并聯式混合動力裝載機的參數匹配

李天宇，趙丁選，康懷亮，張志文，張正飛，徐春博

（吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022）

裝載機是進行基礎作業的重要工程設備，由于其作業工況復雜，負載變化頻繁、劇烈，其能量利用率低、能耗高、排放差［1］。混合動力系統可以有效改善燃油經濟性并降低排放，為裝載機節能減排提供了新方向，國內外眾多工程機械廠商都在研究工程機械混合動力技術［1］。2003年日立建機首次推出混合動力輪式裝載機樣機，瑞典Volvo、日本川崎等相繼推出了試驗樣機。Volvo推出L220FHybrid輪式裝載機，采用蓄電池儲能的并聯混合動力電驅動系統；川崎研發了一款電容器儲能的新型混合動力裝載機，能夠回收剎車的能量；廣西柳工集團有限公司已展出CLG862－HYBRID裝載機，采用超級電容儲能、發動機和ISG電機并聯式混合動力系統結構［2］；徐工集團推出ZL50G液壓混合動力裝載機，能夠高效回收制動動能和下坡勢能［3］。

參數匹配優化是提高系統效率、改善燃油經濟性的關鍵，合理的匹配可以有效降低裝機功率及成本，提高整機的平穩性和可靠性。由于技術保密等原因，研究混合動力裝載機的文獻很少［1－4］，關于參數匹配未見深入研究。

本文針對電機功率較小、能量利用率高［4－5］的并聯式混合動力裝載機研究其參數匹配方法。首先介紹一種典型的并聯式系統結構及控制策略，分析其工況特點。提出參數匹配的目標、目標函數及約束函數，以某ZL50裝載機為原型實現參數匹配的方法，應用粒子群優化算法對傳動系統參數進行優化。最后通過Matlab／Simulink軟件對系統節能效果和性能進行深入研究。

1 并聯式混合動力裝載機系統

1.1 并聯式混合動力裝載機結構

選用永磁同步電機作為電動／發電機，采用超級電容儲能，圖1為混合動力裝載機系統結構。

圖1 并聯式混合動力裝載機系統結構Fig.1 Structure of parallel hybrid power loader system

1.2 裝載機工況分析

裝載機一個典型工作循環主要由“空載前進”、“鏟掘”、“負載運輸”、“卸料”和“空載返程”組成，本文研究作為原型的某ZL50裝載機在此周期下對原生土作業的載荷譜，圖2、圖3為一個典型工作周期內，根據由實際測得的工作液壓泵及轉向液壓泵出口壓力變化、傳動軸轉矩變化和相應轉速等，通過計算得到液壓系統和傳動系統需求功率變化。由圖可見，由于裝載機工作周期性強，因此負載波動較強［6］。

圖2 液壓系統需求功率變化曲線Fig.2 Curve of required power for hydraulic system

圖3 傳動系統需求功率變化曲線Fig.3 Curve of required power for transmission system

1.3 混合動力裝載機控制策略

控制策略是混合動力系統能量管理分配的核心，根據裝載機工況特點，考慮實際應用要求，采用分段多工作點控制策略，以超級電容荷電狀態及負載工況作為決策依據［7－8］。

2 參數匹配方法

混合動力系統組成復雜，采取從整體到局部的方法:建立全局優化目標函數及相應的約束函數，然后將目標函數分解為各元件的優化目標函數［9］。參數匹配的目標是:在滿足正常工作要求的前提下，使系統各元件與工況匹配，提高系統整體效率，改善燃油經濟性，降低裝機功率及成本，即使系統輸出能量Eout與輸入能量Ein之比最大，全局優化目標為:

式中:ED、EB分別為驅動負載和液壓系統所需能量；EC為超級電容能量變化；EE為發動機提供的能量。電容為電機提供電動能量同時回收發電能量，因此可以用電機的能量變化表示電容能量變化。

式中:FT為有效牽引力；v為車速；ηTR、ηTC、ηc分別為傳動系、液力變矩器、超級電容的效率；pi、Qi、ηB分別為各液壓泵出口壓力、工作流量和效率；Tm、Tg為電機的電動、發電狀態的轉矩；nm、ng為對應Tm和Tg的轉速；ηm、ηg為電動機、發電機的效率；κ為柴油熱值；mfuel為燃油消耗率；Te、ne分別為發動機的轉矩和轉速。

系統中對整體效率影響較大的主要是發動機的燃油經濟性和液力變矩器的效率，需要作為優化目標進行優化，需要滿足如下條件:

式中:nT、nB分別為液力變矩器渦輪輸出轉速和泵輪輸入轉速；K為變矩器變矩系數；iTC為變矩器nT與nB的轉速比。

約束條件為在系統整體效率最高且油耗最少的目標下，使發動機額定功率PEN、電機額定功率PMN、超級電容容量C最小，即:

3 參數匹配的實現

并聯式混合動力系統具有雙動力源特性，按提供動力的主次順序進行參數匹配，依次對發動機、電機、液力變矩器、超級電容等進行參數匹配［9］。

3.1 發動機參數匹配

裝載機不同階段負載相差很大，按平均功率計算會使額定功率偏小。要在滿足工作要求前提下合理匹配，本文采用比重系數，鏟掘工作占的權重大，取其比重系數c1＝0.8，其他工作循環的比重系數c2＝0.2。

經計算額定功率PEN為108kW。原機額定轉速2200r／min并與原車匹配，仍選擇該額定轉速。同理對最大轉矩的匹配仍使用上述算法及參數，計算得到最大轉矩為493.4N·m。在選擇合理匹配和控制策略的前提下不需要太大的最大轉矩，轉矩適應系數Kf可取較小值，取Kf＝1.2，則發動機最大轉矩為592N·m。

3.2 電動／發電機參數匹配

電機參數的選取與控制策略有直接關系，結合發動機油耗分布及電機效率分布來確定參數，使其工作在高效區［10］，需要滿足如下條件:

式中:Im、Um分別為電機電動狀態的電流和電壓；Ig、Ug分別為電機發電狀態的電流和電壓；PD、PB分別為傳動系統、液壓系統需求功率；PE為發動機輸出功率。

經計算電機最大功率約為100kW，峰值轉矩約為470N·m。永磁同步電機超載能力強，取額定功率60kW／最大功率110kW，額定轉矩260N·m／最大轉矩480N·m。由其功率要求選擇直流母線額定電壓360V，電機額定轉速與發動機相同，取2200r／min。

3.3 液力變矩器參數匹配

液力變矩器的性能對系統效率和牽引性能有著重要影響。變矩器的輸入輸出特性主要受有效直徑影響。實現變矩器高效傳遞功率是確定有效直徑的重要原則，即以變矩器最高效率工況來傳遞動力源的最大凈輸出功率，同時使功率輸出系數φP最大、燃油消耗系數φge最小。考慮到負載與使用條件，以發動機全功率和電機額定功率計算有效直徑D。

式中:MB為變矩器泵輪輸出轉矩；λB為泵輪轉矩適應系數；Te、TM分別為發動機和電機輸出轉矩；Tau為輔助設備及液壓系統消耗。

經計算有效直徑為361.4mm，由實際產品規格取有效直徑為360mm。

3.4 超級電容參數匹配

超級電容具有快速充放電能力和較高的比功率密度，滿足系統要求，只需匹配容量，其存儲的能量可以等效為一個工作循環內的最大能量變化。

式中:Pm、Pg分別為電機電動、發電的功率。

經計算一個工作循環內的最大能量變化約為922.77kJ。由于電機額定電壓為360V，工作電壓為300～410V，由實際產品規格取超級電容額定工作電壓為432V，最高工作電壓Vmax為410 V，最低工作電壓Vmin為300V。計算得超級電容的容量C為23.6F。

4 粒子群算法優化

在前述參數匹配的基礎上，采用粒子群優化算法（Particle swarm optimization）對一些參數進行優化。傳動系統的性能在很大程度上決定系統整體效率及燃油經濟性，對其優化是提高系統效率的重要途徑。以系統等效油耗最低為目標，優化的變量包括液力變矩器有效直徑D、變速器各擋位傳動比i1～i4、主傳動比id和輪邊減速比iw，即X＝［D i1i2i3i4idiw］。約束條件包括:

（1）液力變矩器有效直徑約束。有效直徑值應在發動機全功率電機額定功率匹配的有效直徑Dmax與發動機部分功率匹配的有效直徑Dmin之間，同時變矩器應保證工作在高效區。

（2）最高車速、動力因數和爬坡能力約束。滿足最高車速vmax的要求，滿足各擋的動力因數DF的要求，滿足最大爬坡度αmax的要求。

（3）行駛約束。正常行駛需要同時滿足驅動條件和附著條件，使驅動力FD能夠克服阻力FR，且驅動力小于附著力以防止出現輪胎滑轉現象。

（4）傳動比分配約束。傳動比的分配原則是盡量將減速比多分配給后邊，變速器各擋位傳動比基本按等比級數排列，并適當減小高擋之間的比值。

應用Matlab／Simulink軟件搭建模型進行仿真研究。為提高仿真精度，使其與實際相符，在對系統各元件數學建模的基礎上，采用理論公式和經驗公式相結合的方式來描述其性能參數。以實際載荷譜作為負載輸入，采用后向式仿真方式，對系統性能進行研究。模型結構見圖4。使用改進的粒子群算法，種群大小為50，學習因子采用非對稱反余弦策略，線性慣性權重采用線性微分遞減策略，迭代次數為1000次，選取系統等效油耗為適應值［11］。應用該模型，每次得到粒子位置后代入模型求解等效油耗作為適應值，再從中選擇最優解。優化前后參數變化見表1。

表1 優化前后參數Table 1 Parameters before and after optimization

圖4 混合動力裝載機仿真模型Fig.4 Simulation model of hybrid power loader

5 匹配結果對比分析

仿真模型的主要參數如下:傳統裝載機發動機額定功率為160kW；混合動力裝載機發動機額定功率為108kW，電動／發電機功率為60kW，超級電容容量為23.6F。超級電容SOC值設定工作范圍為0.3～0.8，初始值為0.6。

圖5為傳統裝載機、混合動力裝載機、優化后混合動力裝載機油耗變化，可見采用混合動力后節油效果明顯，優化后可進一步節油。將超級電容能量變化折算為油耗，結果表明混合動力比傳統裝載機節油約7.1%，優化后節油約10.6%。圖6為混合動力系統優化前后超級電容SOC值的變化，可見超級電容基本工作在設定范圍內，優化后工作更穩定。

圖5 油耗變化曲線比較Fig.5 Curve of fuel consumption comparison

圖6 混合動力系統荷電狀態變化曲線Fig.6 Curve of state of charge in hybrid power system

6 結束語

針對并聯式混合動力裝載機的系統結構、工況特點和控制策略，提出了系統參數匹配的目標和方法。對某5t并聯式混合動力裝載機的主要元件進行了參數匹配。利用粒子群優化算法對傳動系統一些參數進行了優化。仿真研究結果表明:參數匹配后裝機功率明顯降低，系統效率提高、油耗降低。優化后系統能進一步提高效率且降低油耗。

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