液压再生制动系统在工程车辆中的应用

郑 鑫

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

液压再生制动系统是工程车辆的一种特别制动方式[1]。工程车辆在行驶或运行过程中经常减速制动，工作装置经常升降，通过能量储存传递制动能和重力势能[2]。利用再生能源提供动力可以充分集成并简化系统结构，实现对车辆多个系统的集成控制，符合节能环保工程车辆的未来发展趋势。因此，开展液压再生制动系统的研究具有重要的现实意义[3]。

1 节能分析

1.1 储能方法

可用于工程车辆的液压再生制动储能元件主要有4种,即液压蓄能器、超级电容、飞轮储能器和蓄电池蓄能器，对其性能的比较分析如下：

由表1可知，液压蓄能器具有功率密度大、存储能力强、释放能量时间短的特点[4]，这是提高工程车辆制动能量回收率和燃油经济性的关键因素。同时液压蓄能器使用寿命较长，制造简易、维护方便，且环保无污染，综合性能最高，特别适用于工程车辆的频繁启停工况，因此液压再生制动系统中的储能元件优先选择液压蓄能器。

表1 储能元件性能的比较

1.2 结构类型选择

液压再生制动系统利用液压蓄能器作为能量存储元件，并利用液压泵/马达作为能量转换元件。液压泵/马达通过改变斜盘的摆动方向来实现工作特性(在扭矩转角范围内达到4个象限的工作循环)。液压再生制动系统基于上述特性，配备了以液压泵/马达和蓄能器为核心部件的能量回收单元,其特点是在保证工程车辆的稳定性的前提下，根据适当的节能策略，有效地回收车辆的制动和惯性能量，并在启动、加速、作业过程中释放回收的能量。液压再生制动系统与变速箱的联接位置可分为3种结构形式：串联、并联和混联，如图1所示。

图1 系统结构图

在3种结构形式中，并联液压再生制动系统易于安装且易于实行,可以安装在现有的工程车辆上。扭矩联轴器布置在变速器输出轴的后方，以最大程度地回收制动能量。它的回收效率高于串联结构和混联结构，并且是一种很有发展前途的结构形式。国内外工程车辆大多数使用并联结构形式[5]。

1.3 节能方案设计

液压再生制动在工程车辆上的应用与常规乘用车辆不同。首先，在整车结构与行驶工况等方面存在差异，如传动系统、行走路况、制动力要求及作业环境，这就要求设计与之相匹配的能量再生系统和控制方案。其次，因制动系统结构不同，常规乘用车辆需对制动系统进行改造或重新设计，而工程车辆采用液压再生制动系统后，只需要加装1套液压传动系统，与原制动系统和传动系统相匹配，确保车辆的制动和驱动稳定，如图2所示。

图2 整车并联结构配置图

通过变速箱动力耦合接口与原工程车辆传动系统相连，回收制动能量或者释放储存能量，作业系统通过齿轮泵与液压泵/马达连接，当旋转方向和转速都保持一致时，作业系统的液压油缸开始工作。

传统工程车辆作业系统能量传递路线如图3所示。发动机提供动力，通过变速箱传递到液压泵，液压泵被驱动旋转，并将机械能转换为液压能。液压泵驱动液压缸膨胀和缩进，完成动作响应。全部过程的能量转换是从机械能到液压能再到机械能的转换过程。

图3 传统工程车辆作业系统能量传递路线

液压再生制动系统能量传递路线如图4所示：在传统的能量传递路线中，增添液压能量传输路径。通过回收利用车辆在制动、怠速等情况下的剩余机械能，转换为液压能并存储在高压蓄能器中。在工程车辆作业过程当中，液压泵可独自驱动，也可以与发动机共同驱动。整个系统采用转矩耦合的形式驱动液压泵，动力源可以是液压泵/马达，也可以是发动机和液压泵/马达的组合。

图4 液压再生制动系统能量传递路线

1.4 节能回路

节能回路如图5所示，它是系统工作的主要回路之一，其中第1蓄能器为高压蓄能器，第2蓄能器为低压蓄能器。在能量回收模式下，液压泵/马达工作在泵状态，先导式液压止回阀1、2分别处于左位和右位，液压泵旋转，把液压油从第2蓄能器压入第1蓄能器，将机械能转换为液压能储存起来。在能量释放模式下，液压泵/马达工作在马达状态，先导式液压止回阀1、2分别处于右位和左位，马达在高压油液的驱动下，输出转矩。液压油从第1蓄能器流入第2蓄能器，将液压能转换为机械能。

图5 节能回路

2 能量分配及其控制策略

液压再生制动系统的能量分配和控制策略，是并联式液压再生制动系统在工程车辆上应用的研究重点。其中包括2个关键问题，一是制动过程中制动强度的不确定性，涉及再生制动蓄能器的充放液和液压泵的转矩问题；二是驱动过程中，加速度以及速度的不确定性，涉及再生制动蓄能器的充放液和马达的功率问题。工程车辆驱动与制动过程中制动能量管理基本上属于转矩和功率的控制。

2.1 再生制动系统的制动控制

工程车辆制动时，传统制动系统和液压再生制动系统将同时或分别制动车轮，并根据制动踏板的开度和车速计算制动强度和总制动力矩。然后，控制器执行制动力分配，并根据液压再生制动蓄能器的压力确定所需制动力的大小，得出所需再生制动力的大小和所需传统制动力的大小。

并联式液压再生制动系统工程车辆的制动控制策略如图6所示。

图6 再生制动控制框图

2.2 再生制动系统的并联驱动控制

并联液压再生制动系统工程车辆的驱动力包括2种：发动机和液压再生制动系统。工程车辆在行驶中，通常有3种驱动形式：液压泵/马达单驱，发动机单驱，发动机和液压泵/马达并联驱动。因此，并联驱动控制应确保发动机在高效率区域工作，液压蓄能器被填充和排放，确保液压泵/马达能够有效且稳定地运行，从而使液压再生制动系统实现节能减排。

并联式液压再生制动系统工程车辆的驱动控制策略如图7所示。

图7 并联驱动控制框图

3 结束语

对比不同的储能方式、结构类型，指出其优缺点，设计了并联液压再生制动系统工程车辆的节能方案，提出了制动能量的回收和再生利用控制策略,为工程车辆多系统的集成控制提供了理论依据，为系统仿真和试验奠定了基础。