CN105059274B - 一种车辆动能转换与恢复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆动能转换与恢复装置，它用来储存地铁制动时的能量，并在启动时恢复期动能。本发明主要包括偏心轮、液压柱塞以及相应的液压回路。当地铁制动时，偏心轮与车轴同步转动，使得内置的液压柱塞进行往复的径向运动，通过相应液压回路的设计，使得液压柱塞将液压油压入蓄能器中，从而将车辆的动能转换成液压能储存起来。在地铁启动时，通过电磁阀的切换控制，将装置用作低速大扭矩液压马达，对地铁的进行推动，实现动能的恢复。本发明利用液压形式进行储能，制动能量并没有转换到电能，而只是储存成液压能，效率要比现有的储能方式高得多。

Description

一种车辆动能转换与恢复装置

技术领域

本发明涉及一种用于城市交通车辆制动和启动过程中的动能转换、储存和恢复装置，更准确的说，涉及一种将制动过程中车辆的动能转换成液压能储存起来，并在再启动过程中又将液压能转换成车辆动能的液压控制系统。

背景技术

城市地铁（和其他交通车辆）作为一种越来越重要的交通工具，在未来中国的各个城市都将会成为主流的交通工具。然而地铁不同于高铁动车，由于其站间距较短，列车启动、制动频繁；因而从能量互换的角度看，制动能量相当可观，如不考虑将制动能回收再利用，必将造成能源的巨大浪费。

基于此，越来越多的工程技术人员开始研究如何实现地铁制动能量的回收与再利用。到目前为止，地铁制动能量处理的方案一般有以下几种方式：（1）电阻耗能型，这一方案是将电能转换为热能形式耗散，没有再利用过程，因而造成能源不必要的浪费，而且电阻散热会导致环境温度升高，因此需要增加相应的通风、制冷设备，这又增加了相应的电能消耗。（2）电容储能型，该方法是将制动能转化为电能储存在超级电容中，当列车启动或运行中有需要时，再释放出来。其主要缺点是能量密度低，因此，相同的能量就需要设置体积更加庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短；（3）飞轮储能型，其基本原理和电容储能型的原理一样，但由于飞轮长时间处于高速旋转状态且飞轮质量也很大，故摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短。（4）逆变回馈型，该方法是将制动产生的直流电逆变为工频交流电直接回馈至电网，但该技术复杂，设备投资很大，相关技术正处于研究阶段，并未成熟。

由于上述各种制动能回收方法都需要将制动能转化为电能进行回收，再利用过程中又将电能转化为列车运动的机械能，这些能量转化及传动过程造成了很大的能量损失，因此这些方法的能量回收效率并不高。

除了上述储能方法，另外一种蓄能方法就是将制动能直接转化为可控性较强的液压能，能量形式仍然是机械能的一种。当车辆启动需要再利用时，直接将液压能转化为车辆动能，驱动列车行驶，如此便简化了能量转化过程，提高了能量利用效率。利用液压蓄能的方式进行制动能量回收在城市公交车上已经有了多的应用，但都是以压缩空气为工作介质。由于地铁体积重量大，制动能非常大，公交车液压蓄能方案并不适用于地铁这种大能量的回收场合。基于上述背景，本发明提出了一种尤其适合应用于地铁制动能回收与再利用的液压蓄能系统。

发明内容

本发明提出了一种利用偏心轮和多个液压柱塞组合的装置来实现能量在城市交通车辆的动能和液压能之间的双向转换，从而达到回收制动能，改善车辆制动和启动性能的方案。其基本原理是在制动和再启动时，通过离合器将偏心轮和车轴同步，将偏心轮的旋转运动转化成液压活塞的往复运动，并通过吸油阀和排油阀的控制，将液压柱塞的往复运动转化为高压液压油储存在蓄能器中，类似液压柱塞泵的作用。在车辆再启动时，则通过电磁截止阀的控制，将高压油充入到柱塞腔中，驱动偏心轮带动车轮转动，类似于柱塞式液压马达，从而实现车辆制动能的恢复。

为了实现上述要求，本发明采用如下技术方案：用于车辆的液压能量转换与恢复装置主要由偏心轮、液压柱塞、泵体、吸油阀、排油阀、离合器和控制器组成。

其工作过程如下：当车辆制动时，通过离合器将该偏心轮与车辆车轮轴同步，车轮转动就转化为偏心轮的转动。泵体内部有若干个液压柱塞（一般可以选7,9或11个），液压柱塞的端部装有滚轮和复位弹簧。随着偏心轮的转动，液压柱塞在偏心轮和复位弹簧的作用下往复运动。通过吸油阀、排油阀和特定的油路结构，将液压油从油箱压入蓄能器中。车辆制动后再启动时，蓄能器通过电磁截止阀向每个柱塞轮流充入压力油，使得该装置的功能类似于柱塞液压马达。该液压马达工作在低速大扭矩状态，正好可以在车辆启动过程中的最初加速过程中起主要的推动作用，实现平稳快速启动，也实现了车辆制动过程中动能的存储于恢复。整个过程，制动能不转化成电能，而是直接转化成液压能储存起来，并在车辆再启动时又被转换回车辆的动能，从而实现了高效的动能回收再利用。

所述的车辆动能恢复装置包括偏心轮、泵体、和泵体内部的多个液压柱塞，液压柱塞通过柱塞端部的滚轮和凸轮环外缘接触。

所述的车辆动能恢复装置的每个柱塞腔的油路结构包括进油口、出油口和旁路油口，进油口通过吸油阀与油箱连通，出油口通过排油阀与蓄能器连通，旁通油口通过二位二通电磁截止阀和二位三通电磁截止阀同时与油箱和蓄能器连接，但不一定通油。

所述的车辆动能恢复装置中的偏心轮，可以通过离合器与车轮之间进行配对，在整个制动和再启动过程中，离合器都保持连接。

所述的车辆动能恢复装置，通过电磁截止阀上的电磁铁的控制作用，既可以作为变量柱塞泵使用，实现车辆的可控制动，又可以作为变量柱塞马达使用，实现车辆启动过程的加速。

本发明主要有以下几个优点：

1.利用液压形式进行储能，制动能量并没有转换到电能，而只是储存成液压能，效率要比现有的储能方式高得多。

2.液压形式能量密度高，利用液压储能，系统体积可以做的很小，便于安装到现有车辆上。

3.该方案可以通过每个柱塞在制动过程中是否排油，而调节制动力的大小，制动更平稳。同样，启动过程中同样可以控制单个柱塞的推动力，使得加速过程更平稳。

4.液压回路的控制可以通过电磁阀实现，可以全部由电信号实现自动化。每个柱塞所对应的油路可以集成到一个液压块中，避免外泄漏。

5.系统全部采用成熟技术和元件，因而可靠，造价低。

6. 这种双向能量转换装置，用作柱塞泵时，制动力可控制，可以实现车辆的快速平稳制动；在车辆再启动时，用作低速大扭矩马达，正好适合用于车辆的启动加速。因而，这种双向能量转换装置可以显著提升整车性能。

附图说明

图1是本发明装置的布局示意图和每个柱塞的液压回路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明。

如图1所示：泵体1内均布有多个液压柱塞4，每个柱塞杆端部的滚轮2在柱塞复位弹簧3的作用下压紧在偏心轮2上。每个柱塞都有一个控制其吸排油和充放由的液压回路，回路由吸油单向阀5，排油单向阀10，二位二通电磁截止阀6，二位三通电磁截止阀8组成。图1中只画出了一个柱塞对应的液压回路，其他柱塞的回路均与此相同。

当车辆开始制动时，通过离合器的开关，将偏心轮与车辆车轮轴同步，带动偏心轮转动。这样，液压柱塞4就会在柱塞腔内进行往复运动。此时，装置作为柱塞泵工作，将低速大扭矩的车轮转动高效地转换为液压能，并储存在蓄能器9中。

在图1所示的液压回路中：为当液压柱塞吸油时，吸油单向阀开启，压油单向阀关闭。反之，柱塞排油时，压油单向阀开启，吸油单向阀关闭。一个往复周期，液压油从油箱被吸入，然后以高压油储存在蓄能器中。

在每个柱塞的液压控制回路中，当二位二通电磁截止阀6处于右位时，柱塞正常吸排油；而当二位二通电磁截止阀6处于左位，且二位三通电磁截止阀8处于右位时，则液压回路中的吸油单向阀被短路，柱塞腔中的油液总是直接与油箱7相通，柱塞虽然做往复运动，但不排油，排油单向阀一直关闭。

通过电磁阀可以控制每个柱塞排油与否，从而可以调节车辆动能向液压能的转换速度，从而调节制动的快慢。

当车辆启动时，整个装置成为一个低速大扭矩液压马达。 二位二通电磁截止阀6一直处于左位，二位三通电磁截止阀8则在两个工作位置间切换。当二位三通电磁截止阀8处于左位时，排油单向阀被短路，高压油从蓄能器经过二位三通电磁截止阀8左位和二位二通电磁截止阀6的左位，进入柱塞腔。推动柱塞往外伸出，驱动偏心轮和车轮转动。当二位三通电磁截止阀8处于右位时，吸油单向阀被短路，高压油被截止。 油液从柱塞腔经过二位二通电磁截止阀6的左位， 和二位三通电磁截止阀8右位排回油箱。此时，柱塞在低压下被压进泵体。

保持二位二通电磁截止阀6处于左位，通过电信号不断地切换二位三通电磁截止阀8的工作位，就可以实现柱塞周期性的充油和放油，从而推动偏心轮的转动，将蓄能器中的液压能重新转换为车辆的动能，达到节能的效果。

柱塞在压力油作用下推动偏心轮转动时，由于柱塞数较多，因而输出的是低转速的大扭矩，正好适合用来进行车辆的初始启动。 但车辆达到一定运动速度后，离合器与车轮脱开，一个车辆动能转换和恢复的周期结束。

本发明装置中，偏心轮的转角相对每个柱塞的位置，可以通过在每个柱塞处安装一个光电开关，进行实时的监测。

本发明装置可以方便地加装在现有车辆上，改动量较小。

Claims (2)

1.一种车辆动能转换与恢复装置，其特征在于：包括偏心轮、泵体、和泵体内部的多个液压柱塞，液压柱塞通过柱塞端部的滚轮和偏心轮外缘接触；

每个柱塞腔的油路结构包括进油口、出油口和旁路油口，进油口通过吸油单向阀与油箱连通，出油口通过压油单向阀与蓄能器连通，旁通油口通过二位二通电磁截止阀、二位三通电磁截止阀同时与油箱和蓄能器连接；

所述偏心轮通过离合器与车轮之间进行配对，在整个制动和再启动过程中，离合器都保持连接；

所述的车辆动能转换与恢复装置，通过电磁截止阀上的电磁铁的控制作用，既可以作为变量柱塞泵使用，实现车辆的可控制动，又可以作为变量柱塞马达使用，实现车辆启动过程的加速；

当车辆制动时，液压柱塞吸油，吸油单向阀开启，压油单向阀关闭；反之，柱塞排油时，压油单向阀开启，吸油单向阀关闭；一个往复周期，液压油从油箱被吸入，然后以高压油储存在蓄能器中；

当二位二通电磁截止阀处于右位时，柱塞正常吸排油；而当二位二通电磁截止阀处于左位，且二位三通电磁截止阀处于右位时，则液压回路中的吸油单向阀被短路，柱塞腔中的油液直接与油箱相通，柱塞虽然做往复运动，但不排油，排油单向阀一直关闭；通过电磁阀可以控制每个柱塞排油与否，从而调节车辆动能向液压能的转换速度，即调节制动的快慢。

2.根据权利要求1所述的一种车辆动能转换与恢复装置，其特征在于：

当地铁车辆启动时，二位二通电磁截止阀一直处于左位，二位三通电磁截止阀则在两个工作位置间切换；当二位三通电磁截止阀处于左位时，排油单向阀被短路，高压油从蓄能器经过二位三通电磁截止阀左位和二位二通电磁截止阀的左位，进入柱塞腔；推动柱塞往外伸出，驱动偏心轮和车轮转动；当二位三通电磁截止阀处于右位时，吸油单向阀被短路，高压油被截止；油液从柱塞腔经过二位二通电磁截止阀的左位和二位三通电磁截止阀右位排回油箱；此时，柱塞在低压下被压进泵体；

保持二位二通电磁截止阀处于左位，通过电信号不断地切换二位三通电磁截止阀的工作位，实现柱塞周期性的充油和放油，从而推动偏心轮的转动，将蓄能器中的液压能重新转换为车辆的动能。