基于AMESim的囊式液压蓄能器参数对混合动力系统性能的影响研究

陈有权，范丽丹，张国福，于晓慧，赵 悦，刘昕晖

随着世界经济的快速发展，对交通运输业的需求越来越大，但是，能源与环保问题一直是人们所关注的影响经济发展的两大问题［1］.因此，科学工作者们将研究重点集中在节能与新能源车辆的研究上，这类车辆可在节能与环保方面发挥非常重要的作用［2-4］.目前，研究较多的节能与新能源车辆主要集中在电动车及油电混合动力车辆方面，充分发挥了这类车辆续航能量密度大、里程长的特点.但是，对于功率密度要求较高的重载车辆而言，需要更多的功率去驱动车辆，相反，重载车辆在减速时有较多的功率可以回收.液压混合动力技术以其功率密度大、充放迅速、绿色环保等特点，受到了广泛的关注与应用［5-6］.

正如国外EPA文献报道［7］:“液压混合动力车辆的主要优势是捕捉和应用很大比例的通常损失掉的制动能量，由于具有高功率密度，液压混合动力技术可以快速而有效地存储和释放大量的能量，因此，在最大化能量回收以及增加发动机燃油经济性方面，这是一非常关键的因素.”

通常，混合动力车辆被定义为两种或两种以上动力源驱动的车辆.根据液压二次元件与发动机的耦合方式不同，液压混合动力的结构可以分为并联式结构、串联式结构和混联式结构三种构型.其中，串联式与并联式构型是两种最基本的构型.串联式构型是将各动力源以串联方式连接，因此，只有最后动力源可以给车辆直接提供动力.这种动力配置方式不仅容易控制，还可以获得比并联式结构稍微高一点的燃油经济性收益，但是，这种结构需要更大的原件尺寸，与传统的动力传动系统有很大的不同.而并联式构型，所有的动力源都可以直接驱动车辆［8］.因此，方便在现存车辆系统的改装，并且能够减小主动力源的尺寸及功率，但是控制系统更加复杂.此外，还有将串联式与并联式结构合并在一起的混联式结构，兼顾串、并联结构的优点，但结构及控制系统更加复杂［9］.其中，液压蓄能器是液压混合动力系统中重要的原件之一，其主要作用是将液压二次元件捕捉到的制动能量存储起来，在系统需要的时候，适时、适量地将存储的能量释放出来，以进行车辆的辅助驱动［10］.但无论哪种构型，蓄能器的作用都是一致的，只是对于不同的车辆，蓄能器容积的大小、预充气压力等参数对液压混合动力系统的影响较大.因此，本文将在混合动力系统构型确定的前提下，通过建立系统各部件的数学模型基础上，基于AMESim软件建立液压混合动力系统的仿真模型，分析液压蓄能器的不同参数对系统性能的影响，并通过相应的实验进行验证，为系统最终选型以及后续的研究奠定基础.

1 并联式液压混合动力系统结构及工作原理

并联式液压混合动力系统结构如图1所示，混合动力系统主要由发动机、液压二次元件、转矩耦合器、高压液压蓄能器和低压液压油箱以及连接管路组成.其主要工作原理是当车辆制动时，通过液压二次元件将车辆的一部分制动能量转换为液压能存储在高压蓄能器中，当车辆需要时，在中央控制器的作用下，再将高压蓄能器中的液压能适时地释放出来，以辅助驱动车辆运行，此时，发动机就能够适当地减少工作时间或工作强度，以调整发动机的工作点，同时，由于发动机经常工作在经济区域，燃烧比较充分，因此，可达到节能环保的目的.在众多的液压混合动力元/部件中，液压蓄能器的作用显得至关重要，其参数匹配的好坏将直接影响整车能量回收与利用的性能.

图1 并联式液压混合动力系统原理图

2 液压蓄能器的工作过程及数学模型

液压蓄能器作为蓄能单元，将能量以压力能的方式，通过充能和放能进行能量存储和传递，并且能够起到缓冲作用.由于液体是高度不可压缩的，因此不能蓄积压力能，必须通过其它介质来转换、积蓄压力能.

如果在液压油和氮气之间没有屏障，高压气体会迅速地进入液压油，并达到由亨利定律（Henry’s Law）［11］所确定的量，从而会引起其他部件的问题.此外，将气体预压到所需的压力是极其困难的，这个事实导致在蓄能器中创建两个独立的腔室，可以改变大小和共享一个共同的容积.

蓄能器［12］按加载方式可分为弹簧式、活塞式和气体式三种，其中，弹簧式液压蓄能器，如图2所示，是依靠压缩弹簧把液压系统中的过剩压力能转化为弹簧势能存储起来，需要时释放出去，其结构简单，成本较低.但是因为弹簧伸缩量有限，而且弹簧的伸缩对压力变化不敏感，消振功能差，所以只适合小容量、低压系统（P≦1.0～1.2MPa），或者用作缓冲装置.而活塞式液压蓄能器，如图3所示，它通过提升加载在密封活塞上的质量块把液压系统中的压力能转化为重力势能积蓄起来.其结构简单、压力稳定.缺点是安装局限性大，只能垂直安装，不易密封，质量惯性大，不灵敏.这类蓄能器仅供暂存能量用.这两种蓄能器因为其局限性已经很少采用.囊式蓄能器，如图4所示，是利用惰性气体（如氮气）的可压缩性来蓄积液体的原理（即采用氮气作为压缩介质）而工作的.胶囊式蓄能器由油液部分和带有气密隔离件的气体部分构成，位于胶囊周围的油液与油液回路接通.如图4所示，囊式蓄能器主要由壳体、胶囊、充气阀、菌形阀等部件组成.

囊式蓄能器提供的尺寸范围广，压力变化响应快，并提供高功率输出.对于使用蓄能器作为能量存储设备的移动应用场合来说，囊式蓄能器是最常用的.由于重量和反应的优势，以及储存大量液体的需要，本文选用工程界常用的气囊式蓄能器进行研究，它使用液压油与液压系统的其它部分进行连接，但是能量是通过压缩气体来储存的.

由于氮气在化学上是惰性的，不易燃的，而且具有丰富的特点，常常被做为液压蓄能器使用的气体.

图2 弹簧式蓄能器

图3 活塞式蓄能器

氮气由充气阀充入与排出，利用橡胶托环与菌形阀保护膨胀时的胶囊、壳体形成容器，起到支撑和保护作用，应符合最高压力设计，氮气与液体用胶囊隔离，液压油通过油阀流入与流出，阀体座可与配管进行连接，位于胶囊周围的油液与液压回路相通.因此，当压力升高时，油液进入囊式蓄能器，压缩气囊中的气体，直到系统管路压力不再上升；当压力下降时，气囊中的被压缩气体膨胀，进而将油液压入回路，从而减缓管路压力的下降.

使用前的状态（氮气与液体未进入），胶囊内预先充有氮气，油阀是关闭的，防止胶囊脱离.达到最低工作压力时，胶囊外和油阀之间应保留少量油液（约为蓄能器公称容量的10%），不至于胶囊在每次膨胀过程中撞击阀，引起胶囊损坏，蓄能器处于最高工作压力.最低工作压力和最高工作压力时的容积变化量相当于有效的油液量，ΔV=V1-V2.

图4 囊式蓄能器内部结构图及工作原理［13］

囊式液压蓄能器的建模方法有许多，并且不同的方法具有不同的精度.本文将采用绝热模型和一个考虑气体压缩热特性的更高级的模型.

蓄能器内的压缩和膨胀过程应遵循气体状态多变的规律.根据Boyle-Mariotte定律，对于理想的气体，液压蓄能器应满足下列方程，

式中:P0,V0分别是初始或预充压力（MPa）和相应的初始气体体积（m3）；P1,V1分别是最小压力（MPa）和相应的最大气体体积（m3）；P2,V2分别是最大压力（MPa）和相应的最小气体体积（m3）；n——Boyle-Mariotte定律气体多变指数，它是气体特性随着时间的影响指数.缓慢的膨胀和压缩过程的状态变化接近于等温，多变指数可为n=1；而快速的膨胀和压缩过程发生绝热的状态变化，取n=1.4（适合双原子气体的氮气），其它情况介于二数值之间.那么，蓄能器中的能量可以通过下式得到，

这里，负号代表能量随能量随体积减小而增加，对pVn进行求导，

已知

求导

通过这个方程，可以帮助我们理解蓄能器有能力存储能量的本质.但是，P2受到蓄能器物理强度的限制，并且V0是蓄能器的空容量.因此，考虑到蓄能器的物理限制，而要达到蓄能器最大能量存储，选择一个合适的P0是非常重要的.注意到，方程（7）只有在两种情况下，即，当P0=0或P0=P2时，才能等于零.同时，通过计算下式可以得到一个最值，即

类似的推导也可以用在n=1的情况，

3 蓄能器参数对系统性能的影响

液压蓄能器是液压混合动力系统中必不可少的重要部件之一，主要负责存储由液压二次元件回收的制动能量并以压力能的形式进行存储.

由于气囊式蓄能器使用液压油来与液压系统的其它部分进行连接，但是能量是通过压缩气体来储存的，液压混合动力的回收能力受液压蓄能器的大小和配置限制.因此，液压蓄能器各参数的选择合适与否，将直接影响整个液压混合动力系统性能的优劣［14］.

对于囊式蓄能器的参数，主要有蓄能器的容积和预充压力两个参数.利用LMS Imagine.Lab AMESim仿真环境下分别建立并联式液压混合动力车辆的虚拟样机和控制模型［14］，如图5所示，并对混合动力系统进行动态仿真.通过这个模型，可以了解在达到压力极限和体积极限之前多少能量能被存储在蓄能器中，并针对液压蓄能器进行可视化后处理，分析液压蓄能器参数对系统性能的影响.

图5 FPHHV底盘系统顶层仿真模型

3.1 液压蓄能器预充压力对系统性能的影响

液压蓄能器的预充压力对液压蓄能器本身以及整个液压混合动力系统影响很大，所以对蓄能器预充压力的选择既要考虑系统的工作性能还要考虑系统的安全性.对液压蓄能器进行预充气，使胶囊存有一定的初始压力，可以保证系统在最高工作压力时，蓄能器能将压力油顺利地释放出来.理论上，P0=P1，但由于液阻、泄漏以及温度的影响，实际的预充气压力是小于系统的最低工作压力的，预充压力不得超过最低系统压力的90%.因此，为了充分地利用蓄能器的容量，按经验公式，预充气压力的取值范围应满足下式，

囊式蓄能器NXQ系列允许容积利用率为实际气体容量的75%.因此预充氮气压力和最高工作压力间的比例应满足下式

这样，在最高压力Pmax确定之后，即可计算出预充压力P0.遵照这种规定可保证较长的胶囊使用寿命.其它压缩比可采用特别的措施达到.

利用数值仿真的方法我们可以直观地看到不同的蓄能器预充压力对系统性能的影响.如图6所示，在设定液压蓄能器的容积为100L，分别对预充压力80bar、100bar、120bar、140bar、160bar时的混合动力车辆的速度、加速度、蓄能器压力、气体的容积变化以及蓄能器存储和释放的能量变化进行仿真.从图中可以看到，预充气压力的变化对混合动力车辆的车速和加速度几乎没有什么影响，但蓄能器的液体压力和气体的体积变换较为剧烈.在较低预充气压力情况下，由于预压压力比较低，蓄能器可冲入的液压油的体积最大，这是因为在达到最大压力之前，气体可以被压缩得更多.但由于压缩气体的压力很小，所以，储存在蓄能器中的能量相对较低

而蓄能器的能量变换幅度并不剧烈，只是有较小幅度的变化.从图中可以发现，随着预充压力的增加，车辆在制动时，蓄能器中的液体压力上升较快，而气体的体积变化相对较小，能量的影响并不是很大，但较高的预充压力会使系统回收的能量反而较少，因为尽管压力很高，但是气体体积的变化相对较低，那么，在达到最大压力之前，很少有液压油进入蓄能器.所以，在这种情况下回收的能量很低.

因此，在选择液压蓄能器预充压力时，应在式（12）的范围内，合理地选择预充压力以及蓄能器的大小，以平衡良好的能量储存和理想的流体储存，使系统能够存储更多的能量.

图6 蓄能器预充气压力对系统性能的影响

3.2 蓄能器的容量选择

对于并联式液压混合动力系统，液压蓄能器的容积大小与蓄能器的预充压力同样重要，它将直接影响着系统所能存储能量的多少，通过改变蓄能器的大小来调整储存其中的液体量，从而可以调整存储在其中的能量.如果太小，不能满足最大限度地回收车辆的制动能量，如果太大，又受到车辆安装空间及成本的限制，因此，合理地选择液压蓄能器的容积技能保证回收能量的数量，又能起到减小空间、节约成本的作用.

液压蓄能器的能量存储能力是蓄能器的最大压力和蓄能器容积之间的函数，而由于P0与P2之间的固定比例，储存在蓄能器中的液压油的油量（V0-V2）却只依赖于蓄能器的容积.如式所示，

由 ΔV=V0-V2，可知，V2=V0-ΔV，则式（14）可表示为

即

为了保证液压混合动力车辆在制动时蓄能器能回收相当一部分制动能量，通常以平均车速作为衡量标准，这样才能保证存储全部回收的制动能量，即

式中，vavg——车辆行驶过程中的平均车速，m/s；m——车辆质量，kg.

为了更直观、清晰地看到液压蓄能器的容积对系统性能的影响，本文基于AMESim软件［15］，假定液压蓄能器预充压力为160bar，分别对蓄能器的容积为60L、70L、80L、90L、100L、110L六种情况进行仿真分析.液压蓄能器容积对系统性能的影响如图7所示，从图中可以看出，随着蓄能器容积的变大，液压蓄能器的容积对混合动力车辆的车速与加速度的影响并不是很大，蓄能器的液体压力变化幅度较大，蓄能器的能量变化的幅度的影响相对较小，而气体的压力变化幅度几乎相等.

图7 蓄能器容积对系统性能的影响

其中，液体的压力上升的幅度会随着蓄能器容积的增加而减小，而在回收能量一定的情况下，蓄能器容积越大，混合动力系统回收制动能量的能力也就越强.但达到最优值后，再增加蓄能器的容积对能量的回收效果也没有太大的改善，甚至可能会出现少许降低的趋势［16］.由此可见，蓄能器的容积对提高系统性能和节约装配空间与成本显得至关重要.因此，在对蓄能器选型时，应根据具体情况以及设计要求，合理地选择蓄能器的型号.

4 热损失校正

以上分析是在理想条件下（气体在能量转换过程中是绝热的）进行的，虽然有助于理解，但是在实际的能量转换过程中的气体与理想气体存在一定的偏差，存在热量损失.尤其是在充能、放能速度比较快的能量再生系统中，热量损失更为严重.而这涉及到蓄能器循环的整体的动力学问题.为了使所建的模型更加精确，根据基本热力学理论，应用BWR（Benedict-Webb-Rubin）方程［17-19］，可以得到关于压强、温度和特定体积的一个微分方程和两个代数方程，即

A0、B0、C0、a、b、c、d和γ均为特征参数，由实验回归而得.

这些方程是基于蓄能器和环境之间的热交换率可以使用热力学时间常数——ξ来建模的想法建立的.这个热力学时间常数定义了气体的温度在气体和环境空气之间的温度差异的速度，确切的时间常数一般通过实验得到.

囊式蓄能器的热损失是蓄能器充能/放能之间的时间延迟的函数，这可以大大降低蓄能器的整体效率.如图8所示，当ξ以及时间延迟不同的三种情况的蓄能器压力变化情况.所有的情况都被循环，直到达到平衡，然后能量和滞后被捕获.

图8 囊式蓄能器的热损失

从图中可以看出，蓄能器充能与放能之间的延迟时间对蓄能器能量的储存能力有直接影响.这是由于延迟时的热变化减少了在压力限制之前的允许的体积变化.值得注意的是，增加热时间常数尽管它大大提高了效率，但却降低能量储存容量.这是由于有一小部分能量被用来改变气体的温度，从而改变了压力—体积曲线的形状.

在实际工程中，常常将弹性泡沫添加到蓄能器中，以提高蓄能器的热时间常数.考虑到蓄能器中会发生的热损耗和真实气体动力学，蓄能器的实际尺寸应该比理论值大10%～30%左右，甚至可以达到50%.

5 实验

根据前面的理论分析，初步确定了蓄能器参数，如表1所示.

表1 液压蓄能器主要参数

为了验证和测量液压混合动力系统的对车辆的节油与动力性能的影响，研制了液压混合动力起重机的实验样车，如图9所示，分别对混合动力实验样机和原始样机在循环工况下进行了循环实验.先从车速为0加速到30km/h，再由30km/h减速到0，进行多次的循环实验，来测量油耗、车速、距离等相关信号.本文主要针对液压混合动力起重机的动力性能与节油性能进行了比较与分析.其中节油率的计算参照公式（21）

式中，SFuel——节油率；Ccon——起重机在原车传动形式运行下的油耗；CHyb——起重机在混合动力系统辅助下运行的油耗.

图9 混合动力实验样车

对比两种工况下的测试曲线以及蓄能器压力变化曲线，如图10、11、12所示，可以看出，蓄能器可以有效地补充和释放能量，车辆在混合动力系统辅助下的油耗要低于原车传动形式下的油耗.而在混合动力辅助下车辆行驶位移的提升也代表了车辆动力性能的增强.经过计算可以得出，目前车辆在混合动力系统的辅助下，从0加速至16km/h过程中的节油率为34.75%，由此也可以推测，在制动较为频繁的工况下，车辆的燃油经济性较为可观.

图10 车辆油耗对比（单位：L）

图11 车辆行驶距离（单位：m）

图12 蓄能器压力变化（单位：bar）

6 结论

通过建立液压蓄能器的数学模型，基于AMESim多学科领域复杂系统建模仿真平台，结合实验样机实际参数，建立了重载车辆并联式液压混合动力系统仿真模型，分析了液压蓄能器主要参数对液压混合动力系统性能的影响.从仿真曲线中可以看出，蓄能器的容积以及预充压力对系统性能影响较大，只有合理地选择液压蓄能器的参数，不仅节省原件布置空间，而且可以最大限度地提高系统的性能.同时，考虑到蓄能器在实际的充、放能过程中会存在热损失，设置了热损失校正参数，在实际工程中，采用在蓄能器中添加弹性泡沫的方法，来提高蓄能器的热时间常数，可大大提高蓄能器的充、放能效率，以消除热损失的影响.通过试制混合动力实验样车并进行相关实验，结果表明，可以通过仿真确定的参数范围对蓄能器选型，使蓄能器能够有效地对制动能量进行回收与利用，并且节油率相当可观.此外，本文的研究成果为后续的液压混合动力车辆节能研究打下了良好的基础.