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技术领域

本发明涉及一种能量回收系统，属于汽车液压运用技术领域，具体为 一种可以实现液压辅助驱动及能量回收的系统及其方法。

背景技术

近年来，我国以雾霾天气为主的恶劣天气进入高发期，尤其是进入冬 春季节，由于空气干燥，气流不畅，环境污染等原因，雾霾天气席卷全国 大部，局部地区甚至连续几日处于严重污染之下。雾霾天气严重损害人的 呼吸系统，长期处于这种环境下，国民身体健康受到严重威胁。

经研究，雾霾产生的主要原因在于燃煤的过度燃烧、汽车尾气的排放 等，其中，机动车尾气排放占据重要位置。为缓解环境压力，净化空气， 国家推出各种措施应对雾霾等极端天气。其中发展混合动力汽车是重要方 面。混合动力汽车能有效减少尾气排放，节约石油等化石能源。

目前，混合动力主要应用于乘用车及城市客车等车辆中，大型商用车， 如载货汽车、重型牵引车等车辆应用还较少。根据美国能源局公布的数字， 大型商用车引起载重、排量等原因，其排放的尾气要远高于乘用车。因此 在此类车辆中使用混合动力能较大减少尾气排放，降低雾霾天气的发生几 率；且某些重型商用车工作环境较为恶劣，有时在山地、林场、矿坑等恶 劣路面行驶，因此经常有爬坡工况出现，此时，需短时间有较大驱动功率 输出，以通过斜坡；根据重型商用车发动机运行图谱可知，商用车大部分 时间工作于发动机最大功率下，偶尔用于大功率输出。为满足其工况，一 般选取较大功率的发动机，导致发动机体积较大，不利于整车布置及轻型 化要求。

我国西南地区由于地形的原因，存在较多长下坡工况，传统商用车在 下长坡时采用机械制动，但由于机械制动容易发热，且鼓式制动器散热性 能不佳，导致制动热衰退现象明显，严重影响制动安全。为解决此问题， 液力缓速器应运而生。液力缓速器价格较高，需对变速箱进行一定程度的 改造，造成购车成本的提升与布置的困难。

所以，在传统车辆的动力传动结构基础上，添加很少的液压元件，且 并不需对原有车辆结构进行改变，即能提高车辆驱动力，兼有能量回收、 缓速及消除怠速的功能必将有更大的应用前景。

对比专利：可以能量回收的轮毂马达液压辅助驱动系统及其控制方法 (专利号：201310584996.0)，(1)结构比较：对比专利需进行前桥结构的 改进，以便在轮毂中安装液压马达；且连接方式较为复杂，需有管路与液 压马达相连，在车辆转向过程中易与轮胎发生干涉；本发明元件较少，布 置简单，不需要对前桥进行改进，在传统车辆中安装液压部件即可实现制 动能量回收、驱动车辆前进等功能，可进行模块化设计；本发明自重较轻 轻：由于本系统液压元件较小，故系统自重较轻。(2)功能比较：本发明 操作相对简单，各功能之间不易混淆；对标专利由于增加了液压马达，故 功能较为复杂，工作模式切换较多，易对用户造成误操作。

发明内容

本发明在传统车辆动力传动结构基础上，添加一套液压蓄能元件，可 以短时提高车辆的驱动力以增加车辆爬坡度，同时可实现制动能量回收再 利用减少燃油消耗；消除发动机怠速，实现发动机启停；在长下坡工况下， 液压系统可作为缓速器使用；除此之外，在车辆行驶时可以调节发动机的 工作区域以改善燃烧效率，提高整车燃油经济性。

本发明采用的技术方案如下：

一种可以能量回收的液压辅助驱动系统，包括发动机、取力器、液压 泵/马达、液压控制阀组、蓄能器，压力指示器、液压油箱，以及与所述发 动机、所述液压泵/马达、所述压力指示器、所述液压控制阀组连接的控制 器。所述液压辅助驱动系统以模块方式固定于整车车架处，其中液压泵/ 马达与发动机PTO(动力输出装置，POWER-TAKE-OFF)连接，控制器 利用信号线与发动机连接。

其中，所述的液压泵/马达通过液压控制阀组与蓄能器构成液压油路。

所述取力器的一端与发动机的驱动附件的输出轴相连，采用花键套连 接，另一端与安装在车架上的所述液压泵/马达的转子轴相连，采用花键套 或法兰盘或短万向节连接。

所述液压泵/马达的出口和所述液压控制阀组的油口进口连接；

所述液压控制阀组包括电液比例阀、溢流阀和放液阀。

所述的电液换向阀分别与所述液压泵/马达的进出油口、所述蓄能器连 接；

所述电液比例阀为两位两通阀；

所述两位两通阀的P口、A口分别与所述液压泵/马达的的进出油口与 蓄能器连接。

所述液压泵/马达最大工作压力为42Mpa，排量为135ml。

所述蓄能器为皮囊式蓄能器，最高工作压力为35MPa。

本发明所述的一种可以能量回收的轮毂马达液压辅助驱动系统的工 作模式切换控制方法，包括如下步骤：

1)控制器实时采集加速踏板位置信号、制动踏板位置信号、变速箱 挡位信号、蓄能器压力信号；

2)根据加速踏板与制动踏板位置的电压信号估算驾驶员的操作意图； 根据蓄能器的压力信号估算蓄能器的SOC值；设定蓄能器的正常工作的 高限值soc_h和低限值soc_l；

3)当制动踏板开度为0，挡位不处于空挡，整车不需要制动时，车辆 处于驱动模式；

4)车辆起步时，若蓄能器能量充足，则使用液压泵/马达单独驱动整 车起步；整车启动后，蓄能器压力不小于主动充能压力时，系统工作在发 动机单独驱动模式；若蓄能器SOC继续降低，蓄能器压力小于充能压力， 且整车需求不大于发动机高效工作区所能提供的扭矩，系统工作在发动机 驱动并充能模式下，此时，发动机工作在高效区内，发动机动力一部分动 力提供整车运行，一部分给蓄能器充能；当整车需求扭矩大于发动机高效 工作区的扭矩时，且蓄能器压力大于最小工作压力，则发动机与液压泵/ 马达联合驱动，保证发动机依然工作在高效区；

5)整车行驶中，当检测到制动踏板信号大于0时，则整车工作在制 动模式下；

6)制动模式时，判断车辆是否紧急制动，若整车为紧急制动，则首 先采用机械制动，以保证整车的安全性；

7)当制动强度较小时，且蓄能器压力小于最高工作压力，则根据需 求的制动力与系统所能提供的制动力进行判断；

8)判断整车制动力矩是否小于液压泵/马达所能提供的制动力，若是， 则利用液压泵/马达单独制动，最大程度的回收再生制动能量；

9)若需求制动力矩大于液压泵/马达所能提供制动力矩，则用液压泵/ 马达与机械制动联合制动，此时，液压泵/马达的开度达到最大，不足制动 力矩有机械制动提供；

10)控制算法结束。

还包括模式控制方法，具体包括如下，

所述行车发动机单独驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀芯，关闭 P-A通道，调节液压泵/马达的排量为0；

所述行车蓄能器与发动机联合驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀 芯，接通P-A通道；同时调节液压泵/马达的排量，使其转矩与发动机转 矩相配合；

所述行车蓄能器单独驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀芯，接通 P-A通道；同时调节液压泵/马达的排量；

所述行车蓄能器制动能量回收模式，控制器调节电液比例阀的阀芯， 接通P-A通道；同时调节液压泵/马达排量，使蓄能器进入充能模式；

所述行车发动机单独驱动且蓄能器充能模式，控制器调节电液比例阀 的阀芯，接通P-A通道；调节液压泵/马达的排量，使蓄能器吸收的能量 满足发动机工作在高效区；

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述系统中采用的液压元件，不需要对整车现有部件进行改 变，可直接在发动机PTO连接液压泵/马达，实现液压部件的安装，布置 结构简单，占用空间小。

2.本发明所述的系统与传统车辆相比，爬坡能力更强，可以显著提高 车辆在坡路面的驱动力，由于增加了液压驱动系统，发动机且可实现小型 化设计，降低成本。

3.本发明所述系统添加的液压组件，可以有效调节发动机的工作区 间，利用相应的控制策略，使发动机始终工作在高效区间，提高了整车的 燃油经济性，降低了运输成本。

4.本发明所述系统还可实现整车正反方向的制动能量回收功能，降低 了机械制动故障几率，保障了行车安全；且可实现能量的回收利用，提高 了整车能量利用率。

5、本发明所述系统在整车长下坡工况下，还可实现缓速功能，保证 车辆制动安全；此外，还实现了发动机启停、消除发动机怠速功能，当车 辆需短时中断发动机与动力传输系统的连接时，可暂时关闭发动机，消除 怠速油耗，当液压系统能量充足时，可利用蓄能器储存的能量使整车启动， 这大大提高了整车的燃油经济性，降低了有害气体的排放，延长了发动机 使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统的结构示意图；

图2是本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统在发动机单独驱 动模式时能量传递路线示意图；

图3是本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统在蓄能器与发动 机联合驱动模式时能量传递路线示意图；

图4是本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统在蓄能器单独驱 动模式时能量传递路线示意图；

图5为本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统在制动能量回收 模式时能量传递路线示意图；

图6为本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统在发动机单独驱 动且蓄能器充压模式时能量传递路线示意图；

(附图标记说明)

1—发动机；2—离合器；3—控制器；4—变速箱；5—传动轴； 6—后驱动桥；7—半轴；8—后轮；9—液压油箱；10—溢流阀；11—放液 阀；12—蓄能器；13—压力指示器；14—电液比例阀；15—液压泵/马达； 16—取力器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参考图1，本发明所述可以能量回收的液压辅助驱动系统，包括取力 器16、液压泵/马达15、电液比例阀14、压力指示器13、蓄能器12、溢 流阀10、放液阀11、控制器3、液压油箱9。

参考图1，所述取力器16的一端与发动机1驱动附件的输出轴相连， 采用花键套连接，另一端与固定安装在车架上的液压泵/马达15的转子轴 相连，采用花键套或法兰盘或短万向节连接，从而将发动机1的动力传递 给液压泵/马达15并驱动其工作泵油。

参考图1，本发明所述液压泵/马达15，通过电液比例阀14、液压油 箱9与蓄能器12构成回路；

电液比例阀14、溢流阀10和放液阀11组成所述液压控制阀组。

所述的液压泵/马达15通过液压控制阀组与蓄能器构成液压油路。

所述液压泵/马达15的出口和所述液压控制阀组的油口进口连接；

所述电液比例阀4选为二位二通阀，所述两位两通阀的P口、A口分 别与所述液压泵/马达的的进出油口与蓄能器连接。

所述控制器3分别与发动机1、液压泵/马达15、电液比例阀14、压 力显示器13之间有信号线连接，用以分别控制它们的操作。

参考图1，本发明所述系统有两条动力传动路径：原有的机械传动路 径和添加的液压传动路径。即发动机1作为整车动力单元，其动力可以通 过机械传动系统(包括离合器2、变速箱4、传动轴5、后驱动桥6及半轴 7)直接传给后轮8，也可以通过蓄能器12经由电液比例阀14驱动液压泵 /马达15，液压泵/马达15连接取力器16，带动发动机1运转，通过机械 传动系统，作用于后轮8，驱动整车行驶。

本发明所述系统并不改变原有的机械传动路径中发动机1、离合器2、 变速箱4、传动轴5、后驱动桥6、半轴7、后轮8之间安装位置及联接关 系。

本发明所述系统中添加的液压传动路径中，取力器16为普通的取力 部件，取力方式为从发动机的驱动附件的输出轴端取力；

所述液压泵/马达15为高压变量泵/马达，可根据要求选取现有产品， 比如林德液压公司生产的排量为135ml的HPR-02系列泵/马达，最大工作 压力为42Mpa；

所述蓄能器可根据要求选取现有的产品，为皮囊式蓄能器，最高工作 压力为35MPa。

本发明所述的一种可以能量回收的液压辅助驱动系统的工作模式切 换控制方法，包括如下步骤：

1)控制器实时采集加速踏板位置信号、制动踏板位置信号、变速箱 挡位信号、蓄能器压力信号；

2)根据加速踏板与制动踏板位置的电压信号估算驾驶员的操作意图； 根据蓄能器的压力信号估算蓄能器的SOC值；根据车辆参数与行驶要求， 设定蓄能器的正常工作的高限值soc_h和低限值soc_l，高限值与低限值的 设定需根据整车制动能量回收率及现有蓄能器压力范围确定，一般取最大 制动能量回收率为20％，蓄能器最高压力为35MPa，即选定高限值soc_h 为35MPa，低限值soc_l为(0.6～0.85)soc_h，即选为21MPa；

3)当制动踏板开度为0，挡位不处于空挡，整车不需要制动时，车辆 处于驱动模式；

4)车辆起步时，若蓄能器能量充足，则使用液压泵/马达单独驱动整 车起步；整车启动后，蓄能器压力不小于主动充能压力时，系统工作在发 动机单独驱动模式；若蓄能器SOC继续降低，蓄能器压力小于充能压力， 且整车需求不大于发动机高效工作区所能提供的扭矩，即检测发动机是否 工作于等燃油消耗率较低部分，此时发动机油耗较小，系统工作在发动机 驱动并充能模式下，此时，发动机工作在高效区内，发动机动力一部分动 力提供整车运行，一部分给蓄能器充能；当整车需求扭矩大于发动机高效 工作区的扭矩时，且蓄能器压力大于最小工作压力，则发动机与液压泵/ 马达联合驱动，保证发动机依然工作在高效区；

5)整车行驶过程中，当检测到制动踏板信号大于0时，则整车工作 在制动模式下；

6)制动模式时，判断车辆是否紧急制动，若控制器检测到制动踏板 短时间内位移大于X，则认为整车为紧急制动，此时首先采用机械制动， 以保证整车的安全性；

其中，X为根据具体车型设定位移量；以某款重型车为例，其制动踏 板的位移量为0～72mm，当位移量为0～24mm时，无机械制动力，当检测 到制动踏板0.2s位移量为36mm以上时，则认为整车处于紧急制动状态， 即X＝36mm。

7)当制动强度较小时，即检测到制动踏板位移量短时间内小于X， 且蓄能器压力小于最高工作压力，则根据需求的制动力与系统所能提供的 制动力进行判断；

8)判断整车制动力矩是否小于液压泵/马达所能提供的制动力，若是， 则利用液压泵/马达单独制动，最大程度的回收再生制动能量；

9)若需求制动力矩大于液压泵/马达所能提供制动力矩，则用液压泵/ 马达与机械制动联合制动，此时，液压泵/马达的开度达到最大，不足制动 力矩由机械制动提供；

10)控制算法结束。

具体包括如下，

所述行车发动机单独驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀芯，关闭 P-A通道，调节液压泵/马达的排量为0；

所述行车蓄能器与发动机联合驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀 芯，接通P-A通道；同时调节液压泵/马达的排量，使其转矩与发动机转 矩相配合；

所述行车蓄能器制动能量回收模式，控制器调节电液比例阀的阀芯， 接通P-A通道；同时调节液压泵/马达排量，使蓄能器进入充能模式；

所述行车蓄能器单独驱动模式，控制器调节电液比例阀的阀芯，接通 P-A通道；同时调节液压泵/马达的排量；

所述行车发动机单独驱动且蓄能器充能模式，控制器调节电液比例阀 的阀芯，接通P-A通道；调节液压泵/马达的排量，使蓄能器吸收的能量 满足发动机工作在高效区；

下面结合一个实例介绍本发明所述的可以能量回收的液压辅助驱动 系统的不同工作模式。

控制器3实时采集变速箱的挡位信号，判断车辆是否处于倒车行驶状 态。如果不是则说明车辆处于行车状态。车辆在行车过程中分为发动机单 独驱动模式、蓄能器与发动机联合驱动模式、蓄能器制动能量回收模式、 蓄能器单独驱动模式和发动机单独驱动且蓄能器充压模式，如表1所示。

表1本发明所述系统在车辆行车状态下的工作模式

下面结合表1和附图2至6对这五种工作模式分别进行介绍。

(1)发动机单独驱动模式：指汽车在正常路面上行驶，此时汽车运行 所需的转矩由发动机单独提供，且此时发动机工作在其高效区内，液压泵 /马达15处于空转的状态，动力由发动机1经离合器2、变速箱4，传动轴 5、后驱动桥6和半轴7传至车轮8。

参考图2，汽车在良好路面上正常行驶时，单独使用发动机驱动就足 以提供整车所需的动力。另外，为避免能量的二次转换，提高传动系统的 效率，此时，液压系统不开启，系统的工作模式为发动机单独驱动模式。 发动机1单独驱动模式下，离合器2接合，发动机1的动力输出经离合器 2、变速箱4、传动轴5、再经后驱动桥6传至半轴7、车轮8，从而驱动 汽车，此时液压泵/马达15的排量为零。动力传递路线如图2中的箭头所 示。

(2)蓄能器与发动机联合驱动模式：当汽车行驶在具有较大坡度路 面时，且蓄能器12中有能量时，可以由控制器3控制电液比例阀14将蓄 能器12与主油路导通，蓄能器12与发动机1共同驱动整车，增强整车爬 坡能力。

参考图3，当汽车行驶在较大坡路面时，并且蓄能器12中有能量时， 控制器3可以控制电液比例阀14将蓄能器12与主油路导通。此时系统为 蓄能器12与发动机1共同驱动模式。此模式下，离合器2结合，一方面 发动机1的动力输出依次通过离合器2、变速箱4、传动轴5、后驱动桥6 半轴7、到后轮8，另一方面蓄能器12中的能量经电液比例阀14、液压泵 /马达15传至取力器16，依次通过发动机1、离合器2、变速箱4、传动轴 5、后驱动桥6到半轴7、后轮8。此模式适合整车有爬坡需求，且联合驱 动时间较短的工况下，同时为下一阶段的制动能量回收做好准备，节省了 更多的能量。动力传递路线如图3中的箭头所示。

(3)蓄能器制动能量回收模式：汽车在制动时，后轮为机械制动； 后轮作为作为动力源，对发动机1有制动效果。此时，调节液压泵/马达 15的排量，给蓄能器12充能，实现制动能量回收。

参考图4，当汽车制动时，根据制动强度的大小，可以实现全部或者 部分的能量回收。当制动强度比较小时，可首先由蓄能器12进行制动。 此时能量由后轮8、半轴7、后驱动桥6、传动轴5、变速箱4、离合器2、 发动机1传至取力器16、液压泵/马达15，再经电液比例阀14传至蓄能器 12。蓄能器12充满能量之后，则由机械制动器制动。当制动强度比较大 时，液压系统与机械制动器同时制动，控制器3需要分配液压制动与机械 制动的大小，确保行车安全。当紧急制动时，液压系统不参与制动，机械 制动器单独制动。液压制动时，能量传递路线如图4中的箭头所示。

(4)蓄能器单独驱动模式：汽车在低速行驶或起步时，如果蓄能器 12中充有能量，可以不启动发动机1，而使蓄能器12释放能量驱动发动 机1旋转，经由传动系统驱动后轮8转动，从而使整车起步。这样就避免 了发动机1在低效区运转，消除了发动机怠速，提高了燃油经济性。

参考图5，当汽车起步时，如果能器12中储存有能量，可以使用蓄能 器12单独驱动整车，此时，系统进入蓄能器系统单独驱动模式。发动机1 并没有启动，能量由蓄能器12经电液比例阀14、液压泵/马达15传至取 力器16，带动发动机1运转，经由传动系统变速箱4、传动轴5、后驱动 桥6到半轴7驱动后轮8运转。此模式适合整车启动模式，可以避免发动 机1工作在低转速效率低的情况，提高了燃油经济性。

(5)发动机单独驱动且蓄能器充压模式：汽车在低速行驶时，如果 蓄能器12中没有充满能量，此时发动机1单独驱动车辆行驶工作在低效 率点，从而可以利用蓄能器的充能作用调节发动机工作点，这样提高了发 动机的工作效率，同样提高了燃油经济性。

参考图6，当汽车低速行驶时，如果蓄能器12中没有充满能量，此时 此时控制器3调节电液比例阀14的阀芯，接通P-A通道；调节液压泵/马 达15的排量，使蓄能器12吸收的能量为发动机1输出能量与后轮8可利 用能量的差值。能量传递路线为：发动机1经离合器2、变速箱4、传动 轴5、后驱动桥6到半轴7、后轮8，以及发动机1经取力器16、液压泵/ 马达15，再经电液比例阀14传至蓄能器12。

以某一个传统牵引车辆为例，叙述液压元件的选型。

车辆参数如表2所示：

表2某牵引车型整车原始参数

针对该车所在城市的具体情况，基于C-WTVC循环工况的动力性要 求为指标进行参数匹配设计。C-WTVC为瞬态工况，车速波动频繁，导 致部分工作点加速度非常大，进而使得整车需求功率过高，这样匹配得到 的液压泵/马达功率势必非常大，难以应用于工程实际。因此，将C-WTVC 工况的数据进行滤波处理，得到较为平滑的车速历程曲线，并基于滤波后 的工况数据进行泵/马达匹配。

表3C-WTVC循环工况基本参数

基于原车发动机map图及工况要求，得到工况下泵/马达需求转矩和 需求功率。其中，泵/马达峰值转矩700Nm，峰值功率90kW。

在发动机PTO并联结构中，液压泵/马达主要起到辅助驱动车辆、回 收再生制动能量的。因此液压泵/马达的设计参数应满足驱动与制动中的相 应要求，具体如下。

泵的最高转速要求保证最高车速需求，最高车速由工况得到为 87km/h，取90km/h.因此液压泵/马达的最大转速可根据下式计算得到：

n m a x 1 ≥ i 0 · v m a x 3.6 · R · 30 π · i g min · i c ]]>

计算得到液压泵/马达的最大转速的最小值为1407rpm。

同时，泵与发动机PTO(传动比为i_PTO＝1.08)连接，发动机最高转速 为2100rpm，因此根据以下公式得到泵最低转速为：

n_max2≥i_pto·n_eng

计算得到液压泵/马达的最大转速的最小值为2268rpm。

综上，得到液压泵/马达的最大转速的最小值满足：

n_pump/motor≥(n_max1,n_max2)

根据经验计算，取液压泵/马达的最大转速为2300rpm。

根据根据液压泵/马达排量、转矩、输入输出口压差之间的关系，可得 到液压泵/马达的压力为35MPa，排量为119.3ml，根据液压泵/马达现有参 数，选择液压泵/马达压力为42MPa，排量为135ml。

根据工程经验，蓄能器最大压力选择为35MPa；最低工作压力一般为 P_min＝(0.6～0.85)P_max，选取最小工作压力为21MPa；

由于蓄能器功率密度大，但能量密度小，蓄能器体积过大，会增加整 车质量，并且不利于布置安装，因此，这里取满足平均加速工况所需的能 量计算蓄能器容积。通过计算得到满足平均加速所需能量E_avg＝796.2kJ.

由公式：

E a v g = p 1 V 1 n - 1 [ ( p 1 p ) 1 - n n - 1 ] ]]>

得到V₁＝85.3L，即蓄能器体积选为85L。

按照以上参数，当整车以车速为41km/h制动时，车辆可回收20％以 上的制动能量。

蓄能器回收制动能量的大小与实际运行工况及其SOC值的估算有很 大的相关性。

综上，本发明所述的可以能量回收的液压辅助驱动系统，在现有的传 统车辆的结构基础上，添加一套液压系统，不仅可实现在坡路面上辅助驱 动整车行驶或倒车，还可以将制动能量回收，并在车辆低速行驶时再次利 用，辅助驱动车辆，提高了整车经济性。此外，该系统可实现多种工作模 式，合理地利用了资源。