公共汽车能量回收

山东理工大学
硕士学位论文
公共汽车制动能量再生的液压储能技术研究 Research on the Hydraulic Energy Storage Techniques of City
Bus Braking Energy Regeneration System
研
究生： 任 国 军 指导教师： 曲 金 玉
申请学位门类级别： 工 学 硕 士 学科专业名称： 载运工具运用工程
研究方向：车辆节能与排放控制技术
论文完成日期： 二零零六年四月
单位代码：10433 学 号：20302027
分类号：TH137
密 级：
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：时间：年月日
关于论文使用授权的说明
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研究生签名：时间：年月日
导师签名：时间：年月日
山东理工大学硕士学位论文摘要
摘要
本文针对城市公共汽车进行了制动能量再生系统的研究，以期在确保制动安全性的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。

在分析城市公共汽车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行了综合对比，确定了采用液压储能技术、并联式驱动的系统整体方案。

在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置、轴向柱塞式泵/马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。

在对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。

通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，系统参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。

本文针对能量再生系统与原车动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体车型，进行了能量再生系统动力传动装置的设计。

该装置采用电磁离合器以及齿形链传动进行动力传递，提高了系统的可控性和可靠性。

本文进行了制动能量再生系统的实验设计。

在对系统运行环境分析的基础上，依据GB/T12545.2-2001规定的标准市区循环工况，对实验测试方法进行了分析和探讨。

关键词：公共汽车，制动能量再生，液压蓄能器，泵/马达，并联驱动
山东理工大学硕士学位论文ABSTRACT
Abstract
In this paper，the braking energy regeneration system of city bus is studied. By using the energy regeneration technology，the kinetic energy generated during braking is recovered and then released when the bus speeds up. In this way，the city bus can reduce fuel consumption and the associated emissions.
By analyzing the special driving cycle of city bus and comparing with different type of regenerative schemes，this paper proposed a system scheme which is using the hydraulic energy storage and parallel connection-driving techniques.
The hydraulic system uses the bladder hydraulic accumulator and the pump/motor as the energy storage and transformation part，so it has compact structure and the rapid reaction. On the basic of the dynamics analysis to the braking process，the parameters of hydraulic system are figured out. Through simulation，the performance of hydraulic system is demonstrated. The results show that the energy regeneration system is effective to improve the fuel economy of city bus.
Based on the parallel connection-driving structure and the given vehicle，the power-train of this system which includes electromagnetic clutch and odontoid chain drive is designed. So the controllability and reliability of the system are improved.
In the paper，experimental design for braking energy regeneration system is also constructed. According to national standard (GB/T12545.2-2001)：circulation driving patterns of city，the experiment methods are discussed.
Key words: City bus，Regenerative braking energy，Hydraulic accumulator，Pump/motor，Parallel connection-driving
目录
第一章绪论 (1)
1.1 课题研究的背景与意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1 车辆制动能量再生技术简介 (2)
1.2.2 国内外研究概况 (5)
1.2.3 液压储能技术在制动能量回收中的应用情况 (5)
1.3 研究的内容和方法 (9)
第二章制动能量再生系统的总体方案 (10)
2.1 系统驱动方式的选择 (10)
2.2 系统实现的技术关键 (11)
2.3 系统方案设计 (12)
2.3.1 中通LCK6850CHDD型公共汽车相关技术参数 (12)
2.3.2 系统结构设计 (12)
2.3.3 系统工作过程分析 (13)
2.3.4 系统控制策略 (14)
2.4 本章小结 (16)
第三章液压系统设计 (17)
3.1 制定液压系统方案 (17)
3.2 液压系统主要参数的确定 (18)
3.2.1 系统工作压力 (18)
3.2.2 蓄能器有关参数的计算 (18)
3.2.3 泵/马达排量的计算 (21)
3.3液压元件的设计与选择 (23)
3.3.1 蓄能器 (23)
3.3.2 泵/马达 (24)
3.3.3 液压阀 (24)
3.3.4 油管及其他辅助装置 (25)
3.3.5 压力传感器 (26)
3.4 液压系统工作性能分析 (27)
3.4.1 定量泵的动态特性分析 (27)
3.4.2 能量回收过程的系统工作性能分析 (29)
3.4.3 能量释放过程的系统工作性能仿真分析 (33)
3.5 本章小结 (36)
第四章动力传动装置的设计 (37)
4.1 传动系统方案设计 (37)
4.2 动力接口的设计 (37)
4.2.1 取力方案的选择 (37)
4.2.2 链传动装置的设计 (38)
4.3 泵/马达离合器的设计与选择 (44)
4.3.1 离合器结构型式的选择 (44)
4.3.2 离合器基本参数的计算 (45)
4.3.3 离合器产品的选择 (46)
4.4 本章小结 (46)
第五章制动能量再生系统实验设计 (47)
5.1 系统工作环境分析 (47)
5.1.1 车辆行驶工况简介 (47)
5.1.2 系统运行工况的测定与分析 (47)
5.2 实验系统的组成 (48)
5.3 实验控制系统 (49)
5.4 实验内容及方法 (51)
5.4.1系统基本功能测试 (52)
5.4.2 系统节能效果测试方法 (52)
5.5 本章小结 (55)
第六章结论与建议 (56)
致谢 (57)
攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文 (58)
参考文献 (59)
第一章绪论
1.1 课题研究的背景与意义
汽车的出现改变了世界，它起到了促进经济发展和社会进步的重要作用。

但人们在享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和能源消耗。

随着汽车工业的迅速发展，能源问题、环境污染已成为亟待解决的突出问题，节能、环保与安全将是现今乃至未来汽车工业领域的一个永恒课题。

自1972年第一次石油危机以来，能源问题的阴影就笼罩着全世界。

目前我国能源消耗平均以每年3%的速度递增，能源问题已经成为制约我国国民经济发展的一个突出问题。

研究发现[1]，现有的耗能设备和耗能方式竟使世界能源总量的50～70％被浪费掉了。

这种形势迫使人们认识到“节能”与“开发新能源”并举是解决能源危机的根本途径，必须使通常的系统由“高耗能型”向“节能型”和“智能型”转变。

目前，节能已成为衡量一个国家能源利用好坏的一项综合指标，也是一个国家科技水平高低的重要标志。

因此，国内外很多学者都在积极研究为提高车辆经济性、动力性而使用的混合动力传动系统。

与能源危机相伴而来的是环保问题。

汽车把人们带进了现代生活，但是汽车在造福人类的同时，也给人类社会和人类赖以生存的环境带来了巨大威胁。

随着汽车保有量的不断增加，汽车的排放污染、噪声污染已经成了很多城市污染的主要来源[2]。

在车辆排放持续增长以及人们对环保越来越重视的情况下，为了提高城市空气质量，减少车辆污染物的排放，迫使人们去寻找能更好地解决城市交通问题的方法。

面对这种现状，世界各国也纷纷研究和制定新的能源政策及越来越严格的汽车排放法规，并千方百计地开发节能环保汽车。

同时在世界各国，大多数城市都面临着交通可持续发展问题。

而发展城市公交系统则是解决城市交通问题与实现节能环保的最好办法。

研究表明[3]：在相同道路条件下，同一单位时间内，若公交车出行人均占用道路面积为1，则自行车出行为5，出租车出行为10～13，有的小汽车甚至高达20；而在同一单位时间内公交车排出的尾气污染物仅是出租车的1/6，摩托车的1/9。

因此各大城市都竞相采取优先发展公交系统的战略来缓解交通带来的压力。

在城市中，由于人口和车辆集中，造成城市车辆运行工况的特殊性，特别是对于公共汽车来说，车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是其共有问题。

市区公共汽车的工作特点是频繁的起步加速与换挡制动，在制动过程中，其巨大的动能全部经制动
器的摩擦转化为热能消耗掉。

如果将车辆在减速制动过程中的动能通过能量回收系统吸收并储存，而在车辆起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动车辆行驶的动力，那么便可使发动机更长时间地在经济工况下运转。

这样不仅能够有效降低汽车油耗，提高动力性，减少尾气排放带来的污染，还可延长汽车制动器的寿命，具有重要的实用价值。

1.2国内外研究现状
1.2.1车辆制动能量再生技术简介
带有制动能量再生的车辆混和动力驱动系统一般由内燃机和储能元件两个动力源组成，它可以充分利用两种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹配，其中储能元件用于吸收车辆减速时的惯性能量和发动机在最低比油耗区工作时所剩余的能量，并能将它传输给传动系统供附件使用或用于协助驱动车辆。

按照储能元件型式的不同，制动能量再生系统大致可以分为飞轮储能、蓄电池储能、液压储能三种[4]。

它们所具有的传递形式如图1-1所示，其中转换器根据储能元件型式的不同可以分为无级变速器、电动机、液压泵/马达等。

图1-1 车辆制动能量再生系统的一般工作原理简图
1、飞轮储能[5]
飞轮储能是以惯性能(动能)的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。

当车辆制动时，飞轮储能系统使飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。

当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身。

使用飞轮储能的混和动力驱动系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、离合器、变速器和驱动桥组成，系统结构如图1-2所示[6]。

发动机用来提供驱动汽车的主要动力，高速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置为发动机提供辅助动力来满足峰值功率要求。

1-主离合器；2-增速齿轮；3-飞轮离合器；4-高速飞轮；5-空气流；6-飞轮箱；7-轴承图1-2 使用高速储能飞轮的车辆混合动力驱动系统工作原理简图
飞轮储能由于只有机械能间的相互转换，因此能量传递效率高，能量损耗相应较小。

飞轮储能的主要缺点是抗震性能差，平稳性不好，噪声大，对工作环境要求高[7]。

2、蓄电池储能[8]
蓄电池储能以电能方式储存能量。

系统以具有可逆作用的发电机/电动机实现蓄电池中的电能和车辆动能之间的转化。

在车辆制动时，发电机/电动机以发电机形式工作，车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电能并储存在蓄电池中；在车辆起动或加速时，发电机/电动机以电动机形式工作，将储存在蓄电池中的电能转化为机械能驱动车辆。

装备蓄电池储能系统的汽车称为混合动力电动汽车，其原理如图1-3所示，车辆在行驶时主要使用发动机的动力，电力驱动系统只是用于低速时驱动，或者用于需要大功率的场合。

这种车辆在市区行驶条件下可以提高燃油经济性达30%以上[9]。

图1-3 使用蓄电池储能的车辆混合动力驱动系统原理简图
蓄电池储能的功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量功率，而车辆在制动或起动时，需要迅速释放或得到大量功率，这使蓄电池储能受到很大限制[10]。

近几年以来，各国技术人员都在加紧研制大容量高性能电池，为蓄电池储能提供应用基础。

3、液压储能[11]
液压储能以液压能的方式储存能量。

系统由一个具有可逆作用的泵/马达实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转化，即在车辆制动时，储能系统将泵/马达以泵的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实现动能到液压能的转化；在车辆起动或加速时，储能系统再将泵/马达以马达的形式工作，高压油从蓄能器中流出，带动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化。

液压储能的优点是的功率密度较大，能量保存时间较长，各个部件制造技术成熟，工作性能可靠；缺点是液压系统的压力高，系统的密封性能要求较高，并且液压系统体积庞大，只适合在大型公共汽车上布置[12]。

以上三种储能方式根据各自不同的特点有不同的适用范围。

能量密度与功率密度是衡量储能元件性能的两个重要指标。

高的能量密度使汽车的后备能量充足，大的功率密度使汽车能迅速而充分地储存和利用汽车的惯性能量[13]。

由表1-1可知，液压蓄能器的功率密度最高，适用于负载变化频繁的传动系；飞轮功率密度和能量密度适中，可用于负载幅度变化不大的传动系；蓄电池尽管能量密度很大，但功率密度太低，不利于负载频繁变化的传动系进行能量回收和利用。

表1-1 三种储能方案比较
比较项目飞轮液压蓄能器蓄电池
能量密度（W·h/kg）
4～20（钢）
4～50（复合材料）
6～40
20～40（铅蓄电池）
20～100（新型蓄电池）
功率密度（W/kg）+ + + –
储能效率（短时间）+ + + +
储能效率（长时间）–– + 0
能量转换效率+ – –
系统使用寿命+ + + + ––
长时间保存能量–– + + + +
可靠性+ + –
维护性+ + ––
生产成本+ – ––
注：++（优秀）；+（好）；0（中等）；–（差）；––（很差）
液压储能的能量密度相比飞轮储能与蓄电池储能都小，但液压储能方式在三者中具有最大的功率密度，能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。

同时，液压储能可较长时间储能，各个部件技术成熟，工作可靠，整个系统实现技术难度小，便于实际商业化应用。

本文的研究对象是城市公交汽车，属大型客车，惯性阻力大，对驱动系统的动力性能要求较高。

因此，采用液压储能的驱动系统是较为理想的。

1.2.2 国内外研究概况
20世纪70年代由于能源危机的出现，车辆节能技术的研究工作便相继展开了。

美国威斯康星大学的Norman H. Beachley、A.A. Frank等学者较早开展了节能汽车的研究工作[14]。

1979年，丹麦的P. Buchwald、G.. Christensen等学者比较详细地研究了制动能量回收理论，同时针对Ford Escort Van车型研制出了液压储能的复合驱动系统，通过对复合驱动系统施以不同的控制策略，可节省燃油达30%。

进入80年代以后，大众汽车公司和福特汽车公司开始分别在Pinto和Chico小轿车上进行了节能研究工作，而原联邦德国的Mannesmann Rexroth公司、Hydromatic公司以及瑞典的Volvo公司则在公共汽车上进行了节能的有关研究工作[15]。

1987年，日本Mitsubishi 公司的技术人员开发了一种液压储能系统，并在实际公交汽车中证实此系统可节油30% [16]。

前苏联也进行了类似的工作，概括起来有静液压传动、飞轮储能的复合驱动和特殊异步电机控制蓄电池组储能的电力复合驱动两种型式，试验结果表明，静液压飞轮复合驱动可使每循环(加、减速循环)平均油耗降低约30%，电力复合驱动循环平均油耗降低约20%，同时，提高了汽车的加速性能，并延长了其使用寿命。

到了20世纪90年代，随着液压和电动技术的发展，世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽车的研制和开发。

1994～1996年俄罗斯伊热夫斯克车辆厂(Ishmash-Auto)采用铅酸电池作为电能储存器，发动机油耗比原车型降低21%以上，在车辆的燃油经济性得到可观提高的同时，排放性能也得到很大的改善，其中CO2的排放量下降50%，CO、HC和NOx的排放也只有传统发动机的1/10。

在国内，汽车节能技术的研究也开展了很长一段时间。

20世纪80年代中期，吉林工业大学罗邦杰教授进行了高速飞轮储能的复合驱动系统的研究[17]；90年代后期，哈尔滨工业大学对车辆静液储能传动系统进行了研究，并取得了一定成果[18]。

另外，北京理工大学、南京理工大学、东北农业大学、西南交通大学等单位也都进行过车辆节能复合驱动技术的理论和实验研究[19] [20] [21]。

从总体上讲，国内对汽车制动能量再生技术的研究取得了一定的进展，不过多局限于个别系统的理论和实验研究上，在整个制动能量再生系统的优化设计以及实际应用上与国外研究水平还存在一定的差距。

1.2.3 液压储能技术在制动能量回收中的应用情况
德国的M.A.N.公司、瑞典的Volvo公司和日本的Mitsubishi公司都曾开发过使用液压储能的车辆混合动力驱动系统，经对样车测试表明：系统可行，燃油经济性可提高25%～30%。

目前，这种系统己成功的在欧洲和北美多个城市的公共汽车上得到实现。

在国内，还未见有实际商业化应用的报道。

1、力士乐二次调节静液驱动系统[22]
二次调节静液传动是由德国汉堡国防工业大学H.W.Nikolaus教授于1977年提出的新型液压传动技术。

二次调节系统是一种接在定压网络中的由变量液压马达和蓄能器组成的传动系统，对二次调节静液传动技术进行研究的主要目的是对制动过程中的能量进行回收和重新利用，并且从宏观的角度对静液传动系统的总体结构进行合理的配置以及改善其控制特性。

另外，由于二次元件工作于恒压网络，通过调节二次元件的斜盘倾角可以调节系统的输出扭矩、功率及转速，因而，可以实现对系统不同参数的控制，这为系统的设计和实现提供了极大的方便。

德国的Mannesmann Rexroth公司早在1978年就从事液压公共汽车的研制工作。

Pawelski，R.E等1997年在力士乐季刊(RIQ)上发表文章介绍了为老式公共汽车配置力士乐驱动装置的研究工作[23]。

在公共汽车上配备二次调节静液传动系统后的节能效果相当显著。

经过改造后的市内公共汽车由一台轴向柱塞单元A4VSO250DS21来驱动，如图1-4所示。

它在满载启动时能给出大约180kW的功率，由此可使汽车在20秒内加速到它的最大速度50km/h。

而发动机的功率却只有30kW，其150kW的差值是从液压蓄能器中获得的。

液压蓄能器的充压是在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作。

同一般的公共汽车传动系统比较，这种带能量回收的无级传动装置对频繁刹车不敏感。

另外由于液压功率传递部分仅占总传动功率的一小部分，故传动系统的总效率非常高。

1-发动机；2-一次元件；3-液压蓄能器；4-二次元件；5-汽车后桥
图1-4 力士乐二次调节静液驱动系统原理图
2、Cumulo驱动系统[24]
瑞典的Volvo汽车公司从1995年起就开始从事节能汽车的研究工作，并于1997年研制成功了液压储能式公共汽车。

Volvo的Cumulo动力驱动系统分为并联式和串联式两种，分别如图1-5和1-6所示。

其中图1-5所示的Cumulo驱动系统是一种典型的并联式液压储能混合动力驱动系统，这种公共汽车的传动轴同时与发动机和液压泵/马达相连。

当公共汽车制动时，传动轴就驱动液压泵，将备罐中的油液泵入一个压缩器，压缩器随即将氮气压入两个高压容器中；当汽车重新发动时，压缩气体被释放回原系
统驱动汽车。

当柴油发动机发动起来时，车速一般可达30～40km/h。

这种公共汽车的性能如下:
(1)对每千米4站到5站的城市公交路线，可节省燃料约30%；
(2)节省燃料的结果使废气的排放量减少了30%；
(3)汽车加速离开车站时的噪音降低；
(4)发动机、传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少，从而降低了损耗。

A-液压泵/马达；B-链传动装置；C-蓄能器；D-油箱；E-电控单元
1-加速信号；2-制动信号；3-发动机控制；4-变速器档位控制；5-泵/马达控制；6-液压阀控制
图1-5 Cumulo并联式动力驱动系统的结构图
A-泵/马达；B-变速装置；C-蓄能器；D-油箱；E-电控单元1-加速信号；2-制动信号；3-发动机控制；4-泵/马达控制；5-车速信号；6-蓄能器压力信号
图1-6 Cumulo静液驱动系统的结构图
3、CPS系统[25]
日本自上世纪80年代以来便开始对汽车节能及能量回收驱动技术进行研究，近年来开发了一种定压力源系统(CPS——Constant pressure System)和适用的液力平衡式(FFC——Fluid Force Couple)液压泵/马达。

有几家汽车制造公司生产了CPS公交汽
车，在东京等3个城市中运营，尾气排放和燃油费用各降低了20%以上。

1-发动机；2-与发动机相连的泵/马达；3-单向阀；4-压力补偿阀；5-与飞轮相连的泵/马达；
6-联轴器；7-飞轮；8-蓄能器；9-驱动轴上的泵/马达；10-减速器及差速器；11-车轮
图1-7 CPS系统工作原理图
CPS系统工作原理如图1-7所示，CPS驱动系统主要由3个采用FFC结构的液压泵/马达以及飞轮、蓄能器、压力补偿机构组成。

发动机1带动泵/马达2，通过单向阀3向系统供油，泵/马达5与压力补偿器4相连，蓄能器8有助于系统保持恒定的压力状态。

驱动泵/马达9带动车轮10转动，驱动车辆行驶。

当汽车加速行驶时，驱动轴上的变量泵/马达9作为马达工作，消耗压力油而使系统压力降低，此时将由蓄能器8和高速旋转的飞轮7为系统提供动力。

通过与飞轮相连的变量泵/马达5作为泵工作给系统补充压力油，使系统的油压维持在某一压力水平。

当飞轮的转速下降到所容许的下限值时，飞轮不再给系统提供动力，此时应起动发动机至最大动力，给液压系统提供动力，与发动机相连的变量泵/马达2作为泵工作给系统提供压力油，使系统的油压上升。

此时，一方面通过与飞轮相连的变量泵/马达5作为马达工作为飞轮提供动力，直至飞轮的转速达到所规定的最高转速，将能量储存起来；另一方面保证系统压力的基本恒定。

然后使发动机停止运行，再继续由飞轮给液压系统提供所必须的动力，因此，飞轮在CPS中起着一个定压动力源的作用。

汽车在减速行驶时，驱动轮上的变量泵/马达9作为泵工作，回收汽车行驶时的能量，使系统的油压上升，通过与飞轮相连的变量泵/马达5作为马达工作使飞轮的动能增加而储存起来，以供汽车起动或加速时使用。

此时，发动机及与它相连的变量泵/马达2处于停转状态。

当汽车行驶的能量较大，或汽车下长坡制动时，驱动轮上的变量泵/马达作为泵工作时给系统提供的能量超过飞轮所设置的最大动能时，为了保证系统压力的恒定及飞轮的最大动能不超过所规定的上限值，可通过安全阀来实现，将剩余的能量释放掉。

CPS驱动系统不需要齿轮变速箱，压力补偿器能够自动地调节利用飞轮7的动能。

飞轮的能量密度及利用效率比蓄电池及单独的液压蓄能器都高，在低速下以一定的转矩间断地运行时，汽车的燃料消耗和尾气排放大大减低，行驶平稳性得以提高。

1.3 研究的内容和方法
本课题对公共汽车制动能量再生系统进行研究，采用液压储能技术来实现汽车减速及制动能量回收再利用，并通过自动控制系统将整个系统中的液压、传动部分有机结合并与发动机协调工作以实现车辆的低油耗、低排放运行，同时有效地提高其动力性能。

本论文主要完成该系统液压储能及传动部分的研究设计任务。

1、针对城市公共汽车特殊的运行工况，进行车辆制动能量回收与再利用系统的原理分析，制定系统方案。

2、进行液压储能系统的设计与开发。

3、针对具体车型，对车辆制动能量再生系统的动力传动装置进行优化设计。

4、进行制动能量再生系统的实验设计，为下一步的工作打下一定的基础。