統(tǒng)參數(shù)選取合理，可以滿足常規(guī)制動及輔助車輛起步加速的需要。 本文針對能量再生系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)之間采用并聯(lián)驅(qū)動方式的特點(diǎn)，結(jié)合具體車型，進(jìn)行了泵/馬達(dá)離合器的設(shè)計(jì)。該裝置釆用液壓離合器進(jìn)行動力傳遞， 提髙了系統(tǒng)的可控性和可靠性。 1.1 課題研究的背景 汽車的出現(xiàn)改變了世界，它起到了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的重要作用。但人們在享受汽車文明的同時(shí)，也必須面對汽車帶來的負(fù)面影響：環(huán)境污染和能源消耗。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源問題、環(huán)境污染已成為待解決的突出問題，"節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境"已成為各個(gè)國家的主要發(fā)展戰(zhàn)略之一。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量的與日俱增，使我國面臨汽車能源需求和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力. (1)能源問題 近年來，能源問題的陰影就籠罩著全世界。能源問題成為已成為世界各個(gè)國家共同注的焦點(diǎn)問題。自1972年第一次石油危機(jī)以來，在世界范圍內(nèi)接連發(fā)生了第二次和第三次石油危機(jī)，世界石油供應(yīng)出現(xiàn)緊缺。能源問題己成為關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈的頭等重要問題。如何有效的利用能源已成為世界科學(xué)家與工程師們普遍關(guān)注的問題。作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國是一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國。能源生產(chǎn)量僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位；基本能源消費(fèi)占世界總消費(fèi)量的l／10，僅次于美國，居世界第二位。中國又是一個(gè)以煤炭為主要能源的國家，發(fā)展經(jīng)濟(jì)與環(huán)境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為國家生活乃至全社會關(guān)注的焦點(diǎn)，日益成為中國戰(zhàn)略安全的隱患和制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。上個(gè)世紀(jì)90年代以來，中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展帶動了能源消費(fèi)量的急劇上升。自1993年起，中國由能源凈出口國變成凈進(jìn)口國，能源總消費(fèi)已大于總供給，能源需求的對外依存度迅速增大。煤炭、電力、石油和天然氣等能源在中國都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的結(jié)構(gòu)性矛盾日益成為中國能源安全所面臨的最大難題。 （2）環(huán)保問題 與能源危機(jī)伴隨而來的是環(huán)保問題。當(dāng)今世界是和平與發(fā)展的年代，在總體和平的背景下，各國經(jīng)濟(jì)情況較好，物資生活水平迅速提高?？墒?，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量人為排放的廢水廢氣、噪音、無節(jié)制地取用地下水、沒有計(jì)劃的開發(fā)資源已嚴(yán)重破壞了自然界的生態(tài)平衡，酸雨、洪澇、千早、各種罕見疾病不斷出現(xiàn)，對人們的日常生活帶來嚴(yán)重的影響，環(huán)境保護(hù)成為社會日益關(guān)注的問題。監(jiān)測表明，我國城市空氣開始呈現(xiàn)出煤煙和機(jī)動車尾氣復(fù)合污染的特點(diǎn)。一些地區(qū)灰霾、酸雨和光化學(xué)煙霧等區(qū)域性大氣污染問題頻繁發(fā)生，這些問題的產(chǎn)生都與車輛尾氣排放密切相關(guān)。同時(shí)，由于機(jī)動車大多行駛在人口密集區(qū)域，尾氣排放會直接影響群眾健康。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年，全國機(jī)動車排放污染物5226.8萬噸，其中氮氧化物599.4萬噸，碳?xì)浠衔?87.2萬噸，一氧化碳4080.4萬噸，顆粒物59.8萬噸，其中汽車排放的和超過，和超過。按汽車車型分類，全國貨車排放的和明顯高于客車，其中重型貨車是主要貢獻(xiàn)者；而客車和排放量則明顯高于貨車。按燃料分類，全國柴油車排放的接近汽車排放總量的，ＰＭ超過；而汽油車和排放量則較高，超過排放總量的。按排放標(biāo)準(zhǔn)分類，占汽車保有量的國Ｉ前標(biāo)準(zhǔn)汽車，其排放的污染物占汽車排放總量的以上；而占保有量的國Ⅲ及以上標(biāo)準(zhǔn)汽車，其排放量不到排放總量的。按環(huán)保標(biāo)志分類，僅占汽車保有量的“黃標(biāo)車”卻排放了的、的、的和的。 1.2 課題研究的意義 市區(qū)公共汽車的工作特點(diǎn)是頻繁的起步加速與換擋制動，公共汽車在頻繁制動過程中，其巨大的動能全部經(jīng)制動器的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。如果將車輛在減速制動過程中的動能通過能量回收系統(tǒng)吸收并儲存，而在車輛起步加速時(shí)再把儲存的能量釋放出來，形成驅(qū)動車輛行駛的動力，那么便可使發(fā)動機(jī)更長時(shí)間地在經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣不僅能夠有效降低汽車油耗，提高動力性，減少尾氣排放帶來的污染，還可延長汽車制動器的壽命，具有重要的實(shí)用價(jià)值。 1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 本課題從能量回收和離合器的改進(jìn)兩個(gè)方面分別對公共汽車節(jié)能減排進(jìn)行研究，本課題的研究目標(biāo)是研制一種適合公共汽車的液壓式制動能量回收系統(tǒng)，課題選用東風(fēng)揚(yáng)子江汽車有限公司生產(chǎn)的WG6930EH型公共汽車為試驗(yàn)樣機(jī)。作者主要進(jìn)行公共汽車制動能量回收系統(tǒng)計(jì)的研制與開發(fā)。采用液壓儲能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)汽車減速及制動能量回收再利用，并通過自動控制系統(tǒng)將整個(gè)系統(tǒng)中的液壓、傳動部分有機(jī)結(jié)合并與發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)工作以實(shí)現(xiàn)車輛的低油耗、低排放運(yùn)行， 同時(shí)有效地提高其動力性能。本論文主要研究內(nèi)容如下： (1)針對城市公共汽車特殊的運(yùn)行工況，進(jìn)行車輛制動能量回收與再利用系統(tǒng)的原理分析，制定系統(tǒng)方案。 (2)進(jìn)行液壓儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。 (3)針對具體車型，對車輛制動能量回收系統(tǒng)的動力傳動裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (4)利用軟件仿真分析設(shè)計(jì)幵發(fā)的能量回收系統(tǒng)的工作性能，檢驗(yàn)其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并針對城市運(yùn)行工況仿真計(jì)算其在一個(gè)循環(huán)工況上的油耗，同傳統(tǒng)車輛進(jìn)行比較，分析其節(jié)能效果。 第2章 能量回收制動系統(tǒng) 2.1 能量回收制動系統(tǒng)概述 制動能量回收是現(xiàn)代電動汽車與混合動力車重要技術(shù)之一，也是它們的重要特點(diǎn)。在一般內(nèi)燃機(jī)汽車上，當(dāng)車輛減速、制動時(shí)，車輛的運(yùn)動能量通過制動系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力車上，這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動能量已可通過制動能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂校⑦M(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。例如，當(dāng)車輛起步或加速時(shí)，需要增大驅(qū)動力時(shí)，電機(jī)驅(qū)動力成為發(fā)動機(jī)的輔助動力，使電能獲得有效應(yīng)用。一般認(rèn)為，在車輛非緊急制動的普通制動場合，約1/5的能量可以通過制動回收。制動能量回收按照混合動力的工作方式不同而有所不同。 2.2 能量回收制動系統(tǒng)的原理 汽車在正常行駛時(shí)都具有很高的動能，傳統(tǒng)汽車的這部分能量在制動時(shí)由制動器的摩擦生熱消耗掉，并且在制動過程中產(chǎn)生噪聲，縮短制動器的使用壽命。隨著汽車的起步、加速、勻速和制動等工況的相互轉(zhuǎn)換，內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常處于怠速和不穩(wěn)定工況，不但消耗燃油，而且污染嚴(yán)重。鑒于傳統(tǒng)汽車存在的諸多問題，能量回收制動系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其作為一種新型節(jié)能技術(shù)，得到了快速的發(fā)展。 —臺行駛的車輛，其發(fā)動機(jī)分配的各部分能量所占的比例是隨車輛行駛循環(huán)特性而變化的。車輛行駛過程中，按著起步、加速、勻速、制動四個(gè)工況循環(huán)交替地工作。車輛在這四個(gè)工況發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)如下： (1)起步，車輛狀態(tài)由靜到動，由于慣性載荷大(尤其對大、中型車輛)，導(dǎo)致耗油多，沖擊力大； (2)加速，發(fā)動機(jī)處于大負(fù)荷甚至超負(fù)荷狀態(tài)，燃?xì)馐覂?nèi)混合氣濃度大，且燃燒不完全現(xiàn)象加劇。導(dǎo)致耗油量大、環(huán)境噪聲與廢氣污染； (3)勻速，一般認(rèn)為此時(shí)發(fā)動機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，燃?xì)馐覂?nèi)燃油燃燒充分， 此時(shí)發(fā)動機(jī)效率最高，最節(jié)省燃油，且一氧化碳及碳?xì)浠衔锱欧抛钌伲? (4)制動，實(shí)質(zhì)上是將其在上一工況行駛中具有的機(jī)械能借助空氣阻力、道路阻力、制動器以及發(fā)動機(jī)制動予以吸收。這一工況不僅使汽車機(jī)械能被浪費(fèi)掉， 制動系統(tǒng)磨損，而且發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒及排放惡化；由上述各工況發(fā)動機(jī)狀態(tài)可知， 唯有在勻速行駛時(shí)汽車才處在最佳工作狀態(tài)，而其余三個(gè)工況都有大量的能量被浪費(fèi)并且尾氣中有害氣體含量增加。 傳統(tǒng)汽車的節(jié)能方法都是在提高發(fā)動機(jī)的效率、減少阻礙運(yùn)動的因素上努力，而在很大程度上車輛的制動能量至今仍然還是一個(gè)未開發(fā)的能源。因此，目前節(jié)能減排最有效的手段就是對其制動能量進(jìn)行回收再利用，這就要從汽車的 (1)、(2)、(4) 三個(gè)工作狀態(tài)入手，最大限度的使用發(fā)動機(jī)提供的功率，達(dá)到理想的節(jié)能減排效果。 2.3 車輛制動能量回收技術(shù)簡介 帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛混和動力驅(qū)動系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機(jī)和儲能元件兩個(gè)動力源組成，它可以充分利用兩種動力源的優(yōu)點(diǎn)，通過自動控制形成最優(yōu)匹配，其中儲能元件用于吸收車輛減速時(shí)的慣性能量，并能將它傳輸給傳動系統(tǒng)供附件使用或用于協(xié)助驅(qū)動車輛。按照儲能元件型式的不同，制動能量回收系統(tǒng)大致可以分為飛輪儲能、蓄電池儲能、液壓儲能三種。它們所具有的傳遞形式如圖2-1所示，其中轉(zhuǎn)換器根據(jù)儲能元件型式的不同可以分為無級變速器、電動機(jī)、液壓泵/馬達(dá)等。 2.3.1飛輪儲能 飛輪儲能是以慣性能（動能)的方式，將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。當(dāng)車輛制動時(shí)，飛輪儲能系統(tǒng)使飛輪加速，將車身的慣性動能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能。當(dāng)車輛需起動或加速時(shí)，飛輪減速，釋放本身旋轉(zhuǎn)動能給車身。 使用飛輪儲能的混和動力驅(qū)動系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、髙速儲能飛輪、增速齒輪、離合器、變速器和驅(qū)動橋組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示"氣發(fā)動機(jī)用來提供驅(qū)動汽車的主要?jiǎng)恿Γ{速儲能飛輪用來回收制動能量以及作為負(fù)荷平衡裝置為發(fā)動機(jī)提供輔助動力來滿足峰值功率要求。 飛輪儲能由于只有機(jī)械能間的相互轉(zhuǎn)換，因此能量傳遞效率高，能量損耗相應(yīng)較小，飛輪儲能的主要缺點(diǎn)是抗震性能差，平穩(wěn)性不好，噪聲大，對工作環(huán)境要求高。 2.3.2 蓄電池儲能 蓄電池儲能以電能方式儲存能量。系統(tǒng)以具有可逆作用的發(fā)電機(jī)/電動機(jī)實(shí)現(xiàn)蓄電池中的電能和車輛動能之間的轉(zhuǎn)化。在車輛制動時(shí)，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)以發(fā)電機(jī)形式工作，車輛行駛的動能帶動發(fā)電機(jī)將車輛動能轉(zhuǎn)化為電池中；在車輛起動或加速吋，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)以電動機(jī)形式工作，將儲存在蓄電池中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動車輛。裝備蓄電池儲能系統(tǒng)的汽車稱為混合能并儲存在蓄電動力電動汽車，其原理如圖2-3所示，車輛在行駛時(shí)主要使用發(fā)動機(jī)的動力，電力驅(qū)動系統(tǒng)只是用于低速時(shí)驅(qū)動，或者用于需要大功率的場合。這種車輛在市區(qū)行駛條件下可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)30% 以上。 蓄電池儲能的功率密度低，充放電頻率小，不能迅速轉(zhuǎn)化吸收大量功率，而車輛在制動或起動時(shí)，需要迅速釋放或得到大量功率，這使蓄電池儲能受到很大限制。近幾年以來，各國技術(shù)人員都在加緊研制大容量高性能電池，為蓄電池儲能提供應(yīng)用基礎(chǔ)。 2.3.3 液壓儲能 液壓儲能以液壓能的方式儲存能量。系統(tǒng)由一個(gè)具有可逆作用的泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)蓄能器中的液壓能與車輛動能之間的轉(zhuǎn)化，即在車輛制動時(shí)，儲能系統(tǒng)將泵/馬達(dá)以泵的形式工作，車輛行駛的動能帶動泵旋轉(zhuǎn)，將高壓油壓入蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動能到液壓能的轉(zhuǎn)化；在車輛起動或加速時(shí)，儲能系統(tǒng)再將泵/馬達(dá)以馬達(dá)的形式工作，高壓油從蓄能器中流出，帶動馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)液壓能到車輛動能的轉(zhuǎn)化。液壓儲能的優(yōu)點(diǎn)是的功率密度較大，能量保存時(shí)間較長，各個(gè)部件制造技術(shù)成熟，工作性能可靠；缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)的壓力高，系統(tǒng)的密封性能要求較高，并且液壓系統(tǒng)體積龐大，只適合在大型公共汽車上布置。 表2-1 三種蓄能方案比較 比較項(xiàng)目 飛輪 液壓蓄能器 蓄電池 能量密度() 4～20（鋼）4～50（復(fù)合材料） 6～40 20～40(鉛酸電池）20～100（新蓄電池） 功率密度（） + ++ - 儲能效率（短時(shí)間） + + ++ 儲能效率（長時(shí)間） - ++ 0 能量轉(zhuǎn)換效率 + - - 系統(tǒng)使用壽命 ++ ++ -- 長時(shí)間保存能量 -- ++ ++ 可靠性 + + - 維護(hù)性 + + _ 生產(chǎn)成本 + - -- 注：++（優(yōu)秀）；+（好）；0（中等）；-（差）；--（很差）。 以上三種儲能方式根據(jù)各自不同的特點(diǎn)有不同的適用范圍。能量密度與功率密度是衡量儲能元件性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。高的能量密度使汽車的后備能量充足，大的功率密度使汽車能迅速而充分地儲存和利用汽車的慣性能量。由表2-1可知，液壓蓄能器的功率密度最高，適用于負(fù)載變化頻繁的傳動系：飛輪功率密度和能量密度適中，可用于負(fù)載幅度變化不大的傳動系；蓄電池盡管能量密度很大，但功率密度太低液壓儲能的能量密度相比飛輪儲能，不利于負(fù)載頻繁變化的傳動系進(jìn)行能量回收和利用。與蓄電池儲能都小，但液壓儲能方式在三者中具有最大的功率密度，能在車輛起步和加速時(shí)提供給車輛所需要的大扭矩。同時(shí)，液壓儲能可較長時(shí)間儲能，各個(gè)部件技術(shù)成熟，工作可靠，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度小，便于實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用。本文的研究對象是城市公交汽車，屬大型客車，慣性阻力大，對驅(qū)動系統(tǒng)的動力性能要求較高。因此，釆用液壓儲能的驅(qū)動系統(tǒng)是較為理想的。 2.4 液壓儲能技術(shù)在制動能量回收中的應(yīng)用情況 德國M.A.N公司、瑞典Volvo公司和日本Mitsubishi公司都曾開發(fā)過使用液壓儲能車輛混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，經(jīng)對樣車測試表明：系統(tǒng)可行，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高25%~30%目前，這種系統(tǒng)己成功的在歐洲和北美多個(gè)城市的公共汽車上得到實(shí)現(xiàn)。 2.4.1力士樂二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動系統(tǒng) 二次調(diào)節(jié)靜液傳動是由德國漢堡國防工業(yè)大學(xué)H．W．Nikolaus于1977年提出的新型液壓傳動技術(shù)。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種接在定壓網(wǎng)絡(luò)中的由變量液壓馬達(dá)和蓄能器組成的傳動系統(tǒng),對二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)進(jìn)行研究的主要目的是對制動過程中的能量進(jìn)行回收和重新利用，并且從宏觀的角度對靜液傳動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的配置以及改善其控制特性。另外，由于二次元件工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)， 通過調(diào)節(jié)二次元件的斜盤傾角可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出扭矩、功率及轉(zhuǎn)速，因而，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)不同參數(shù)的控制，這為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。 圖24力士樂二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 1—發(fā)動機(jī)：2—一次元件；3—液壓蓄能器：4—二次元件：5—汽車后橋 德國 公司早在1978年就從事液壓公共汽車的研制工作。，R．E等1997年在力士樂季刊(RIQ)上發(fā)表文章介紹了為老式公共汽車配置力士樂驅(qū)動裝置的研究工作。在公共汽車上配備二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)后的節(jié)能效果相當(dāng)顯著。經(jīng)過改造后的市內(nèi)公共汽車由一臺軸向柱塞單元A4VSO250DS21來驅(qū)動，如圖2-4所示。它在滿載啟動時(shí)能給出大約180KW的功率，由此可使汽車在20s內(nèi)加速到它的最大速度50km/h.而發(fā)動機(jī)的功率卻只有30kw，其150 kw的差值是從液壓蓄能器中獲得的。液壓蓄能器的充壓是在制動過程中進(jìn)行的，在這個(gè)過程中二次元件作為泵來工作。同一般的公共汽車傳動系統(tǒng)比較，這種帶能量回收的無級傳動裝置對頻繁剎車不敏感。另外由于液壓功率傳遞部分僅占總傳動功率的一小部分，故傳動系統(tǒng)的總效率非常高。 2.4.2 驅(qū)動系統(tǒng) 瑞典Volvo汽車公司從1995年起就開始從事節(jié)能汽車的研究工作,并于1997年研制成功了液壓儲能式公共汽車。圖2-5所示的驅(qū)動系統(tǒng)是一種典型的并聯(lián)式液壓儲能混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，這種公共汽車的傳動軸同時(shí)與發(fā)動機(jī)和液壓泵/馬達(dá)相連。當(dāng)公共汽車制動時(shí)，傳動軸就驅(qū)動液壓泵，將備罐中的油液泵入一個(gè)壓縮器，壓縮器隨即將氮?dú)鈮喝雰蓚€(gè)髙壓容器中；當(dāng)汽車重新發(fā)動時(shí)，壓縮氣體被釋放回原系統(tǒng)驅(qū)動汽車。當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)發(fā)動起來時(shí)，車速一般可達(dá)30 kw/h-40km/h。這種公共汽車對每公里4站到5站的城市公交路線，可節(jié)省燃料約30%，廢氣的排放量減少了30%，汽車加速離開車站時(shí)的噪音降低，發(fā)動機(jī)、傳動部件和摩擦制動部件的工作時(shí)間減少，降低了損耗。該系統(tǒng)具有效率高、能量損失小等特點(diǎn)，并且由于系統(tǒng)不改變原車的傳動裝置，使其在液壓系統(tǒng)不工作時(shí)可以獲得與原車相同的動力特性。 圖2-5 并聯(lián)式動力驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 A-液壓泵／馬達(dá)；B一鏈傳動裝置；C蓄能器；D--油箱；E一電控單元;1一加速信號；2一制動信號；3一發(fā)動枧控制；4一變速器檔位控制；5一泵／馬達(dá)控制；6-液壓潤控制 2.4.3.CPS系統(tǒng) 日本自上世紀(jì)80年代以來便開始對汽車節(jié)能及能量回收驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行研究，近年來開發(fā)了一種定壓力源系統(tǒng)(CPS—Constant pressure System)和適用的液力平衡式(FFC—Fluid Force Couple)液壓泵乂馬達(dá)(如圖2-6）。有幾家汽車制造公司生產(chǎn)了CPS公交汽車，在東京等3個(gè)城市運(yùn)營，尾氣排放和燃油費(fèi)用各降低了 20%以上。CPS系統(tǒng)工作原理如圖2-6所示，CPS驅(qū)動系統(tǒng)主要由3個(gè)釆用FFC結(jié)構(gòu)的液壓泵/馬達(dá)以及飛輪、蓄能器、壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組成。發(fā)動機(jī)1帶動泵/馬達(dá)2， 通過單向閥3向系統(tǒng)供油，泵馬達(dá)5與壓力補(bǔ)償器4相連，蓄能器8有助于系統(tǒng)保持恒定的壓力狀態(tài)。驅(qū)動泵7馬達(dá)9帶動車輪10轉(zhuǎn)動，驅(qū)動車輛行駛。 當(dāng)汽車加速行駛時(shí)，驅(qū)動軸上的變量泵義馬達(dá)9作為馬達(dá)工作，消耗壓力油而使系統(tǒng)壓力降低，此時(shí)將由蓄能器8和高速旋轉(zhuǎn)的飛輪7為系統(tǒng)提供動力。通過與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)5作為泵工作給系統(tǒng)補(bǔ)充壓力油，使系統(tǒng)的油壓維持在某一壓力水平。當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速下降到所容許的下限值時(shí)，飛輪不再給系統(tǒng)提供動力，此時(shí)應(yīng)起動發(fā)動機(jī)至最大動力，給液壓系統(tǒng)提供動力，與發(fā)動機(jī)相連的變量泵7馬達(dá)2作為泵工作給系統(tǒng)提供壓力油，使系統(tǒng)的油壓上升。此時(shí)，一方面通過與飛輪相連的變量泵7馬達(dá)5作為馬達(dá)工作為飛輪提供動力，直至飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到所規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速，將能量儲存起來；另一方面保證系統(tǒng)壓力的基本恒定。然后使發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行，再繼續(xù)由飛輪給液壓系統(tǒng)提供所必須的動力，因此， 飛輪在CPS中起著一個(gè)定壓動力源的作用。 汽車在減速行駛時(shí)，驅(qū)動輪上的變量泵/馬達(dá)9作為泵工作，回收汽車行駛時(shí)的能量，使系統(tǒng)的油壓上升，通過與飛輪相連的變量泵/馬達(dá)5作為馬達(dá)工作使飛輪的動能增加而儲存起來，以供汽車起動或加速時(shí)使用。此時(shí)，發(fā)動機(jī)及與它相連的變量泵/馬達(dá)2處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)汽車行駛的能量較大，或汽車下長坡制動時(shí)，驅(qū)動輪上的變量泵/馬達(dá)作為泵工作時(shí)給系統(tǒng)提供的能量超過飛輪所設(shè)置的最大動能時(shí)，為了保證系統(tǒng)壓力的恒定及飛輪的最大動能不超過所規(guī)定的上限值，可通過安全閥來實(shí)現(xiàn)，將剩余的能量釋放掉。 CPS驅(qū)動系統(tǒng)不需要齒輪變速箱，壓力補(bǔ)償器能夠自動地調(diào)節(jié)利用飛輪7 的動能。飛輪的能量密度及利用效率比蓄電池及單獨(dú)的液壓蓄能器都高，在低速下以一定的轉(zhuǎn)矩間斷地運(yùn)行時(shí)，汽車的燃料消耗和尾氣排放大大減低，行駛平穩(wěn)性得以提髙。但是，由于在傳統(tǒng)的機(jī)械傳動式汽車底盤上，其空間不大，較大體積的蓄能器、飛輪和減速裝置以及該結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性限制了在其它汽車上的應(yīng)用。 通過以上分析，力士樂二次靜液驅(qū)動能量回收系統(tǒng)效率很髙，但這種帶能量回收的無級傳動裝置對頻繁剎車不敏感；CPS驅(qū)動系統(tǒng)能量回收率高，燃油經(jīng)濟(jì)性好，行駛平穩(wěn)性也有很大提高，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本高。綜合考慮， 本課題制動能量回收系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)參考并聯(lián)式動力驅(qū)動系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)并作出一些改進(jìn)。該驅(qū)動系統(tǒng)具有能量回收率高，降低了發(fā)動機(jī)、傳動部件和摩擦制動部件損耗，且不需要改變原車的傳動裝置等優(yōu)點(diǎn)。 第3章 WG6930EH公共汽車能量回收系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 3.1 WG6930EH公共汽車相關(guān)技術(shù)參數(shù) 本研究課題是對現(xiàn)運(yùn)行車輛和在生產(chǎn)車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，因此，對能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮在原車上安裝的可能性。本課題選用東風(fēng)揚(yáng)子江汽車有限公司生產(chǎn)的WG6930EH為安裝制動能量再生系統(tǒng)的對象。表3-1為該公共汽車整車 及發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。 要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉(zhuǎn)換元件、儲能元件及其輔件，同時(shí)還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉(zhuǎn)換元件、儲能元件及其輔件，同時(shí)還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)。要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉(zhuǎn)換元件、儲能元件及其輔件，同時(shí)還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2 能量回收系統(tǒng)的總體方案選擇及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵 3．2．1能量回收系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 采用液壓儲能的驅(qū)動系統(tǒng)按其動力傳動元件的布置方式不同，可分為兩種類型：一種是基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)，如圖3-1所示；另一種是基于靜液傳動結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)，如圖3-2所示。 圖3-2基于靜液傳動結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)由兩套動力系統(tǒng)組成：第一路為發(fā)動機(jī)的動力通過離合器傳遞至傳動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)完全一致；第二路為液壓驅(qū)動系統(tǒng)，能量經(jīng)由蓄能器、液壓泵／馬達(dá)、傳動軸傳遞。這兩套動力系統(tǒng)既可單獨(dú)使用，也可以同 時(shí)使用。在一般路面上行駛時(shí)，駕駛員剩用發(fā)動機(jī)作為動力來駕駛汽車，如遙爬坡或加速等情況，則可借助液壓驅(qū)動系統(tǒng)，采用雙動力系統(tǒng)共間驅(qū)動汽車。串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓蓄熊器、液壓泵／馬達(dá)以及汽車的傳動系統(tǒng)組成。發(fā)動機(jī)帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的液壓能一部分直接驅(qū)動液壓馬達(dá)，另一部分則可儲存到蓄能器中，在汽車加速或其它工況下使用。由于發(fā)動機(jī)與車輪間沒有直接的機(jī)械連接，發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)控制是獨(dú)立的，因此可以使發(fā)動機(jī)工作在效率和排放最佳的工況下，從而獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。這種布置具有結(jié)構(gòu)簡單、布置方便的特點(diǎn)。但是，由于經(jīng)過了發(fā)動機(jī)一液壓泵一液壓馬達(dá)間的多次能量轉(zhuǎn)換，這種系統(tǒng)的能量利用率較低。 并聯(lián)式系統(tǒng)與串聯(lián)式系統(tǒng)相比，具有效率高、能量損失小等特點(diǎn)，并且由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)不改變原車的傳動裝置，使其在液壓系統(tǒng)不工作時(shí)可以獲得與原車相同的動力特性。 綜上分析，本系統(tǒng)總體方案采用并聯(lián)式驅(qū)動、液壓儲能的制動能量再生系統(tǒng)， 其組成包括傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。傳動系統(tǒng)仍使用原車的傳動系統(tǒng)，以使改裝后的汽車仍能保持原來的動力性能；液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車制動能量的回收和再利用，在汽車起步、加速和爬坡時(shí)，協(xié)助發(fā)動機(jī)克服短時(shí)間的大負(fù)荷或超負(fù)荷工況，盡可能使其更長時(shí)間地工作在經(jīng)濟(jì)工況；控制系統(tǒng)用來協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 3.1.2 能量回收系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵 1、提高能量轉(zhuǎn)化率 制動能量再生系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)具有合理的能量回收率以及轉(zhuǎn)化率。若能量回收率過小，會使車輛制動時(shí)損失的機(jī)械能不能充分回收，又會造成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本太高，導(dǎo)致其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不良的實(shí)際運(yùn)行工況，綜合考慮車輛制動和起步加速時(shí)的要求，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的工作效率。 2、能量回收系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)的合理匹配 制動能量回收系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)之間的匹配問題涉及到系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制策略的選擇，是能量回收系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵因素，在車輛制動或正常行駛時(shí)，能量回收智能控制系統(tǒng)應(yīng)保證兩套動力系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行而不相互干擾；當(dāng)車輛在起步、加速、爬坡等大負(fù)荷工況時(shí)，能量再生系統(tǒng)應(yīng)與發(fā)動機(jī)進(jìn)行動力匹配后，協(xié)助發(fā)動機(jī)克服短時(shí)間的大負(fù)荷工況，盡可能使其更長時(shí)間地工作在經(jīng)濟(jì)工況。 3、能量回收動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 從液壓儲能系統(tǒng)到驅(qū)動橋之間的動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括確定泵/馬達(dá)附加傳動比、提高系統(tǒng)傳動效率以及對泵/馬達(dá)離合器進(jìn)行自動控制等問題。在設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)充分考慮車輛的實(shí)際布置空間，在滿足整個(gè)系統(tǒng)工作性能的前提下，提高傳動系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。 3. 3 能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制策略 3. 3. 1能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車輛制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下所示。 1．發(fā)動機(jī)；2．主離合器；3．傳動裝置；4．動力接口；5．驅(qū)動橋；6-電控單元；7．制動踏板；8．加速踏板；9．泵／馬達(dá)離合器；10-油箱；11單向閥；12．低壓蓄能器；13．泵，馬達(dá)；14.過濾器；15．電液換向閥；l6高壓蓄能器；17.壓力計(jì)；18．節(jié)流閥；19．二位二通電磁換向閥；20-溢流閥； 制動能量再生系統(tǒng)能量的回收與釋放通過可逆的液壓泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)。液壓泵/ 馬達(dá)在回收能量時(shí)作為油泵，在釋放能量時(shí)作為馬達(dá)，其能量回收與釋放功能轉(zhuǎn)換由換向閥及其相應(yīng)的輔助裝置實(shí)現(xiàn)，并受電控單元控制。電控單元接受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、車輛運(yùn)行狀況及駕駛員操作意圖等相關(guān)信號，綜合處理后對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 回收的能量以液壓能的形式存儲于蓄能器中，在能量釋放過程中，儲存的液壓能由馬達(dá)經(jīng)動力傳動裝置協(xié)同發(fā)動機(jī)驅(qū)動汽車工作。為了消除回收能量時(shí)發(fā)動機(jī)起制動作用而使能量不能充分回收再利用，方案設(shè)置了車輛的傳動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)間的電控液動離合裝置。該裝置在能量回收時(shí)將發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)間動力傳遞切斷，從而消除了減速制動過程中發(fā)動機(jī)起制動作用而使儲能裝置不能充分發(fā)揮作用的現(xiàn)象。 3.3.2 系統(tǒng)工作過程分析 1、制動能量回收過程 汽車開始制動時(shí)，司機(jī)踩動制動踏板和主離合器踏板，此時(shí)汽車主離合器斷開，由于車輛的慣性而產(chǎn)生的負(fù)載力矩驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)，使其轉(zhuǎn)化為泵工況工作，所產(chǎn)生的高壓液壓油通過液壓閥進(jìn)入高壓蓄能器。這樣就把汽車制動時(shí)的動能轉(zhuǎn)換成液壓能儲存起來。系統(tǒng)壓力的最大值可通過安全閥控制。 當(dāng)緊急制動時(shí)，司機(jī)猛踩制動踏扳，踏板在極短的時(shí)間內(nèi)就通過啟動能量回收系統(tǒng)階段的行程，在本系統(tǒng)起作用的同時(shí)，汽車原來的制動系統(tǒng)也一起工作， 從而使汽車能在極短時(shí)間減速至所要求速度或停止。如果能量回收系統(tǒng)的蓄能器未充滿而減速過程已經(jīng)停止，則系統(tǒng)將保持該壓力，等下一個(gè)加速或減速過程將其釋放或充滿。 2、制動能量釋放過程 當(dāng)汽車起步加速時(shí)，高壓液體經(jīng)過電液換向閥驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)，該元件作為馬達(dá)再推動驅(qū)動軸，使汽車起步加速。在這個(gè)過程當(dāng)中，發(fā)動機(jī)可以同時(shí)工作， 汽車此時(shí)有兩個(gè)動力源，使得汽車能在更短的時(shí)間內(nèi)加速并減少發(fā)動機(jī)油耗。當(dāng)在加速過程中系統(tǒng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，由壓力傳感器發(fā)出信號控制能量回收系統(tǒng)的離合器自動斷開與傳動系統(tǒng)的連接，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動汽車?yán)^續(xù)前進(jìn)。汽車又回到減速制動前的工作狀態(tài)。 當(dāng)汽車在行駛過程中加速時(shí)，隨著司機(jī)踩動油門，在發(fā)動機(jī)加大輸出功率的同時(shí)，能量回收系統(tǒng)也被激活。當(dāng)泵纟馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速相匹配時(shí)，控制系統(tǒng)控制其與汽車傳動系接合，為汽車提供額外動力，直至加速過程結(jié)束或液壓系統(tǒng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，才將本系統(tǒng)與汽車傳動系斷開。 3.3.3 系統(tǒng)控制策略 1、系統(tǒng)控制策略的選擇 車輛制動能量再生系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵因素：液壓蓄能器、泵/馬達(dá)、控制策略。控制策略是整套系統(tǒng)工作的核心，不同的控制策略將會產(chǎn)生不同的燃油經(jīng)濟(jì)性以及要求不同盡可的蓄能器容量來匹配。對于一個(gè)給定行駛條件下的特定車輛，為盡可能減少燃油消耗，驅(qū)動控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下條件： 〈1〉制動能量再生系統(tǒng)盡可能多回收車輛動能； 〈2〉所回收能量再利用效率高； 〈3〉主要能量轉(zhuǎn)換單元及其傳動裝置工作效率高。 控制策略選取的原則是簡單有效，使車輛盡量降低耗油量，動力傳動系統(tǒng)穩(wěn)定，具有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)與動態(tài)指標(biāo)，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求就是要盡量減少對原車的動力傳動系統(tǒng)的改變，根據(jù)以上條件系統(tǒng)采用行程開關(guān)控制。當(dāng)車輛制動時(shí)，車輪帶動液壓泵工作將車輛的動能回收到蓄能器中，當(dāng)回收的能量超過了蓄能器的存儲容量時(shí)，原車的摩擦制動器起作用，使車輛進(jìn)一步減速或制動：當(dāng)車輛起步或加速時(shí),只要蓄能器中的能量達(dá)到某一值,液壓馬達(dá)就輸出扭矩協(xié)助發(fā)動機(jī)工作， 當(dāng)蓄能器的能量降到最小值時(shí)，由發(fā)動機(jī)單獨(dú)完成汽車后面的加速和勻速行駛過程。 2、行程開關(guān)控制分析 當(dāng)車輛起步加速吋，首先判斷蓄能器中的壓力大小，若蓄能器中的壓力符合釋能條件，則把油門踏板行程分為兩個(gè)階段。第一階段：車輛制動能量再生系統(tǒng)釋放的能量與油門行程成正比，這樣保證車輛初期主要由液壓儲能系統(tǒng)供應(yīng)能量，降低對發(fā)動機(jī)的功率需求，降低油耗，并有利于駕駛員對車輛的控制，這一行程占總油門行程的2/5；第二階段：到這一油門行程說明駕駛員需大功率加速車輛，儲能系統(tǒng)將把泵/馬達(dá)排量調(diào)在最大，保證最大限度釋放能量。 對于制動工況，也把制動踏板行程分為兩個(gè)階段。第一階段原制動系統(tǒng)不工作，由控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)同制動踏板行程成正比的車輛制動減速板超度。當(dāng)制動踏過第一階段，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)最大制動強(qiáng)度，與原制動系統(tǒng)一同工作， 另外，由于本系統(tǒng)制動時(shí)，只能是驅(qū)動輪工作，造成的系統(tǒng)能提供的最大制動強(qiáng)度有限，在雨雪天氣，路面附著系數(shù)小，強(qiáng)度比較大的制動時(shí)，能量回收系統(tǒng)與原制動系統(tǒng)一同工作，會造成前后制動力嚴(yán)重不均，對汽車穩(wěn)定性造成危害。為此系統(tǒng)需計(jì)算車輪滑移率，以保證在雨雪天氣不會因增加能量回收系統(tǒng)對車輛穩(wěn)定性造成危害。超過一定滑移率，能量回收系統(tǒng)會適當(dāng)降低提供的制動強(qiáng)度，甚至不工作，這由控制系統(tǒng)來判斷。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡圖見圖3-4。 第4章 能量回收系統(tǒng)及裝置的設(shè)計(jì) 4.l 液壓系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)選擇與原理 4.l.1液壓系統(tǒng)的功能 液壓系統(tǒng)的任務(wù)一是將車輛在減速制動與下坡工況損失的機(jī)械能及時(shí)地轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤郝从枰詢Υ?；二是在車輛處于加速、爬坡或起步工況時(shí)，將儲存的液壓能予以釋放轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，幫助發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛行駛，能量釋放強(qiáng)度以保證發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)工況為基準(zhǔn)，并綜合考慮加減速的循環(huán)頻率。要求整個(gè)系統(tǒng)隨動作用快，換向速度高，自動化程度高，安全可靠，壽命長，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，成本低。 4.1.2液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案選擇 綜合以上因素考慮，液壓系統(tǒng)方案選擇如下： (1)選擇開式液壓系統(tǒng) 開式系統(tǒng)中液壓泵從油箱吸油，油經(jīng)各種控制閥艏，驅(qū)動液壓執(zhí)行元件，回油再經(jīng)過換向閥回油箱。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，可以發(fā)揮油箱的散熱、沉淀雜質(zhì)作用，但因油液常與空氣接魅，使空氣易予滲入系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動不平穩(wěn)等后果。開式系統(tǒng)油箱大，油泵自吸性能好。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的進(jìn)油管直接與執(zhí)行元件的回油管相連，工作液體在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán)。其結(jié)構(gòu)緊湊，與空氣接觸機(jī)會少，空氣不易滲入系統(tǒng)，傳動較平穩(wěn)，但閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)復(fù)雜，因無油箱，油液的敖熱和過濾條件較差。為補(bǔ)償系統(tǒng)中的泄漏，通常需要一個(gè)小流量的補(bǔ)油泵和油箱。由于閉式系統(tǒng)在技術(shù)要求和成本上比較高，考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題，所以采取開式系統(tǒng)。 （2）執(zhí)行元件選擇功能可逆的變量泵7馬達(dá)； 制動時(shí)，變量泵／馬達(dá)作為泵工作，將油泵入蓄能器中儲存能量；起步或加速時(shí)，變量泵7馬達(dá)作為馬達(dá)工俸，為汽車提供動力。 (3)液壓回路的方向控制采用電液換向閥； 由于液壓系統(tǒng)中流量較大，采用電液換向閥以滿足系統(tǒng)需要。系統(tǒng)中采用兩個(gè)高壓蓄能器和一個(gè)低壓蓄能器；盡管采用一個(gè)高壓蓄能器也可行，但這種情況下所需的蓄能器容積會很大，給系統(tǒng)布置造成較大困難，如果采用兩個(gè)高壓蓄能器，就能使得在汽車上布置較靈活方便，同時(shí)也能降低成本。當(dāng)電液換向閥換向時(shí)，高壓油會對馬達(dá)造成較大沖擊，采用低壓蓄麓器作為緩沖裝置，以緩沖瞬聞翔在馬達(dá)上的高壓油。 4.1.3 液壓系統(tǒng)工作原理 液壓系統(tǒng)工作原理如圖4-1所示。單向閥2的作用是防止液壓泵／馬達(dá)4泵出的油液倒流圓油箱。電液換向閥6是由一個(gè)Y型三位四透電磁換向閥鞠一個(gè)O型三位四通液動換向閥組成。電磁換向閥接收ECU電信號接通，起先導(dǎo)作用， 從而控制波動換向閥的動作。液動換向閥作為主闋，用于控制液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。液壓泵／馬達(dá)4的蓄能與能量釋放功能轉(zhuǎn)換由電液換向閥6及其相應(yīng)的輔助裝置實(shí)現(xiàn)，并受ECU控制，ECU接受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、泵／馬達(dá)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、 車輛運(yùn)行狀況及駕駛員操作意圖等相關(guān)傳感信號，綜合處理后對節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)工作壓力由溢流閥9設(shè)定并通過壓力表8顯示。溢流閥9保證了回路中油壓均不超過系統(tǒng)的最大工作匿力，起到安全保護(hù)作用。節(jié)流閥12用來控制高壓蓄能器7的充液和放液速度，節(jié)流閥10用來控制壓力計(jì)8的壓力升降速度。車輛制動時(shí)，ECU根據(jù)接收到的制動信號，接通電液換向閥6，液壓泵／馬達(dá)4以油泵的形式工作，車輛的動能帶動液壓泵／馬達(dá)4旋轉(zhuǎn)，把低壓油從油箱1泵出，多余油液經(jīng)溢流閥9流回油箱l，低壓油則經(jīng)過濾器5過濾后經(jīng)電液換向閥6壓入高壓蓄能器7，將車輛的動能轉(zhuǎn)變成液壓能儲存起來，實(shí)現(xiàn)能量的回收轉(zhuǎn)化，多余油液經(jīng)節(jié)流閥10、二位二通電磁換向閥11、溢流閥9流回油箱1， 這時(shí)車輛制動力由液壓系統(tǒng)提供，翻動器本身不工作，車速慢慢降低，液壓系統(tǒng)處于蓄能狀態(tài)。緊急制動時(shí)，液壓系統(tǒng)也切換到蓄能狀態(tài)，這時(shí)車輛制動器與液壓系統(tǒng)同時(shí)對汽車制動，使制動更加可靠。車輛起步時(shí)，ECU根據(jù)接收到的車輛檔位和離合器的信號，接通電液換向閥6，液壓泵，馬達(dá)4以馬達(dá)的形式工作，高壓蓄能器7中的高壓油經(jīng)過電液換向閥6推動液壓泵／馬達(dá)4旋轉(zhuǎn)，同時(shí)向低壓蓄能器3釋放油液，通過液壓泵，馬達(dá)4輔助車輛起步，當(dāng)高壓蓄能器7壓力大于供油界限時(shí)，液壓系統(tǒng)繼續(xù)工作，反之停止。爬坡或加速時(shí)，踏下加速踏板，ECU根據(jù)接收到的加速踏板信號，如果蓄能器油壓離子某一闞值，液壓泵，馬達(dá)4作為馬達(dá)工作，提供發(fā)動機(jī)輔勃?jiǎng)恿?，?dāng)油壓到達(dá)最低值或車速達(dá)到某設(shè)定值時(shí)，液壓泵／馬達(dá)4切換到無壓回路的空轉(zhuǎn)狀態(tài)。 4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算 4.2.1蓄能器有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 蓄能器的最低工作壓力、最高工作壓力和充氣壓力。 蓄能器壓力技術(shù)參數(shù)主要包括充氣壓力、最低工作壓力和蓄能器最高工作壓力。 （1）蓄能器最低工作壓力的確定 蓄能器最低工作壓力應(yīng)能滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大負(fù)載時(shí)所需壓力?？砂匆韵鹿接?jì)算： 式中：—執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需最大工作壓力； —蓄能器到最遠(yuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大的壓力損失之和。 蓄能器最高壓力的確定 蓄能器最高壓力的確定，既要考慮到蓄能器的壽命，又要考慮到能適當(dāng)增加排油量。 對皮囊式蓄能器來說，從延長其使用壽命考慮應(yīng)使P《3 P1，即P2越低于極限壓3P1，皮囊壽命越長。提高P2,雖然可以增加蓄能器有效排油量，但勢必使泵的工作壓力提高，相應(yīng)功率消耗也提高了，因此P2應(yīng)小于系統(tǒng)所選泵的額定壓力。作為動力源使用的蓄能器，為使其在有效工作容積過程中液壓機(jī)構(gòu)的壓力相對穩(wěn)定，根據(jù)常用經(jīng)驗(yàn)公式，一般推薦： （0.6-0.85） (3)蓄能器充氣壓力P0的確定，在本系統(tǒng)中蓄能器作為儲能裝置及輔助動力源使用，這種蓄能器充氣壓力的確定首先應(yīng)考慮使蓄能器容積最小，而單位容積的蓄能器的儲能量最大，然后考慮膠囊壽命，盡量延長其使用期。目前常用的經(jīng)驗(yàn)公式： 使蓄能器總?cè)莘e圪最小，單位容積儲存能量最大的條件下，絕熱過程時(shí) 0.471 b．使蓄能器重量最小時(shí) （0.65-0.75） C.在保護(hù)氣囊時(shí)，延長其使用壽命的條件下 折合型氣囊 （0.8-0.85） 波紋型氣囊 （0.6-0.65） 隔膜式 蓄能器的充氣壓力po，根據(jù)應(yīng)用條件的不同，選用不同計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，代號含義同前。 2．蓄能器容積的計(jì)算 由于本系統(tǒng)任務(wù)是將車輛的所損失的機(jī)械能(主要是動能)轉(zhuǎn)換為液壓能，所以根據(jù)能量守恒定律，車輛所損失的機(jī)械能必與系統(tǒng)液壓能相等。汽車制動前后動能損失為： （4—1） 式中：m-車輛質(zhì)量 、一一車輛制動前后的速度而在液壓系統(tǒng)中，蓄能器為儲能裝置。其儲存的液壓能應(yīng)與汽車損失的動能相等。對于蓄能器，據(jù)單通道穩(wěn)態(tài)流動能量方程，有如下能量守恒公式： （4—2） 其中： —單位質(zhì)量流體與外界的作用功； —所考查的兩截面間的壓力能差； — 所考查的兩截面間的動能差； —所考查的兩截面間的壓縮能差； —所考查的兩截面間的位能差； —所考查的兩截面間的內(nèi)能差； —對外熱傳導(dǎo)、輻射、對流等熱能損耗。 其中： 壓力能是液壓技術(shù)中最主要的能量形式，也是蓄能器的主要儲能方式，在液壓管路中，單位質(zhì)量流體介質(zhì)的壓力能表達(dá)式為： 式中：—液體密度（） —壓力（） —體積流量（） 單位質(zhì)量液體所具有的動能為 (3)壓縮能是因液體的可壓縮性而消耗的能量。工程上認(rèn)為，容積V隨著壓力升高按線性規(guī)律逐步被壓縮，故其壓縮能為： 式中：p一質(zhì)的體積彈性能量。由于液體的可壓縮性較差，即液體體積變化受壓力影響很小，在主要靠壓力能儲能，即壓力能為主要儲能方式下可以忽略不計(jì)。 (4)位能相對于壓力能所占的比重很小，可以忽略不計(jì)。 (5)內(nèi)能指能耗導(dǎo)致的介質(zhì)溫升的熱能部分 式中：為介質(zhì)比熱 (6)△項(xiàng)由于難以估算，且系統(tǒng)溫升限定在熱平衡狀態(tài)，故忽略不計(jì)。 綜上所述，把以上不容忽視的各項(xiàng)能量表達(dá)式代入能量守恒方程（4-2),得 本系統(tǒng)所采用的蓄能器中，所儲存的能量形式主要是壓力能。由于蓄能器充、放油完成后，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，殼體內(nèi)液體處于靜止非流動狀態(tài)，故液體速度為零。同時(shí)，由于介質(zhì)的能耗導(dǎo)致的溫升的熱能部分，即內(nèi)能部分，考慮到蓄能器與整個(gè)液壓系統(tǒng)相通，且熱能又在通過傳導(dǎo)、對流、輻射的形式散失，因而介質(zhì)的能耗導(dǎo)致的液體溫升總體不大，故也可在計(jì)算蓄能器的儲能量時(shí)不以考慮。所以由式可計(jì)算蓄能器的儲能量為 式中：一蓄能器最大工作壓力 一蓄能器最大工作容積因此，聯(lián)立公式（4一1），（4一4）可得： (4—5) 式中：—汽車傳東西效率，取 —液壓系統(tǒng)效率，取=0.8 汽車行駛方程為 （4—6） 其中： （4—7）