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不一样的混合动力似的

发布时间:2021-07-14 22:55:36 阅读: 来源:剪板机厂家

不一样的混合动力

不是所有的混合动力车辆都要依靠电动发动机、电池和电线。有些车辆是靠液压泵电动机、铃线和蓄电池的联合作用来驱动的。

最近的汽油价格达到了创纪录的历史新高,让站在加油泵面前的消费者胆颤心惊。但是,与重型卡车运输车队的经营者相比,这些消费者的痛苦只能算是小痛小痒了。

从燃料经济性的角度来看,为我们配送包裹和运送垃圾的卡车需要承受几方面的不利冲击。重量就是其中一个重大因素。满载重型运输车辆一般在14000到33000磅的重量范围之间。除重量因素外,很多这类的运输工具还具有燃料燃烧的工作负载循环,它们需要不断地启动和停车。

所以,几个最大的卡车车队运营商已经开始追逐混合动力运输工具的潮流,这对任何人来说都不会感到奇怪。联邦快递(Federal Express) 公司和 UPS 公司的运输车队在过去两年增加了几十辆混合动力卡车,两个公司采用的都是Eaton Corp公司提供的混合动力传动系。据美国最大的垃圾运送公司Waste Management的发言人Lynn Brown说,该公司也在评估一系列的渣土运输车的混合动力解决方案。

但是,可能让人感到意外的是,FedEx公司、UPS公司和Waste Management公司正在考虑选用在一些最重型车辆上的混合动力系统的种类。这些混合动力系统不像丰田公司的Prius车型一样,使用的是电动发动机、电池和电线,而是利用液压泵发动机、高压铃线和蓄电池的联合作用来驱动车辆。

这类液压混合动力中最激进的型号完全摆脱了传统的机械动力传动系统。在这些车辆上,柴油引擎驱动液压泵发动机,而液压泵发动机再为高压蓄电池充电。蓄电池驱动后轮上的斜轴式液压泵发动机从而驱动车辆。一个低压储备器用于收集液体,然后把液体再送回到第一个液压泵发动机中,这样就形成了一个完整的液压循环系统。

与电动混合动力发动机一样,液压混合动力发动机也有提供再生制动的能力。货物运送车辆和渣土运输车经常要制动刹车,当车辆制动时,液压泵发动机会为高压蓄电池充电。当卡车再次启动前行时,储存在蓄电池中的能量可以用来减少柴油引擎的负载。这些能量也可以限制引擎关闭时推进力的迸发,比如说,在室内操作车辆时。

对一般消费者或某些工程师来说,在这样一个电气化程度不断提高的世界里,液压发动机技术看上去有些落伍。但是,液压泵发动机和蓄电池可以提供一种应用扭矩和存储能量可靠的、低成本途径,这也正是混合动力车辆所需要的。并且液压发动机与电动系统相比具有明显的功率密度优势,至少现在是这样。“液压发动机好像非常有效,至少对大多数重型卡车系列来说是这样的,”环境保护基金会(Environmental Defense)高级汽车策略会成员、机械工程师John DeCicco博士这样评价。

液压驱动方式

当今的液压混合动力系统主要有三种方式,并且都处在发展之中。美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency,英文缩写EPA)交通与空气质量办公室(Office of Transportation and Air Quality,英文缩写OTAQ)的研究者们与Eaton Corp公司、美国西南研究院(Southwest Research Institute,英文缩写SwRI)和其他合作伙伴联合开发了一种混合动力系统。从2006年6月开始,这套系统开始由UPS公司的配送卡车在凸显“上海速度”底特律市进行测试运行。美国环境保护署也与Parker Hannifin公司签订了一个单独合作研发协议,着手液压混合动力方面的设计。

在某些方面,液压混合动力系统与其同伴电动混合动力系统相似。但是,液压系

统是使用液压泵发动机、铃线和蓄电池产生扭矩并存储能量,而不是使用电动发

动机、电线和电池。

Eaton Corp和Parker Hannifin两家公司也都各自进行了自主知识产权的液压混合动力系统的开发。Eaton公司开发的是一个液压启动辅助的并行系统,但是其主要的推进力仍然是来自于机械动力传动系。Parker Hannifin公司在过去的一年半的时间里研发出一种新型的液压混合动力设计,其中一些负载循环数据来自于Waste Management公司。Parker Hannifin公司负责液压动力事业部创新设计的副总裁、机械工程师Joe Kovach博士报告说,他们公司将在今年晚些时候结合新型液压混合动力系统建造一个渣土运送卡车模型。

这些不同系统的明显优势是燃料经济性和减少排放。但是,全系混合动力系统或者说不依靠机械动力传动的系统收益好像最大。据交通与空气质量办公室技术转让部主任John Kargul说,美国环境保护暑估计,并行混合动力系统能提高20%到40%的燃料经济性。环境保护暑的全系混合动力系统模型将会有高达40%到80%的燃油经济性。

Kargul报告说,就UPS公司6类配送卡车来说,环境保护署系统模型和功率测试预计,每加仑燃料要比相同型号的传统动力传动系多跑60%到70%的路程。环境保护署已经开始就UPS卡车在底特律街道上的实际表现进行燃料经济性资料分析。Kargul说,公开发布结果还为时过早,但他又补充说“UPS对早期的结果资料很满意”。

与此同时,Parker公司得出的评估结果是,与液压混合动力传动系相关的燃油经济性可以提高效率30%到70%,比例的大小取决于车辆的工作负载循环、动力传动系设计规格和引擎管理策略。

环境保护署的UPS卡车与Parker公司内部混合动力设计的主要区别是,某些驾驶环境下后轮是否使用一个二级机械直接驱动系统。在环境保护署的全系混合动力系统中,只有液压系统连接柴油引擎和后轮。但是Parker公司的设计与此不同,在公路驾驶时,也就是以时速50英里左右平稳行驶状态下,该设计利用了一个把引擎和后轮连接在一起的机械直接驱动系统来增强液压传动系。

“我们在以两种方式建造混合动力系统,用传动轴和不用传动轴,” Kovach说。事实上,Parker公司这些年来一直致力于研发全系的液压混合动力系统。该公司的一个欧洲分部已经开发出并行混合动力系统,这个系统提供液压启动辅助,但是大部分的推进力还是来自于传统的动力传动系。“我们仍然有大约20辆公共汽车使用这一系统,”他说。并且在1991年,Parker公司协助开发了一种渣土运送卡车,使用的完全是液压动力,没有用到机械传动系。

为什么要在最新型的混合动力系统中增加一个二级机械驱动系呢?Kovach承认,从机械零部件和控制器的角度来看,直接驱动部件增加了一些复杂度,纯系混合动力设计可以避免这种复杂度。但是,他认为直接驱动系统可以在公路驾驶状态下提供更高的效率,这足可以抵消设计复杂性带来的不利因素。

“我们充分利用了这两种不同设计,”他说。Parker公司的方法可以看作是一种改良的全系混合动力设计。液压驱动过程中,引擎和后轮是完全分离的,液压驱动发生在提速和刹车状态下,这些是车辆工作负载循环的主体过程。他说:“差不多所有的时间中配送车辆或渣土卡车都是作为全系液压混合动力系统运转的”。他随后补充道,但在公路行驶状态下液压系统就失去了一些有效性,因为从再生制动中获得的能量少了,还因为匀速行驶状态下液压泵发动机效率降低了,这是由液压位移中的兴涡损失和缩减造成的。

美国西南研究院协助开发了环境保护署系统的一些部件,据其主管工程师Glenn Wendel估计,一些液压混合动力系统在公路行驶的功效只有75%,远远低于城市道路上高于90%的功效。传统的传动系统和动力传动系在公路上也有90%以上的功效。Wendel说:“这就是为什么大家在公路上看不到液压混合动力客车或者18轮卡车的原因。”

在公路行驶中环境保护署选择的弥补效率损失的方法与Parker公司不同。“为了用现有型号获得更高效率,我们重新设计了液压泵发动机,” Kargul说。比如,环境保护署的研究者们就创新设计了一款液压泵发动机,其位移角比大多数现有型号、用来驱动后轮的斜轴式液压泵发动机要高。“我们液压泵的位移角在45%到50%之间,而同类型号现有液压泵的位移角在20%到25%的范围之间,”Kargul的意思是说,更高位移角的斜轴式液压泵发动机运转效率更高。

那么,两种混合动力策略中的哪一个将会胜出呢?Wendel说:“现在下结论的确太早。”

为什么液压设计更有效

如其他的好处也不言而喻果出现过液压混合动力时代的话,那就是现在了。“终于繁星漫天了”,Kovach说。一个原因是较高的燃油成本。根据Parker公司对液压混合动力系统的成本分析,当油价超过每加仑两美元时,两到三年的时间就可以收回投资成本。并且因为他们采用的是被证实的低成本技术,一些观察家相信,对重型卡车来说液压混合动力系统与电动混合动力系统相比成本较低。Kargul引证说,如果批量生产,他们的混合动力传动系统的成本可以控制在7000美元以内。

液压混合动力的卖点之一是其在获取制动能量方面的高效率

近些年来液压部件的性能有所提高,液压系统中使用的斜轴式液压泵发动机也变得更小更有效率。Kargul说,他用一只手就可以拿起UPS公司展示的液压泵发动机膛,可如此小的发动机在蓄电池充满电时能产生300马力的功率,蓄电池没电时也能产生150马力的功率。

为什么要选用液压混合动力系统呢?不时要走走停停的大型车辆需要具有很高功率密度的

能量存储系统。在这一方面,液压系统更有效。FedEx公司的OptiFleet E700 型电动混合

动力卡车可以减少96% 的微粒排放,减少75% 的烟雾排放,并且每加仑燃料可以多运行

57% 的路程,从而节省三分之一以上的燃料成本。该公司也在关注液压混合动力系统。

另外一个更重要的变化与高压液压系统中使用的蓄电池有关。Kovach回忆说,1991年当Parker公司开始着手液压混合动力系统设计时,渣土运输卡车的金属蓄电池重达3000磅。“现在我们用的是飞机上使用的太空时代复合材料,蓄电池只有300到400磅重,”他说。

美国西南研究院也一直把重点放在碳纤维增强复合材料蓄电池上,他们的工程师还设计出了用于环境保护署车辆的蓄电池。Wendel报告说,“一般来说,一个复合材料蓄电池的重量要比钢体囊式蓄电池轻2.5倍,比活塞式蓄电池轻大约10倍。”

但是,除了系统本身的成本和重量以外,液压系统还有一个优势,那就是功率密度。Kovach说:“说到功率密度,没有什么可以超越液压系统。”他解释说,高压蓄电池和液压泵发动机的功率密度至少是电池和电动发动机的10倍。从理论上来说,超级电容器可以接近达到这样的功率密度。“但是要应用在这些系统中成本过于昂贵,”Kovach说,据他估计,那些重型车辆所需要的一只超级电容器的成本差不多是同样功用或更好功用蓄电池的50倍。(参见功率密度图和成本资料。)

液压动力系统供应商通过增加系统压力轻而易举就能够提高功率密度。环境保护署为UPS公司设计的演示模型可以以5000磅/平方英寸(psi)的压力运行,主要是因为建造它的工程师在当时找不到承受更高压力的铃线连接器。Kargul说:“我们后来找到了更高压力的连接器,设计的液压泵发动机压力可以达到7000磅/平方英寸。”因此,环境保护署的下一代都市厢式货车可能会以更高的压力运转。并且由于这些液压系统中的功率密度要与运行压力协调一致,Kargul拿在手里的同样液压泵发动机的功率可以从330马力提高到510马力。

因为全系液压混合动力系统没有机械动力传动系,所以引擎可以更经常地以接

近最佳的效率运行。

Kovach发表了同样的观点,他说Parker公司利用已有的液压技术可以提高系统压力并随之提高功率密度两倍甚至三倍。“我们的系统已经用在参加美洲杯比赛(America's Cup)的船只上了,系统的压力可以达到12000磅/平方英寸,”他说。

这样的功率密度在推进大型卡车克服高度惯性载荷时需要快速产生扭矩的场合就能发挥作用了。Kovach说:“电池具有更好的能量密度,但电池不能在时停时走的应用中快速地收发能量,而液压混国家质检局展开严查罗纹钢质量行动合动力系统就可以。”

液压混合动力的应用

要验证液压混合动力的应用仍然有些棘手。但是,总体来说,推广液压技术就是推进该技术在大型和时走时停卡车上的应用。

从车辆重量等级的角度来说,根据从试行车辆上所获得燃油经济增益和成本数据,环境保护署认为,液压混合动力系统适用的卡车可以从3类到最重型的8类卡车。Parker公司的Kovach则相信,液压系统在5类及以上类别的卡车上才能显现其作用。他说:“3类和4类卡车使用电动混合动力可能更好。5类卡车可以用电动系统,也可以用液压系统。但是在时走时停的6、7、8类卡车上,在很长一段时期内,没有什么技术能赶得上液压技术。”

但是,工作负载循环比停车频率更值得关注。Eaton公司混合动力系统研发小组的总工程师Jeff Carpenter指出,停车之间的距离是另外一个负载循环因素,这个因素可以影响对混合动力系统类型的选择。“两次停车之间的距离是多少?如果距离短并且车辆很重,液压系统可能更有效。如果距离比如说是1000码或更长,那么电动储存系统可能更有效,”Carp逐渐淘汰高风险的材料enter说。但只经常使用的还是簧料截面为圆形的螺旋弹簧换句话说,他认为,一些卡车会从液压系统提供的功率密度优势上获取最大效益,而其他的车辆会从电池提供的高级能量储存中获取更多效益。他说:“液压系统和电动系统都有各自的优势和缺陷,这要看客户怎样使用车辆。”

要确定哪种混合动力方式更有效率优势好像很难。Carpenter指出,以合适的负载循环使用时,电动混合动力和液压混合动力都可以达到90%的总体功效。他说:“差别可能只有一两个百分点,一点都不明显。”

但它们产生这种效率的被列入工信部《重点新材料首批次利用示范指点目录》方式可以帮助我们确定每种技术的最佳适配。Kargul坚持认为,液压混合动力在获取制动能量方面更有效率。他说,具有适当型号蓄电池的液压混合动力系统可以把70%的制动能量返回到车轮上,而一般电动混合动力系统返回车轮的能量只有大约21%。他说,其原因与当今电池充电时间的长短有关。Kargul说,来自卡车制动时的能量甚至可以超过一个现代锂离子电池的充电限量,所以电池只能收取它们所能容纳的量。如果有更多的电池,混合电力系统可以与液压系统接收一样多的能量。他说:“但接下来还有重量、成本和包装的问题。混合动力系统的设计需要你在想获取再生能量的多少和其他一些因素之间取得平衡。”

还有一个事实,使我们没法在电动系统和液压系统之间做出明确果断的选择,那就是两种系统已经同时出现在某种特定的负载循环和重量类别上了。Eaton公司自己开发的混合电动传动系统和该公司与环境保护署合作投入使用在UPS公司车辆上的液压演示系统就是这样。但是,Carpenter指出,电动系统已经完全商业化并且已经到第二代了。UPS公司就有50辆这样的车辆,重量在16000磅和24000磅之间。但是液压系统仍然处在演示阶段,虽然这种系统比较有前途。

在一段时期内可能都不会有明确的选择。“目前还没有定论,”Kargul说。只有150辆6类电动混合动力卡车和一辆同样型号的液压混合动力卡车在路上运行,Kargul认为,要想知道哪种技术更有成效,资料还不充足。“最起码的是,大型车队的老板们会不断地关注任何可以明显降低他们成本的混合动力技术,”Kargul说,“从UPS公司和FedEx公司你就可以看到这一点。”

但是,长远来看,即使是液压混合动力的倡导者也相信,电动系统将会占据上风。环境保护基金会的DeCicco认为,电动驱动系统会在某一时间开始变得非常普遍,由于商业原因而非技术原因这种系统的采用会变得势不可挡。他说:“从某些方面来看,液压混合动力系统与电动混合动力系统之间的竞争看上就去像格式盒式录像机系统(BetaMax)和家用录像系统(VHS)之间的竞争了。”

靠液压技术开发为生的Kovach也不认为液压混合动力系统会永远是重型卡车最好的选择。他说:“超级电容会更好。在某个时间,它们能提供比液压系统更好的性价比。但这不会持续太久,主要是因为我们能够持续提高压力和功率密度。在今天,液压系统不需要任何新技术就可以帮我们节省大量的燃料。”(end)

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