一种新型液压蓄能器及其在液压升力系统中的能量回收系统仿真

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(1. Institute of Applied Mechanics, Cracow University of Technology, Al. Jana Pawła II 37, 31-864, Krakow, Polandb; 2.Department of Process Control, AGH University of Science and Technology, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059, Krakow, Poland)

摘 要：本文介绍了一种具有增加的储能密度的新型液体动力蓄能器的模型和仿真研究。蓄能器的基本元件是：具有可变转动惯量的飞轮（取决于液压机液体流入或流出）和可变排量的泵/马达。本文的第一部分描述了具有三种特定工作模式的研制的蓄能器的结构和操作原理。给出了液体动力蓄能器的数学模型及其在具有能量回收的静液压升力系统中的仿真。给出了在蓄能器的充能和放能期间进行的数值模拟的结果（即存储的动能和势能的值以及所选择的工作参数）。结果表明，由于能量储存和提取，在流体静力学和旋转动力学领域中，充能和放能可以与压力水平分离。另外，蓄能器能够控制液压系统中的压力。本文还介绍了控制算法的一个例子。

关键词：液压挖掘机；液压气动储能；三腔缸；重力势能回收

1.简介

在现代机器和设备中回收和储存能量的可能性构成了一个重要的技术问题，在设计阶段和进一步维护期间应该将其考虑在内。能量以各种形式存储，例如机械（飞轮），电气（电池）或静液压（液压蓄能器）可能来自维护过量和设备运行期间的恢复。储存能量的最重要特性是其重复使用的容易程度，可获得的总量（能量密度），以及在短时间间隔（功率密度）下实施的能力。

静水能量存储是一个重要的问题，因为它在机器和设备的机械系统中经常发生（例如车辆的静液压驱动，重型建筑机械的液压系统，或压力机和升降机系统）。这些类型的应用中的能量回收可以在车辆制动期间发生，从而释放机器的工作元件，或者在执行设备成员的摇摆期间。

目前，一种广泛用于存储液体能量的元件是液压蓄能器，其通过向腔内添加液压液体（自然油，乳液）来压缩气体（通常为氮气）以存储潜在的能量。三种类型的液压蓄能器通常用于工业和移动设备，其中按气体与液体分离的方式不同：通过活塞，气囊或隔膜。

液压蓄能器具有非常广泛的应用范围，是控制液压系统性能的基本部件供应装置。应用包括：建筑机械，采矿设备，农业机械，机床，风力发电厂，静液压传动，叉车，压力机，运输车辆，绞车等等。液压蓄能器可以完成以下任务：补偿由于泄漏引起的压力损失，为泵输送流提供支持，保持辅助动力，提供应急动力，能量回收，振动阻尼或机械减震。

不断提高能源效率的趋势导致了混合解决方案使用的增加。 液压蓄能器可以是混合动力驱动器的部件，用于主要动力的附加源，通常是内燃机。 由于具有大大改善燃料消耗的可能，液压技术引起汽车工业的重要关注。 许多论文致力于最佳的功率管理和扭矩控制策略，以最小化液压混合动力车辆中的燃料消耗和二氧化碳排放。

液压混合动力车辆（HHV）使用至少一个可逆单元（泵/马达），其在制动期间作为泵工作，将捕获的动能转换成液压能量（用液体填充蓄能器容器），在加速期间作为马达驱动车轮。 液压再生制动技术特别适用于越野车辆，重型卡车，配送卡车，垃圾收集车和具有频繁启停循环的城市公交车。

与电池相比，液压蓄能器的特点是能量储存密度低两个数量级。先进液压蓄能器的能量质量比约为4-10kJ / kg，锂离子电池组的能量质量比约为300-500kJ / kg。 液压蓄能器的强度在于几乎两个数量级的功率密度，并且能够在高动态频繁和短暂的起停循环发生的条件下工作。 锂离子电池的功率质量比约等于500-1000W / kg，液压蓄能器的功率质量比为10000-100000W / kg（取决于型号）。

与电动混合动力车相比，液压混合动力车更能有效地恢复动能，这主要是由于能量转换次数较少和机械损失较小。 据估计，超过70％的制动液压混合动力汽车的回收动能可用于加速，而电动混合动力车的再生制动效率低于25％。

为了改善燃料消耗，车辆中使用的不同类型的混合解决方案，由于其具有很大的能量回收潜力而已经适用于建筑机械。 特别是，许多研究致力于液压挖掘机的混合动力技术。回收的能量主要取决于其最大可回收量，动臂重力势能，摆动制动期间产生的能量以及发动机输出能量的过剩。

挖掘机和重型非公路作业车辆可配备回收系统，将动臂潜在的能量转换为储存在电容器或电池中的电能。在纯粹的液压方法中，回收的能量转换成液压形式，存储在液压蓄能器中，并在必要时直接释放到系统。这需要额外的部件，例如用于再利用回收能量的液压马达和泵。本文介绍了挖掘机中的混合能量回收系统，它结合了液压蓄能器和可充电电池的优点。在本文中，动臂的潜在能量转化为电能和水能，能量分配取决于与恢复时间相关的控制策略。参考文献中提出的提案，在收缩动臂油缸的同时供应的多余能量，在由来自蓄能器的油驱动的液压马达驱动的发电机中转换成电力。

卡特彼勒336E H是2013年推出的业内第一台液压混合动力挖掘机。液压混合摆动系统捕获液压蓄能器中的摆动制动能量，储存的能量在上部结构加速期间重复使用。与没有再生系统的标准型号相比，336E H的燃油效率提高了25％。

由于自行车运行产生的巨大潜力，乘客电梯的能量回收有许多市场系统。 Bucher Hydraulics提供带有再生组件的液压升降机，能够将高达30％的驱动能量送回电网或超级电容器（Eco Line with SuperCap）。 Eco Line - Orion ALPHA是一种节能液压驱动系统，带有液压配重的电梯能量再生，可降低电源连接要求。蓄压器形式的液压配重比传统的配重结构更紧凑。通过减少电气驱动器的负载，采用Orion ALPHA系统可实现高达80％的节能（包括蓄电池和其他技术措施）。

文献提出了一种有趣的再生液压电梯驱动设计，没有电动机/发电机（由液压变压器代替），有两个可变排量泵/马达和三个液压蓄能器（主蓄能器供应液体用于驱动）。作为液压配重运行的蓄能器为系统提供动力。小型辅助电机补充由于摩擦，泄漏等引起的能量损失。通过改变泵/马达中的排量来获得由预充电蓄能器驱动系统的控制。参考文献中提出的架构，通过消除机械/电能转换，与标准电液系统相比，能量输入低于20％。

尽管液压混合动力具有许多优点，例如高功率密度，高效的能量存储，快速充电和放电，可靠性和成本效益，但主要缺点是传统液压蓄能器相对于其他技术（例如电池）的容量低得多。 这对于液压混合动力驱动装置的进一步发展构成了重大障碍。为了增加蓄能器中存储的能量密度，一些研究人员已经进行了几次尝试。

提高液压蓄能器中的能量密度的第一种方法是针对实现热力学过程（即在充电和放电期间容纳在蓄能器中的气体的压缩和膨胀），其将尽可能等温地运行。增加能量密度的另一种方法可能是结构的变化，例如可变区域活塞式蓄能器，双活塞或多室蓄能器。新方法基于开式蓄能器的概念以及动力学旋转域中的额外能量存储（参见参考文献[41,42]中所述的液压飞轮蓄能器）。

鉴于标准液压蓄能器的基本缺点，现在主要目标是开发一种能够增加储存能量密度的结构。

选择用于该研究的概念是HFA（液压叶片积聚器），其允许通过以液体静力能和旋转运动的动能形式累积它来增加储存的能量。从标准的角度来看，HFA是一种液压活塞式蓄能器，它可以旋转，由于油的流动或流出而具有可变的转动惯量。由于两个能量域的协同作用，与传统的蓄能器相比，可以获得具有显着更高（甚至一个数量级）的存储能量密度的结构。

本文介绍的新型液体动力蓄能器结构，可以作为参考文献中描述的结构处理。[42]。 然而，气室的完全不同的解决方案允许存储更高密度的能量。有关结构之间基本差异的解释可以在第2章中找到，该第2章专门介绍蓄能器的技术细节，这是一种新的专利解决方案[43]。

除了能量密度的显着增加外，HFA的另一个优点是系统中的压力可以与储存的能量相分离[41,42]。使用可变排量的液压泵/马达允许 在蓄能器充电和放电期间控制压力。

除了呈现新蓄能器类型的构造和操作原理之外，该工作还包括使用所描述的液体动力蓄能器，作为可能应用示例的具有能量回收系统的液压升降机的操作模拟。

对于升程操作，本文展示出了相应的压力控制算法，其中在升降过程中，使用在降低重量期间存储的能量，其在系统中被浪费而没有能量回收。对于诸如乘客电梯的循环工作系统，这将意味着相当大的节能。

所确定的算法允许控制升降过程，这个过程受负载运动施加的条件影响，给出了能量存储和提取的数值模拟的结果。本文目的不是提供电梯的技术细节，而是通过转向变量泵来证明控制能量流动方向的可能性。

该工作不包括所提出的蓄能器组件的强度计算。 在参考文献中可以找到设计HFA型蓄能器时需要考虑的技术问题的详细概述。

所提出的蓄能器可以成为具有能量回收的液压系统的相关部件。它既可以用于具有液压混合动力驱动的车辆的开发，也可以用于累积从其在静液压驱动装置和机器中的恢复所产生的能量，并且可以与目前使用的电液能量回收系统竞争的系统中。

2.液体动力蓄能器的结构和工作原理

具有增加的能量存储密度的液体动力蓄能器的开发结构由具有可变惯性矩的飞轮组成。 飞轮由一个受控的电磁离合器连接，一个可切换的静液压装置作为液压泵或一个可变排量的电动机工作。这种蓄能器系统如图1所示。

在作者提出的解决方案中，具有可变转动惯量的飞轮（由进入或流出的液体引起）的结构由两个同轴安装的圆柱体组成，在圆柱体之间放置环形活塞（图2）。

活塞将空间分成蓄能器的两个工作室，即气态室和液体室。腔室通过两个部件扭曲的盖子从两侧封闭。 在盖组件中，适当设计的流动通道与带电活动旋转接头确保为飞轮的外腔提供来自液压系统的工作液体（例如油）。它们还允许通过压缩气体（例如氮气）将腔室预先填充到腔室中以满足压力值的需要。

环形活塞和腔盖均配有多组静动密封。图1,4和5分别示意性地示出了活塞右侧和左侧的液体和气体压力分布，抛物线和常数。抛物线分布是旋转液体中向心加速的结果。旋转对气体压力的影响忽略不计。

就气室解决方案而言，所提出的液体动力蓄能器的新结构与参考文献中提出的相应设计不同。。 在文献[42]中描述的结构中，气体和油室位于轴和壳体之间的空间中，使用内部气缸内部（图2）作为气室的一部分，可以显著增加气体体积，而不会显著降低飞轮的惯性矩。

3.液动蓄能器工作模式

所提出的解决方案中的能量存储和提取过程，可以以三种特定的工作模式发生：静液压模式，动力模式和液体动力模式。工作模式之间的差异在3.1-3.3节中根据蓄能器充能过程的描述，进行了解释。 除了液压液体的流动方向改变之外，也类似地执行排放过程。

3.1静液压模式

当电动机不在蓄能器飞轮轴上传递扭矩时，发生静液压模式下的能量存储。然后向飞轮的外部空间供应工作液体（图3）。

在初始阶段，在没有飞轮旋转运动的情况下，当环形活塞右侧的液体压力值小于左侧的气体压力时，活塞处于正确的极限位置，即直接位于关闭气缸的盖子。在那个阶段，蓄能器气缸中的整个空间被气体吸收。

如果维持系统中的液体压力增加到初始气体压力的假定值以上，则环形活塞开始向左移动。因此，飞轮外部腔室在压力下填充有工作液体。活塞运动继续，直到两个活塞表面上的压力产生的力抵消自身。在飞轮的初始角速度等于零的情况下，在存储过程中，能量域不会改变。储存在蓄能器中的总能量仅为静水压力。引用的储能方式是最有效的，但静水能量密度有限。

如果在静液压模式下蓄能器充能的初始阶段，飞轮角速度不是零，则由于飞轮转动惯量的增加（根据角动量原理的守恒），它在充能期间会减小。结果，动能也将减少。

3.2动力模式

当蓄能器电动机通过工作液体充电时，由于活塞不动而同时没有对飞轮的外腔充电，蓄能器操作变为动力模式（图4）。

蓄能器能量 - 在这种模式下 - 由于仅通过施加在轴上的扭矩进行的工作而增加，这导致在系统中，压力降低同时飞轮角速度的增加（由于液体的向心加速度） ;参见第5.1节）。为了防止工作液体从外部腔室流出，需要应用可变排量的马达。

由于在该工作模式中系统的液压能量被转换成旋转蓄能器飞轮的动能，由于更大的能量损失，这种能量存储方法的效率低于静液压工作模式。然而，这样收集的动能可以具有更高的密度。

3.3液体动力模式

当蓄能器以混合液体动力模式运行时（图5），工作液体同时对两个部件，即飞轮外部腔室和液压马达进行充能。第三种可能的工作模式构成了蓄能器的部分同步充能，静液能和部分动能。

由于作用在其表面上的力之间缺乏平衡，活塞向左移动，压缩气体，同时从系统中吸收额外的液体部分，这因此增加了蓄能器飞轮的惯性矩。当作用在活塞两个表面上的力处于平衡时，该过程结束。

3.4充能和放能液体动力蓄能器

它可以根据工作模式之间切换的各种算法，根据从环境向系统供应能量的方式不同，对液体动力蓄能器（以及能量提取）进行充能。

蓄能器中的能量密度取决于所存储的能量的特征（仅潜在的，仅动能的，或混合的，势能和动能的），对于充满两种形式的能量的蓄能器可以获得最高密度。

存储的动能的提取需要借助于受控的电磁离合器预先将旋转的飞轮与静液压马达断开，并将其改变为泵的工作模式。当泵再次与飞轮连接时，在泵输出处产生液体静力能并为系统供能。对于具有固定排量泵的类似液体动力蓄能器，在充能过程中为具有恒定再生动力源的情况（在车辆制动期间实现或在挖掘机中降低负载）中的模式之间切换，在参考文献中已经给出。

4.液体动力蓄能器应用的例子

无论有静液压驱动系统的能

英语原文共 13 页

资料编号：[4797]