液压混合动力车辆及其工程应用,车辆现代设计方法,南京理工大学机械工程学院 Ph.D.,混合动力（Hybrid）简介,来源于汽车工业（内燃式汽车、电动汽车）目前所指的混合动力汽车一般是指混合动力电动汽车。,混合动力（Hybrid）简介,根据国际电工委员会电动汽车技术会建议，对混合电动汽车的定义如下：在这种混合型车辆上，至少有一种储能器、能源或能量转换器提供电能。混合电动汽车由牵引电机、载荷均衡装置、辅助动力单元以及传动系统组成。 混合动力车辆上装有内燃机和电动机2种动力源，它将传统的内燃机、电力驱动和储能装置结合在一起，与传统的内燃机动力相比，混合动力的主要优点是，采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容或蓄电池）提供能量缓冲功能，这样可以减小发动机尺寸、提高效率、降低排放。混合动力车辆基本上不改变现有的汽车产业结构，不改变现有能源的体系，不改变用户对汽车的使用习惯，这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。,混合动力电动汽车的优点,1、限制发动机怠速 2、制动能量回收 3、降低发动机排量 4、提高发动机效率,混合动力汽车发展的国内现状,我国混合动力汽车的研究起步较晚，在20世纪90年代末,才开始进行混合动力汽车的开发。目前的研究和开发工作主要是建立在电混合动力的基础上，所研发的混合动力汽车大部分都是并联式的,只是在原有汽车底盘上简单地加载电动机和蓄电池组,技术的集成度较低，缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统。而且两种动力源只是简单地结合,缺乏统一调配。这与国际上混合动力汽车的先进技术水平相比，还有很大差距。 2001年,国务院将电动汽车确定为“十五”国家12个重大科技专项之一,划拨出8. 8亿元专款,加上地方和企业配套资金,总投入达20多亿元,用来开展纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的研究开发工作,目前已经取得了阶段性的成果。,电混合动力汽车存在的问题,就目前的研究开发情况来看，电混合动力汽车普遍存在着如下问题： 1) 能量存储装置(电池) 所具有的比功率（单位重量存储的功率）较小,所吸收的制动能量少，效率低。同时由于功率所限，难以满足大型汽车加速或者爬坡时对大功率的需求。目前高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题，电池快速充电能力不足,难以保证制动时能量的及时回收（对于制动能量的回收效率只有20%左右）。 2）无论是镍氢电池还是锂电池，制造成本较高。因此目前投入商品化的电混合动力汽车都是处于政府补贴的状态。,电混合动力汽车存在的问题,3）对于锂电池来讲，锂的化学性质非常活泼，对环境较为敏感，容易引起燃烧和爆炸，给车辆带来不安全隐患的威胁。同时，电池的使用过程属于不可逆的化学变化过程，以目前性能最好的动力电池为例，它的充放电次数仅为500次，之后电池的性能会下降，直至报废。此外，报废电池的不科学处理会对环境造成很大污染。 4) 用于混合动力汽车的电机必须要同时具备可控性好、容错能力强、噪声低、效率高、对电压波动不敏感等性能特点。目前在混合动力汽车上运用最广泛的电机是交流感应电机，但这种电机本身就充斥着与生俱来的，很难轻易解决的功率和效率之间的矛盾。因此,需要进一步研制出能够用于混合动力汽车的，具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机来替代目前使用的交流感应电机。,与电混合动力比较，液压混合动力的优势,1 功率密度 2 制动能量回收效率 3 控制方式 4 制造成本 5 使用的安全性 6 使用的环保性 7 使用寿命 8 技术成熟度,研究的目的和意义,液压混合动力传动系统是基于二次调节静液传动技术而形成的一种新型传动系统。液驱静液传动技术具有无级变速的精细速度调节、容易实现正反转、能防止发动机超负荷运转以及可靠性高等优点，同时还可回收车辆的制动动能，保证发动机工作于最佳燃油经济区。相对于电混合动力技术，静液传动技术有功率密度大的特点，短时间内完成能量释放和存储能力强，在中、重型车辆和工程机械上具有很强的竞争力。因此基于节能环保而提出的液驱静液传动系统具有重要的理论意义和实际应用价值。进行本课题的研究对降低汽车油耗，节省有限的地球资源，保护环境和保持人类的可持发展有深远的意义。,液压二次调解的原理,在恒压网络中，一般的将机械能转化为液压能的元件液压泵称为一次元件，而将液压能与机械能互相转换的执行元件液压泵/马达称为二次元件。压力耦联系统中，由一次元件、蓄能器组成的恒压油源，其工作压力直接与二次元件相连，系统中无原理性的节流损失，从而提高了系统的效率；二次元件可通过改变斜盘的摆动方向来实现在转矩转角域内的四象限工作，既可为马达工况对负载进行驱动，又可做为泵工况对负载进行制动，为能量的回收和利用创造条件。,液压混合动力汽车动力传动系统的组成,采用液驱静液传动技术的液压节能汽车,其动力传动系统主要由发动机、液压泵、液压泵/马达（二次元件）、蓄能器、变速箱、车桥及电子控制单元(ECU)组成。,液压混合动力汽车发展状况,多年以来，美国环保署（EPA）一直与其合作伙伴致力于液压驱动技术的应用和推广，取得多项专利和研究成果。2004年美国福特公司将EPA为其提供的液压混合动力技术应用在F-150TONKA皮卡车上，实验结果表明该技术提高燃油经济性55%以上,有害气体的排放量降低了30%-40% 。同年，EPA在全球汽车工程师会议上展示了与其合作机构共同研发的一款基于液压混合动力技术的多功能商务用车(SUV)，并宣称在较少的单车成本投入后可提高燃油经济性55%。2005年EPA与Eaton公司联合开发了高度集成化的液驱动力传动系统，并将其应用在UPS（United Parcel Service）的邮递车上，使其燃油经济性提高了6070%。澳大利亚Permo-Drive公司将其开发的一款基于液压技术的能量回收系统RDS（Regenerative Drive System）应用在城市垃圾车和重型卡车上，也取得了良好的节能、环保效果。此外，日本三菱公司及德国M.A.N 公司也将液压蓄能系统运用在城市公共客车上。,液压节能汽车的国外发展状况,Fluid Power Transmission & Control Lab.,国外研究单位,Permo-drive,EPA、Eaton,UPS,MITSUBISHI MOTORS,Ford,Permo-drive公司的液压节能样车,Permo-Drive公司生产的液压节能汽车在模拟城市频繁起停的行驶工况下，可将燃油经济性提高37.7%，噪声降低10分贝，加速性能提高35%，制动距离减少50%。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,日本液驱混合动力汽车的研发现状,日本近年来也正积极开发采用液驱静液传动技术的公交汽车，三菱公司等几家名牌汽车制造公司生产了的CPS公交汽车，已在东京等三个城市中运营，其尾气排放和燃油费用各降低了20%以上。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,美国EPA推出的全液压驱动混合动力汽车,液压节能运动型多用途汽车可将燃油经济性提高55%，有害气体的排放量降低了30%40%。,UPS公司推出了两款液压节能邮递车样车,Fluid Power Transmission & Control Lab.,福特公司计划推出F150液压节能皮卡车,福特公司F-350 TONKA 皮卡车和计划推出的F150,Text,Text,Fluid Power Transmission & Control Lab.,1970 1990 1995 2000 2005 2010,EPAs Hybrid Timeline,Electric Hybrids,Chassis 6 Taurus size,Intense research program to study hydraulic hybrid technology and systems,F-550 Work Truck,Expedition SUV,Urban Delivery,SUVs and LDTs: Ford F-550 and Excursion (launch assist), GM Suburban and Ford Expedition (series),Full Series Red Ford Expedition,Full Series UPS Package Car,2 studies of best options in the 80s lead to hydraulic hybrid potential,Electric Hybrids,二、液压节能汽车的优势和定位,污染小,功率密度大,质量轻,效率高,价格低,液压节能的优势,Fluid Power Transmission & Control Lab.,液压节能汽车的优点,相对于传统内燃机汽车的优点： （1）可以回收车辆的制动动能，明显提高车辆的燃油经济性； （2）发动机和液压蓄能器可以同时工作，提高了车辆的动力性能； （3）可以实现无级变速，保证发动机工作于最佳燃油经济区，降低油耗； （4）减少对制动器的使用次数和强度，延长其使用寿命，降低其维修、保养费用； （5）选用较小功率的发动机可满足车辆的正常行驶要求，减少有害气体排放量减少对环境的污染 （6）改善车辆行驶平稳性，提高乘坐舒适性。,液压节能汽车的优点,相对于混合动力汽车的优点是： （1）在同等条件下，液压蓄能器能为车辆提供更大的辅助动力； （2）液压蓄能器充放能量速度要比蓄电池快得多，在相同条件下，液压蓄能器回收的能量多，而且价格便宜； （3）液压泵/马达输出扭矩大，控制精度高，响应速度快，结构紧凑，质量轻，所需安装空间小； （4）液压蓄能器使用寿命长，而且废旧储能元件不会对环境造成污染； （5）能量回收系统结构简单、工作可靠、使用寿命长。,节能效果对比,Fluid Power Transmission & Control Lab.,混合动力汽车节油效果对比,英国的Ricardo Automotive 公司对同等条件的液驱静液传动汽车和电混合动力汽车进行了节油性能对比研究，结果表明：在频繁起、停的城市工况下，液驱静液传动汽车的燃油经济性最好。,混合动力汽车储能系统对比,Fluid Power Transmission & Control Lab.,储能装置质量对比,储能效率对比,液驱静液传动系统传动效率高,液驱静液传动系统传动效率高,Fluid Power Transmission & Control Lab.,实验表明液驱静液传动系统的传动效率可达到 71%,高于电混合动力汽车传动系统的传动效率,发动机能量优化管理,液压储能系统价格低廉、污染小,价格低廉、安全可靠相对于其它类型的储能系统，液压储能系统价格更为低廉，而且技术成熟，可靠性高。液压蓄能器壳体强度大，能够承受多次来自内部的极限压力；使用寿命长，适于多次、快速、大能量流的能量存储。在不工作的时候，液压储能系统还可以自动卸压，避免了自燃、爆炸等危险的发生。对环境污染小、便于维护蓄电池含有大量的有毒原料，如浓缩酸和重金属等，无论是生产还是废旧元件的处理，都会对环境造成很大的污染。然而，液压蓄能器的废旧元件可回收再利用，不会对环境造成任何污染。液压储能系统可工作于恶劣环境下，受高温、严寒和潮湿的影响明显小于电动液压节能系统。液压蓄能器已广泛地应用于工业，技术成熟，因此液压储能系统易于集成，设备维护简单。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,