新型液壓混合動力及無級變速技術(shù)應(yīng)用分析

1、新型液壓混合動力及無級變速技術(shù)應(yīng)用分析1、前言工程機械除了完成特定工作所必需消耗的能量即有用功以外，還必須提供附加的能量來完成工作循環(huán)，包括重力勢能與運動動能，附加能量通常通過制動機構(gòu)消耗掉了。比如挖掘機，重達幾頓的轉(zhuǎn)臺要頻繁的起停，動臂和斗桿需要不斷的上升下降；再如幾頓和十幾噸重的的叉車和裝載機，要在料場到運輸車之間來回穿梭，其中浪費了相當多能量。工程機械的能量利用率即有用能耗與總能耗之比，普遍較低，有的還不到50%。因此，工程機械節(jié)能的空間相當巨大。工程機械的節(jié)能主要圍繞著如何提高原動機的效率與如何回收附加能量來展開。要提高原動機效率，就必須使用無級變速技術(shù)使原動機在大幅度變化的負載工況下

2、，一直能工作在高效區(qū)。要回收附加能量就必須有高效的能量轉(zhuǎn)換與儲存裝置。工程機械中的主要耗能機構(gòu)是以液壓缸驅(qū)動的直線運動部件和以馬達驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)運動部件。其中能量浪費最大的是其轉(zhuǎn)動或者行走機構(gòu)，其傳動的主要形式有三種：一是采用摩擦式離合器 +機械變速器即手動檔，傳動效率高，但勞動強度大，磨損快。二是用液力變矩器 +機械自動變速器形式， 傳動平穩(wěn)， 但在頻繁起停的工程機械上， 效率很低， 最高效率 85%，平均效率甚至低于 70%。三是采用液壓或者電動馬達直接驅(qū)動。三類傳動形式各有優(yōu)缺點，前兩種的問題是只能匹配單一動力源和能量的單向流動，不能實現(xiàn)制動能量的回收，主要用在叉車和裝載車等輪式行走機構(gòu)中。

3、后一種傳動則要通過能量形式轉(zhuǎn)換，雖然能回收部分制動能，但傳動效率不高，主要用在履帶式行走機構(gòu)中。最近十多年來，隨著電池和功率電子技術(shù)的進步，具有百年歷史的電動技術(shù)又逐步加盟到工程機械動力總成中來，構(gòu)成油電混合動力傳動（ Hybrid Electric Vehicle ， HEV ）。它能夠?qū)崿F(xiàn)工程機械制動動能的部分回收， 還在深度混合動力中同時實現(xiàn)無級變速， 即 ECVT ，。但是，油電混合也存在明顯的弱點，首先是成本高，需要大功率的電機、電機控制器和大功率電池，增加數(shù)萬元的成本，短期內(nèi)還很難被市場所接受。其次是轉(zhuǎn)換次數(shù)多導(dǎo)致節(jié)能效率不高，如工程機械中大量使用的液壓馬達驅(qū)動，需要回收的是工作部

4、件的重力勢能，在油電混合動力中是通過發(fā)電機發(fā)電，并儲存到電池或者超級電容中。回收效率受限于電池充電功率，實際能達到比常規(guī)傳動方式節(jié)油20%-25% 。在石油資源相當匱乏，工程機械尾氣排放污染相當嚴重，而工程機械產(chǎn)業(yè)又在高速發(fā)展的中國，如何找到一種能夠迅速產(chǎn)業(yè)化，成本低又高效節(jié)能減排的傳動技術(shù)，是工程機械產(chǎn)業(yè)界面臨的巨大挑戰(zhàn)。液壓技術(shù)是一種低成本、高比功率、安全成熟的技術(shù)，在工程機械的各種液壓執(zhí)行機構(gòu)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，以液壓傳動為基礎(chǔ)的低成本高效節(jié)能液混動力無級變速技術(shù)必將在工程機械中得以全面推廣應(yīng)用。關(guān)于液壓與電動混合動力的特點，請參見哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜繼海教授在本刊201

5、0 年第10 期和第 11 期上 “液驅(qū)及電動混合動力在挖掘機的運用”的文章，做了非常詳細的分析和對比。本文重點推薦一種新型的混合動力與無級變速節(jié)能技術(shù)。2、液壓馬達驅(qū)動的混合動力節(jié)能技術(shù)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理在工程機械中，大量采用液壓馬達作為驅(qū)動動力源，如挖掘機上的轉(zhuǎn)臺，履帶式行走機構(gòu)等。傳統(tǒng)的制動方式是用制動盤或者制動鼓把機械的動能轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)到空氣中去了。也有用發(fā)電機來制動，轉(zhuǎn)換為電能儲存在電池中，但成本高，效果一般。本文介紹一種簡單高效的混合動力驅(qū)動方法，其結(jié)構(gòu)見圖1：該機構(gòu)由一臺液壓泵/馬達裝置、 一個液壓蓄能器、一個控制閥與傳動控制器TCU 構(gòu)成。其工作原理是，外界壓力油源驅(qū)動液

6、壓馬達帶動工作機械旋轉(zhuǎn)，到達工作位置后，液壓馬達轉(zhuǎn)換為液壓泵對工作機械制動，液壓泵輸出高壓油進入液壓蓄能器，將機械動能轉(zhuǎn)換為液壓能儲存起來。當下一個循環(huán)啟動時，液壓蓄能器中的高壓油將驅(qū)動液壓馬達帶動工作機械旋轉(zhuǎn)，從而使制動能量得以部分再生利用。2.2 數(shù)字控制四象限變量液壓泵/馬達裝置本結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件是要能在四象限運轉(zhuǎn)的變量液壓泵/馬達。通常而言， 傳統(tǒng)的液壓馬達是不能作為液壓泵使用，而液壓泵也不能作為液壓馬達使用，并且，液壓泵也不能雙向旋轉(zhuǎn)，否則，其使用壽命、工作效率將大幅度下降，而噪聲大幅度上升。本文作者與力源液壓公司通過數(shù)年的共同努力，開發(fā)出一種全數(shù)字閉環(huán)反饋控制，能實現(xiàn)四象限運行的高

7、效低噪聲液壓泵 /馬達裝置。由該泵 /馬達組成的一款雙聯(lián)靜壓傳動裝置HST 如圖 2，它由兩個四象限液壓泵/馬達構(gòu)成。其中任意一個泵/馬達的參數(shù)如下：外形尺寸：長 x 寬 x 高 220x180x200mm重量： 28kg工作 /最高壓力： 30/35Mpa工作 /最高轉(zhuǎn)速： 2500/3200rpm噪聲： 84db，離泵 1M 處測量比功率達到4.6kw/kg 和 18kw/L 。其重量、體積、價格分別是同等功率永磁無刷直流電機 +電機控制器的 1/3、 1/4 和 1/5，具有明顯的成本優(yōu)勢。液壓泵 /馬達的效率，通常國外高水平的液壓泵的效率在80-92% ，我國國產(chǎn)液壓泵的效率會低 2-

8、3%，在 80-90%之間。 該數(shù)控液壓泵實測效率見表1，萬有特性曲線則如圖 3，表1。由實測效率表及萬有特性曲線圖可見，只要系統(tǒng)壓力高于10Mpa ，在額定轉(zhuǎn)速的5%-100% 范圍內(nèi)， 液壓泵的效率均大于85%。與電機相比， 其最高效率差不多，但高效區(qū)寬，平均效率要高3?5%。特別是在低速區(qū)間，效率要高5?8%。該 HST 使用普通液壓油的使用范圍在-20 至 +80 度，如果要在更低溫度的地方使用，需換用低溫液壓油或者使用進口液壓油，溫度范圍可達-40 至 105 度。根據(jù)力源液壓采用同樣機芯的液壓泵幾十年的經(jīng)驗，以及對該HST 所做 300 小時的強化試驗結(jié)果預(yù)測，使用壽命在5?8 千

9、小時。2.3 液壓蓄能器的結(jié)構(gòu)、原理與特點液壓蓄能器是由一個能夠承受高壓的罐體，內(nèi)裝一個橡膠氣囊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)十分簡單。氣囊內(nèi)充有一定壓力的氮氣。它的蓄能原理很簡單，就象氣體彈簧，低壓液壓油被液壓泵（被發(fā)動機驅(qū)動或者被工程機械慣性驅(qū)動）加壓進入蓄能器，壓縮氣體而做功，在釋放時，氣體膨脹將高壓液壓油擠出并推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，推動工程機械前進（見圖4）。液壓蓄能器具有極高的比功率，可以以每升幾千瓦的功率存儲和釋放能量。且存 /放效率非常高， 達到 97%以上，遠高于電池或者超級電容。其比能量也能達到3.5wh/L ，即 12.6kj/L ，為了給讀者一個簡單的能量概念，一輛 10 噸的工程車在時速18k

10、m/h 下所具有的動能是125kj ，也就是用一個10L 的液壓蓄能器即可全部存儲起來。而該蓄能器的重量，如果采用普通鋼制蓄能器，也就是30kg ，如果采用創(chuàng)世奇科技公司開發(fā)的復(fù)合材料蓄能器，則只有10kg 重。液壓蓄能器的循環(huán)壽命可達十幾萬次，一天平均高強度制動30 次，也可以使用十多年。蓄能器在工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)有相當長的歷史，是一種十分安全的蓄能機構(gòu)。從蓄能器的結(jié)構(gòu)可知，它的材料是合金鋼和橡膠皮囊，成本是低廉的。其報廢處理也不會對環(huán)境造成危害。2.4液壓馬達混合動力系統(tǒng)效率分析采用該液壓泵 / 馬達的傳動裝置的能量循環(huán)效率為69%= 液壓泵（ 86%） x 蓄能器（ 97%）x 控制閥組（

11、 98%x98% ） x 液壓馬達（ 86%）如果系統(tǒng)的能效為50%，則采用該混合動力系統(tǒng)后，系統(tǒng)總能效可達到84.5%，即提高約 34.5%。與用電能回收的效率相比，可提高能效10%以上。更重要的是成本大幅度降低。3、液壓混聯(lián)混合動力與無級變速技術(shù)3.1 結(jié)構(gòu)組成以下介紹的是一種能同時實現(xiàn)工程機械制動能量高效回收和大范圍無級變速優(yōu)化發(fā)動機工況的液壓混聯(lián)混合動力無級變速技術(shù)（Hydraulic Hybrid Vehicles,HHV）。該技術(shù)可以直接應(yīng)用到動力源為汽油或者柴油發(fā)動機的叉車、裝載車等行走機械為輪式的的工程機械上。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖5和圖 6所示。圖中， HM 代表液壓馬達，HC 代表

12、液壓缸。它們是工程機械中完成特定工作所必需的。如履帶式挖掘機，需要兩個履帶驅(qū)動馬達，一個專題驅(qū)動馬達，三個液壓缸。比如傳統(tǒng)裝載車或叉車，HHV 機液混聯(lián)混合動力及無級變速器包括有四個主要部件，一是由液壓泵和馬達構(gòu)成的靜壓傳動裝置HST，二是傳動電控系統(tǒng)TCU 與液控閥組，三是液壓蓄能器，四是能完成動力分解合成的自動無級變速器?；炻?lián)混合動力模式綜合了串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)的特點，具有多種工作機制，也可以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速來優(yōu)化發(fā)動機工況，在輕載和重載等各種工況下均能獲得發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的高效率，從而達到最佳節(jié)能效果。當然，有利就有弊，相應(yīng)的系統(tǒng)要復(fù)雜化，控制難度增大，這就是國內(nèi)外混聯(lián)混合的應(yīng)用尚

13、處于探索階段的原因。3.2 能量回收機制在該系統(tǒng)中，車輪通過差速器帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，輸出高壓油，通過控制閥組，進入蓄能器，能量流向如圖中紅線所示（見圖7）。3.3 啟動加速與無級變速在行走機構(gòu)啟動和加速過程中，發(fā)動機的動力通過行星輪系分解為兩路，一路是純機械傳動，效率高；另一路是液壓回路，由液壓泵輸出的高壓油驅(qū)動液壓馬達，馬達的驅(qū)動扭矩與機械回路的扭矩疊加后輸出，起到無級變速變矩的功能。如果蓄能器中還有蓄能，也可以釋放出來通過液壓馬達助力。能量流向如圖中紅線所示（見圖8）。4、整車性能測試液混動力與無級變速器可以應(yīng)用到各種工程機械的輪式行走機構(gòu)中，也包括在汽車上。由于汽車的市區(qū)工況與叉車或者裝載

14、車的工作工況較為接近，而且汽車的油耗有國家統(tǒng)一的測試標準與規(guī)范，測試結(jié)果有可比性。北京創(chuàng)世奇科技經(jīng)過數(shù)年的探索和實踐，在北京市科委、北汽研究總院、中航重機力源液壓股份公司、北京工業(yè)大學(xué)、成都天人壓力容器有限公司等單位的大力支持下，該裝置先后裝配在捷達轎車、北京現(xiàn)代伊蘭特轎車上進行各種測試。試驗樣車選用三輛北京現(xiàn)代工程機械公司2008 款伊蘭特新車，其中1 輛作為對比樣車。該車整備質(zhì)量1.25 噸，配 a1.6LD-CVVT發(fā)動機和5 檔手動變速器， 經(jīng)過 5000 公里的磨合后進行改裝前后的對比測試（見圖9）。該車改裝前后的主要技術(shù)性能指標見表2：從表中可看出，該系統(tǒng)的節(jié)能效果是明顯的。通過進

15、一步的改進，包括和發(fā)動機的聯(lián)調(diào)控制，可以達到更好的節(jié)能效果。表中，燃油經(jīng)濟性在天津國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心。而動力性、安全性和噪聲等性能指標是委托北京汽車研究院實驗中心在通州交通部公路試驗場完成的。可靠性測試是在通州交通部公路試驗場，9000 公里高環(huán) /強化路面 / 山區(qū)道路測試通過。環(huán)適性是在云南進行2000公里高溫、高濕、高原以及在福田環(huán)模實驗室-20 度低溫啟動測試通過。5、結(jié)論北京創(chuàng)世奇科技公司在液壓混合動力無級變速領(lǐng)域進行了多年的研發(fā)實踐和探索，有效解決了液壓傳動的比能低、噪聲大、控制難的難題。研制成功了重量輕、體積小、價格便宜的靜壓傳動裝置CSQ-HST ；安裝在汽車上，在國家授權(quán)的油耗與排放實驗室檢測的結(jié)果是，市區(qū)工況百公