液驱混合动力技术_车辆节能新技术

液驱混合动力技术———车辆节能新技术

魏英俊

1,2

,柏军玲2,周　友

2

(1.湖南大学,长沙　410082; 2.湖南长丰汽车制造股份有限公司,长沙　410014)

摘要:阐述了液驱混合动力车辆技术节能的基本原理、基本组成元件及其工作特性。在对液驱混合动力技术国内外发展现状的论述基础上,就我国发展液驱混合动力技术的可行性进行了探讨。

关键词:液驱混合动力;车辆;节能

中图分类号:U469.79 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2007)01-0013-02

Hyd rau li c Hyb ri d Techno l o gy ———

A N ew Ene rgy 2S avi ng Techno l o gy Fo r Veh i c l e

W E I Ying 2jun

1,2

,BA I Jun 2ling 2,ZHOU You

2

(1.Hunan University,Changsha 410082,China;

2.Hunan Changfeng Mot or Co .,L td,Changsha 410014,China )

Ab s tra c t:The energy 2saving p rinci p le,basic parts and working character of hydraulic hybrid vehicle were p resented

in this paper .Based on describe of the domestic and internati onal hydraulic hybrid vehicle devel opment,the feasibility of advancing the hydraulic hybrid technol ogy in our country is discussed t oo .

Key wo rd s:Hybrid hydraulic;Vehicle;Energy 2saving

1　基本原理

液驱混合动力技术类似于电动混合动力技术,不同之处在于液驱混合动力技术以蓄能器作为可逆储能元件,发动机能量通过液压传动系统的可变排量泵/马达输出。泵/马达元件为一可逆元件,通过回收车辆的制动能量,形成车辆的减速制动,回收的能量存储在蓄能器里。

液驱混合动力车辆多采用并联形式,发动机动力可以用以驱动车辆,也可以通过变量泵向蓄能器充液压能。蓄能器可以单独或同发动机一起共同驱动马达带动车辆的行驶。因此正如并联式的混合电动车,液驱混合动力车辆也具备如下工作模式:①仅由发动机驱动车辆;②仅由蓄能器驱动车辆;③由发动机和蓄能器共同驱动车辆。

液驱混合动力车辆可以通过蓄能器的调节作用,改变发动机的工作点,这样有利于改善车辆的经济性与降低车辆的排放。由于发动机和蓄能器共同驱动车辆,因此车辆的动力性得到提高外,也存在着改配相对小的排量的发动机进一步改善经济性的可能性,这点同并联式的混合动力电动车辆的特点相似[1]。

图1显示的是发动机和高压蓄能器为并联结构,可以共同驱动泵/马达部件,以后驱方式带动车辆行驶,发动机还可以通过变量泵向蓄能器储能。泵/马达部件的可逆作用可回收车辆的制动能量。为保证S UV 的动力性,发动机还可以通过机械前驱动装置实现前驱动。

2　基本组成元件

液驱混合动力的基本组成元件包括发动机、蓄能器、变量泵、泵/马达部件等。

发动机可以是汽油机动力、柴油机动力,也可以是代用燃料

动力。

图1　新型液驱混合动力SUV 原理简图

F i g .1W o rki ng P ri nc i p l e Ske tch o f N ew Hyd ra u li c Hyb ri d SUV

蓄能器采用气囊式蓄能器。气囊内充有氮气,通过压缩气囊和气囊的膨胀,实现向蓄能器充液压能和蓄能器放出压力液体对外做工。蓄能器是一具有较高功率密度的储能元件,能够辅助发动机工作,保证车辆动力性对峰值功率的要求,同时能够满足制动时间内对能量转换的要求。

变量泵部件为一斜盘式结构,通过改变斜盘的倾角,改变输出流量,向蓄能器或马达部件提供一定的压力油。

泵/马达部件是一个可在四象限内工作的液压元件,它可以实现车辆的加速、制动及倒车。

液驱混合动力车辆还包括各类液压阀类部件。

3　工作特性

液压混合动力具有如下工作特性:

1)变量泵和马达的配合使用,可以对马达输出轴上的转速进行

无级调节,从而实现车辆的无级变速。

2)蓄能器的引入,可以同发动机共同驱动车辆,提高了车辆的动

力性。

收稿日期:2006-03-27

基金项目:长丰集团(有限公司)博士后科研项目资助(2005014);中国博士后科学基金资助(20060390870)

?

31?第34卷第1期 拖拉机与农用运输车 Vol .34No .12007年2月 Tract or &Far m Trans porter Feb .,2007

3)蓄能器的引入,可以实现发动机与实际负载的分离,可以通过改善发动机的工况点,来改善车辆的经济性。

4)在充分利用蓄能器储存的压力能的基础上,可以由蓄能器提

供突变负载下所需的能量,从而可以减小发动机的装机容量[2]。

5)利用泵/马达部件的液压制动,可以回收制动能量;回收的能

量可以在车辆下次加速中释放出来,提高车辆对燃油的利用率,同时减小了对常规制动系的磨损,降低了这部分部件的维修费用。

4　国内外研究现状

液压混合动力技术在近十几年内,日益引起国外政府和研究机构的高度重视,其中美国环保署(U.S .Envir onmental Pr otecti on

Agency )对推动液驱混合动力技术在车辆上的应用做出了重要贡献。

在过去的10年,美国EP A 和许多单位共同发展液压混合动力技术,这些合作者包括美国陆军、福特公司、Eat on 公司、Parker-Hannifin 公司、FEV 、M ichigan 大学、R icardo 公司、西南研究院及W isconsin 大学。对于液驱混合动力技术,美国EP A 提出了4个目标,即提高燃油的经济性、降低排放、提高汽车的动力性、降低制造费用。美国

EP A 从液驱混合动力技术研究中的底盘样件的实验中得出以下结

论:相对于同样改善了轮胎和空气动力性的中等大小的家用轿车的燃油性,运用液驱混合动力技术后,燃油经济性提高了3倍以上;通过降低燃油消耗和减小制动系的磨损节省的费用在1至3年可以弥补成本上增加的费用;0到60km /h 的加速时间约为8s;不需要使用昂贵的轻金属材料就可以实现高燃油经济性;这些有助于实现该技术的商业化

[3～5]

。

美国EP A 立项支持美国福特汽车公司与依顿(Eat on )公司共同研制液驱混合动力S UV,并于2004年已有样车参展。该车采用柴油动力,据报道燃油经济性可以提高55%。2005年2月,美国EP A 公布了同Eat on 等多家单位联合开发全液压驱动混合动力S UV 及皮卡车的消息。新一代全液压驱动混合动力S UV 及皮卡在城市及高速公路混合工况下燃油经济性可以提高30%～40%;在城市工况下燃油经济性更高;降低了排放;减小了制动系的维修费用;在城市及高速公路混合工况下1～2年节省的费用可补偿车辆增加的制造成本[3,6～7]。

英国R icardo 公司在2004年的一次国际会议上公布了其对液驱混合动力车和并联、串联结构的混合动力电动车与常规汽车的比较研究,3种车较常规汽车在多工况下的平均节能效果,分别为39%,

31%和34%

[8]

,如图2所示,因此液驱混合动力车具有非常好的经

济性。

图2　液驱混合动力与串、并联混合动力节能效果比较

F i g .2Ene rgy Sa vi ng Effec ts o f Hyd rau li c,Pa ra ll e l,S e ri e s Hyb ri d E l ec tri c

Ve h i c l e s

液驱混合动力汽车技术的研究,在国内开展的较晚,主要是在城市公共汽车方面开展了一些研究工作。如哈尔滨工大,分析了影响二次调节静液传动系统在城市公交车辆驱动中节能效果的因素,提出了3种能量回收方案;建立车辆串联混合传动系统的数学模型,分析了以恒转矩制动和恒功率制动回收车辆惯性能的特点[9～10]。北京理工大学在分析城市车辆制动能量回收的基础上,对城市用车辆制动能量回收的液压系统进行了探讨[11]。南京理工大学是国内较

早开展液驱混合动力汽车研究的高校,提出了能量回收和发动机控制相结合的液驱混合动力汽车研究的新思路,并且对液驱混合动力车辆的关键技术进行了研究[12～16]。在国内汽车制造企业中,长丰集团联合国内相关高校,在国内率先开展了液驱混合动力S UV 的自主研究工作,对拓广我国混合动力研究领域,提升我国汽车的自主创新能力具有重要的意义。

5　国内发展该技术的探讨

在我国汽车快速发展的今天,石油的需求日益增长,因此混合动力技术作为目前提高车辆经济性的重要技术手段,而被各国政府和生产商重视。液驱混合动力技术作为混合动力技术的一个重要领域,应该引起国内各方的高度重视。液驱混合动力技术从其主要组成零部件来看,不存在目前短时无法克服的技术问题。变量泵/马达部件的制造技术目前都较为成熟;蓄能器元件目前已有应用高强度纤维材料制造的实例,可以在一定程度上减轻蓄能器的重量[1];液驱混合动力汽车的制造成本相对目前的混合电动车的制造成本来说,具有较大的价格优势,同时蓄能器的免维护性、较长的使用寿命,也是目前电池所无法比拟的。因此在国内大力开展液驱混合动力技术,无论从提高自主创新能力,紧跟国外在该技术领域的发展步伐,还是从经济实用性上考虑,该技术作为机-电-液一体化新技术具有广泛的市场前景。参考文献:

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[11]　陈华志,苑士华.城市用车辆制动能量回收的液压系统设计[J ].液压

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[14]　韩文,常思勤.模糊控制在二次调节静液传动车辆中的应用[J ].汽车

工程,2004(3):322～324.

(下转第16页)

干涉检查和约束识别等[2]。

2.2　用P r o /E 建立装配模型

首先建立装配环境的设置,在Pr o /E 的装配类型下设置相关参数,其完成后即可开始零件装配。在其过程中要注意装配的顺序,并注意模型的相关后续定义的一致性。第一个零件或部件的选择非常重要,因为它是装配模型中最为关键的部分,在删除后续装配灵活部件时,它不会被删除;但如删除它,则后续装配的零件或部件均会被删除。随后即可将进行其他装配。

2.3　系统的体系结构

系统以装配活动中的过程为仿真对象。在建立零件虚拟样机模型、装配过程模型的基础上,充分利用仿真技术的检测技术、多媒体技术等前沿技术,将整个装配过程形象、逼真、直观的再现出来,同时将仿真过程中获取的各种数据提供给设计分析人员,进行相关的设计分析与评价,并提出修改建议,以供产品研制过程中的其他人员参考[5]。虚拟样机仿真的分析系统的结构框架采用如图3

所示。

图3　系统结构图

F i g .3D i a g ram o f System Co n stitu ti o n

3　虚拟样机仿真结果的处理

当转换模型调入后ADAMS/V iew 后就可以充分利用系统自身的建模工具,添加几何模型、复杂约束、施加载荷等复杂模型特性,再通过运动学和动力学进行仿真分析,从而逼真的再现虚拟样机的仿真模型,利用参数设计进而实现优化。在ADAMS 下的虚拟样机仿真结果是否与物理样机一致,如果不一致就要分析,然后修改前面仿真或者模型参数,重复以上步骤最终使仿真结果与物力样机模型一致。但如果没有物理样机的实验数据,也可以采取以下方法进行检验:检查虚拟样机的运动方式和顺序是否与物理样机一致;通过对称结构的受力分析看是否一致;通过一般受力和结构来分析,看是否有问题,从而更加完善的将物理样机用虚拟样机反映出来。

4　研究的目的

虚拟样机技术采用数值仿真形式进行虚拟产品设计开发,仿真模型的参数就是物理样机的设计参数,仿真模型能替代物理样机进行设计参数的测评。虚拟样机因为参数修改方便,相比物理样机显然是“软模型”,能轻易的实现原形的多元化,柔性好。减免了昂贵成本的物理样机研发制造过程,降低了研发成本,同时减少了不合理方案盲目上马的风险[4]。

5　虚拟样机系统的应用

虚拟样机系统首先在军事、航天等高科技领域等方面获得成功的应用。例如:用于宇航员、飞行员训练的座舱系统、战场实时演练系统(虚拟战场)等。虚拟样机系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用,可大大提高产品的技术水平,例如:波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验等。目前应用效果较好是下面几个方面:

1)产品的外形设计

例如:汽车外形造型设计是汽车的一个极为重要的方面,以前多采用泡沫塑料制作外形模型,要通过多次的评测和修改,费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计,可随时修改、评测,方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工等。

2)产品的布局设计

在复杂产品的布局设计中,通过虚拟样机系统可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其它不合理问题。例如,工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等,都需要该技术的支持。如在复杂的管道系统中,设计者可以“进入”其中进行管道布置,检查可能的干涉等错误。

3)机械产品的运动仿真

在产品设计阶段必须解决运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。

4)产品装配仿真

机械产品中众多的零件要装配在一起,其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误,往往要到产品最后装配时才能发现,造成零件的报废和工期的延误。采用虚拟样机系统可以在设计阶段就进行验证,保证设计的正确。

6　结束语

虚拟样机技术的功能,必将随着信息技术的快速发展得到更大的展现。虚拟样机技术具有的低成本、高效率的特性,特别是在设计过程中大大提高了设计的质量,并且可以在当前国内条件下达到实用化。同时,该技术进一步推广后,随着国家工业化和信息化建设速度的加快,必将带来更大的经济和社会效益。参考文献:

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[5]　柳辉,郝建平.基于虚拟维修仿真的维修性分析系统设计与实现[J ].系

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(编辑　云　清)

作者简介:高志明(1976-),男,河南洛阳人,硕士;介战(1949-),男,河南洛阳人,教授,硕士生导师。

(上接第14页)

[15]　韩文,常思勤.新型二次调节静液车辆传动系统的智能P I D 控

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[16]　韩文,常思勤.对二次调节系统中蓄能器的研究[J ].机床与

液压,2003(10):197～198.

(编辑　郭聚臣)

作者简介:魏英俊(1971-),男,工学博士,中国机械工程学会高级会员,现为湖南大学机械工程博士后流动站、长丰集团博士后科研工作站在站博士后,主要从事车辆动力装置总成技术研究;柏军玲,女,工

程师;周友,男,工程师。