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1、混合动力及制动能量回收,主要内容,一、研究背景 二、制动能量再生系统的蓄能形式 三、液压混合动力系统的传动方式,一.背景,在“节能环保”呼声高涨的今天，面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点，各类新能源技术的研发如雨后春笋般涌现。显然，新能源汽车不可能一蹴而就，混合动力汽车则应运而生。液压混合动力技术虽然起步较晚，但液压技术作为一项安全、可靠、节能、环保、价格廉价的成熟技术，运用到城市客车节能减排研究中可谓取长补短，相得益彰。,制动状态下的能量回收是提高混合动力汽车（传统的油电混合动力汽车）燃油经济性和延长其行驶里程的一项重要技术，在
2、制动过程中，电动机作为发电机来使用，回收的能量以电能的形式存贮到电池中。制动能量回收技术是目前混合动力汽车制造商广泛采用的一项技术，通过电机的辅助制动，通常情况下可以将制动过程中车辆的部分动能回收到蓄电池，极大的提高了能量利用率。考虑到电机的制动效能以及制动稳定性，当前的混合动力汽车大都采用电、液制动相结合的混合制动方案。,二、制动能量再生系统的蓄能形式,通常装备公交车用于能量回收的储能单元有三种：飞轮储能器、蓄电池蓄能器和液压蓄能器。下面分别介绍其基本原理并对比分析。,飞轮蓄能式混合动力系统,超高速飞轮结构示意图,飞轮蓄能器又叫超级飞轮，整个装置处于真空状态，由外壳、飞轮、磁性轴承、和安装在
3、飞轮系统底部的能量转换装置构成。能量转换装置由 PM 无刷电动机转子、定子以及接线端子构成，既能发电又能驱动。,末端装备由接线端子控制的具有可逆功能的电动/发电机：蓄能时，端子正接，可逆元件作为发电机对飞轮做功，提高其水平旋转角速度；放能时，端子反接，可逆元件又作为发电机对外做功，消耗电能致使飞轮水平旋转角速度不断降低。,飞轮蓄能式混合动力系统原理图,制动时，飞轮离合器接通，变速器传来的旋转惯量通过传动齿轮的传递直接作用到高速飞轮上，增大飞轮角加速度制动能转换为飞轮旋转惯性能。,起步或加速时，飞轮离合器接通，飞轮惯性能通过传动齿轮和传动轴作用到驱动轮上从而起到辅助驱动的作用。,飞轮式蓄能器体积
4、和装载质量小，能量密度和功率密度反而较大，能量转换无中间变化过程，属纯粹的机械能与机械能之间的转换，效率高。 但是飞轮蓄能器应用到混合动力车辆传动系中，也存在技术问题：首先，车辆行驶运行中起伏颠簸，不能保证飞轮一直处于水平旋转，因此产生的陀螺力矩将影响车辆的操纵稳定度；其次，飞轮做匀速圆周运动，向心力正比于飞轮质量和速度的二次方，反比于半径。同时高的能量密度要求飞轮使用密度大、结构强、质量高的复合材料。因此当转速升高时，向心力的增大速度非常惊人。以现有技术还不能很好调节该矛盾，因此限制了飞轮蓄能器在车辆制动能量回收中的应用。,飞轮式蓄能器的优缺点,蓄电池式混合动力系统,蓄电池式混合动力即为通常
5、所说的混合动力，指燃料（汽油，柴油）和电能的混合。蓄电池式混合动力根据驱动形式可分为串联式（SHEV）、并联式（PHEV）以及混联式（Series-Parallel Combined Schedule）；根据对电池的依赖程度又可分为弱混合动力、中混合动力、强混合动力以及插电式混合动力。,并联式油电混合动力系统原理图,右图是并联式油电混合动力车的原理图，主要由发动机、发电/电动机、蓄电池、离合器、变速器、转矩耦合器和驱动桥等组成。,蓄电池式混合动力系统虽有诸多分类，但原理上与飞轮式相似，能量转换的实现同样离不开可逆元件发电/电动机。这里采用电池组取代飞轮。,蓄电池式混合动力的优缺点,从根本上避开
6、了前者陀螺力矩和向心力难以抑制的问题。能量的转换经过发动机导线电池组导线电动机，然后才通过转矩耦合器传递到驱动轴，能量回收与再利用效率低。系统还须增加大功率交流发动机，体积庞大的电池组，交流直流电转换器，并引入变频技术。可见蓄电池式混合动力虽然基于成熟的电技术，能量控制简单易行，但同样面临了诸多问题的困扰。 蓄电池能量密度低、电动机功率密度低的油电混合动力系统与车辆在起步加速或制动时需要快速释放、回收较大功率这一特性相矛盾；蓄电池组制造价格高，自重大，自身电量管理也须消耗相当的能量，因此虽然油电混合动力技术获得普遍青睐，并获得一定成就，但其前景依然不明朗,液压蓄能式混合动力系统,液压蓄能式混合
7、动力是以液压蓄能器作为储能元件的一种新型混合动力技术，该系统通过二次液压元件泵/马达实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转换。车辆制动时，二次元件以“泵”的形式工作，车辆行驶的动能或惯性能带动泵旋转，将液压油压入高压蓄能器中，实现动能到液压能的转化；当车辆起动或加速时，二次元件以“马达”的形式工作，蓄能器释放高压油以驱动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化。液压混合动力系统根据液压制动能量再生系统与整车耦合位置不同可分为四种形式：串联式、并联式、混联式和轮边式。,并联式液压混合动力系统原理图,右图是并联式液压混合动力车辆的传动原理图，主要由发动机、离合器、变速箱、高压蓄能器、低压蓄能器、泵/马
8、达、再生系统离合器、转矩耦合器和驱动桥等组成。,液压储能优点是功率密度较大，能量保存时间较长，各个部件制造技术成熟，工作稳定，性能可靠； 缺点是系统的工作压力高，对密封性要求较高，并且液压系统体积庞大，高压具有一定危险性。 虽然液压二次元件调节技术看似落伍，但是液压二次元件和蓄能器可以为应用扭矩和能量存储提供一种性能可靠、成本低廉的途径，这也正是混合动力车辆所需要的。,液压蓄能式混合动力的优缺点,能量密度指每单位的储能元件中所能储存的能量值；功率密度指每单位的储能元件所能吸收或释放的最大功率，二者是衡量储能元件性能的重要指标。如果车辆的能量密度较高，则代表混合动力车辆的能量储备系数较大；如果车
9、辆的功率密度较大，则代表混合动力车辆能够迅速、充分的储存或释放制动能量，而只有具备高功率密度的储能单元才最适合混合动力车辆制动能量的再生与辅助驱动。,三种典型混合动力系统的对比,从表中可以看出，超级飞轮和银锌电池作为储能元件都具有很高的能量密度，但是，只有液压蓄能器的功率密度最高。而其他几种储能元件相差甚远。从储能元件性能上看，液压蓄能器是较理想的制动能量再生与辅助驱动的蓄能单元。,三、液压混合动力系统的传动方式,根据制动能量再生系统与发动机的不同配置形式，液压混合动力城市客车分为四种形式：串联式混合动力驱动、并联式混合动力驱动、混联式混合动力驱动和轮边式混合动力驱动。,串联式驱动力配置系统原
10、理图,串联式混合动力驱动系统,串联液压驱动力配置系统的动力源有两个：发动机和高压蓄能器。该系统配置中，发动机只与液压泵联接，而不直接跟变速箱联接。,运行时，控制器作为整个系统的大脑，同时向发动机、单向液压变量泵和双向液压变量泵/马达发出转速和排量控制指令；同时，高压蓄能器根据系统载荷的变化提供补充油液。,串联式系统的优势：减速或制动时，发动机可以处于怠速或者停机状态，双向液压泵在变速箱传动轴作用下转动，将液压油泵入蓄能器中；由于车辆直接动力源来自变量可调的二次元件，故驱动力可实现无级调节，大大改善行驶平顺性和乘员舒适性；装载较小功率发动机，降低整备质量，降低排放量。 缺点：生产延续性差，对整车
11、改动较大；发动机输出的转矩没有直接为车辆提供驱动力矩，而是经过两次机械能与液压能转化，因而系统效率低；受二次元件最高转速的限制，该型车辆最高时速较低；长时间工作，液压油温度升高，对系统稳定性和能耗都产生负面影响。 串联式液压混合动力车辆只适用于载荷和整备质量较小、对车速要求不高但要求运行平稳的特殊行走机械或小型公交车。,并联式驱动力配置系统原理图,并联式混合动力驱动系统,并联式液压驱动力配置系统的动力源有两个：发动机和高压蓄能器。不同的是车辆在制动能量再生系统不工作时可由发动机单独直接驱动车辆，这跟传统车辆传动方式一样；在制动能量再生系统工作时，也可直接驱动车辆；或者二者同时直接驱动车辆,并联
12、式液压驱动力配置系统有两条驱动路线：,这两条驱动线可根据具体的工况和控制策略的要求分别单独或联合工作。,该系统的优点：生产继承性好，安装方便，易于实现，对现有城市客车都可加装，转矩耦合器布置在变速箱输出轴后，可最大限度的回收制动能量；两套动力系统分别跟驱动轴刚性连接，传动效率大大提高；采用的液压系统质量不大，对液压系统和蓄能器压力要求不高。,混联式驱动力配置系统原理图,混联式混合动力驱动系统,综合串联式和并联式液压混合动力系统可知，混联式系统具有串联式和并联式系统的功能，并且将两种类型的系统很好的结合起来，发挥各自的优点。,混联式系统具有三条驱动路线：,车辆起步或加速时，高压蓄能器驱动马达转动
13、提供驱动转矩单独或与发动机联合驱动；遇到车辆负载随机变化较大工况时，采用串联驱动，发动机直接驱动液压泵，蓄能器起到“开源节流”的作用，以减少外来负载对发动机的影响，提高发动机的运行平稳性；制动减速时，与并联式工作模式相同，存储液压能。,混联式综合两者的优势，取长补短，优化发动机燃油经济性，降低排放。混联式系统对车辆原有构造改动大、成本高、需要配置复杂的控制策略。仅限纸上谈兵，很难付诸实践。,轮边式驱动力配置系统原理图,轮边式混合动力驱动系统,发动机只驱动变量泵控制液压系统处于恒压状态，而不直接参与车辆驱动。,该系统结构原理简单，即在每个车辆内侧安装一个变量可调的二次元件，相互之间通过液压管路串
14、联。打破常规，不采用传统的动力传动方式，也不采用变速箱,该结构的优点是：降低发动机装载功率，取消传统的动力总成机构，大大降低整车整备质量；可实现无级调节，提高车辆舒适性和操稳性；可实现四轮驱动，大大提高车辆动力性；辅助制动时也可从前后轮同时回收能量，提高能量回收率。 该结构也有一定缺陷：系统需装备四个双向变量二次元件和一个液压泵，双向变量液压二次元件价格昂贵、控制系统复杂；受液压二次元件最高转速的限制，装备该系统的车辆车速较低；受系统总功率的限制，单个高压蓄能器不能满足要求，需多个并联。 现有成形的轮边式液压系统仅用于飞机牵引车和特殊车辆。,补充：基于液压变压器的液驱混合动力车辆系统,虽然液驱
15、混合动力技术已取得一定成果，但该技术一直未寻得高效可控的二次元件（即能将液压能与机械能相互转换 的液压元件）使之达到高效节能的目的。目前，随着恒压网络技术和二次调节静液传动技术的发展，弥补了该技术的缺点，荷兰Innas和Noax公司于1997年提出新型液压变压器，该元件是一种能在液压系统中实现压力转换的二次元件，其结构集液压马达和泵于一身，不仅动态响应快，还可以无节流损失地快速改变变压比，其效率可达到80%以上。此外当液压系统中同一泵站驱动多个负载时，由于各个负载工况不同，且不能相对独立工作，致使各个负载的液压系统发生压力、流量相互影响的现象，即压力、流量耦联现象，然而应用液压变压器控制其变压
16、比可使不同负载之间相互独立，避免耦联现象发生。,车辆动力源为发动机21和主变速箱20将能量流的一部分以机械能形式驱动负载，直接通过传动轴15、副变速箱10与差速器12驱动车轮11；另一部分则转化为液压能形式来驱动负载，由主变速箱20驱动变量液压泵马达向系统供油，由于液压变压器具有压力比可调性，计算机13输出控制指令驱动比例阀、液压缸带动液压变压器配流盘控制角旋转即调节变压比，使液压能以最大效率通过液压泵马达驱动车轮11。 反之亦然，当车辆制动或减速时，离合器14打开，同时切断发动机21的动力。车轮11通过副变速箱10、差速器12带动液压泵马达工作，向系统供油即将制动能转化为液压能，此时由于液压变压器的降压特性，将制动能最大限度地回收到蓄能器中。,工作原理,新型混合动力节能系统优于传统节能系统，该系统的节能效果随变压比的增大节能效果显著。,Thank You !,混合动力汽车的传动系统与传统燃油汽车一样，都是将动力源提供的动力通过机械传动装置传递到车轮上。由于混合动力车辆的动力源是传统的内燃机和由电池带动的电机组成，因此它们的动力通常由机械耦合装置合并并进行传输，即发动机和电动机提供的动
