并聯式油電混合動力裝載機動力系統仿真分析

楊繼林,藺博見,柯小毛

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西西安 710064；2.廣汽乘用車有限公司,廣東廣州 511400)

并聯式油電混合動力裝載機動力系統仿真分析

楊繼林1,藺博見1,柯小毛2

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西西安 710064；2.廣汽乘用車有限公司,廣東廣州 511400)

在保證裝載機施工過程中作業質量的前提下合理匹配整機功率，根據裝載機的作業特點，分別使用模糊邏輯控制策略、電機最小助力控制策略和瞬時等效油耗最低控制策略對并聯式油電混合動力系統進行仿真分析，并與傳統機型系統進行對比分析。仿真結果表明：并聯式油電混合動力系統節能率最大可達10.3%。與傳統系統相比，本系統節油率更高，且顯著提高了裝載機的牽引力。

并聯式；混合動力；仿真；能量回收

輪式裝載機作為一種重要的土石方施工機械，廣泛應用于公路施工、建筑施工、礦山作業等[1]。混合動力技術在汽車上獲得廣泛應用，能夠實現一定的節能減排效果[2]。工程機械領域對混合動力技術的研究，主要還是借鑒其在汽車領域的發展[3]。2009年，“新型混合動力工程機械關鍵技術及系統”項目作為先進制造技術領域的重點項目，已被列為我國“863”計劃，作為重點發展項目[4]。

1 傳統裝載機油耗

圖1 傳統輪式裝載機油耗

傳統輪式裝載機作業過程中，燃油的消耗主要用于驅動車輛的運動以及工作裝置的運行。傳統裝載機在V型作業工況下一個周期內的總油耗以及瞬時油耗如圖1所示，一個周期內燃油消耗量為191.2 g。

2 并聯式油電混合動力裝載機仿真

分別采用模糊邏輯控制策略、電機最小助力控制策略和瞬時等效油耗最低策略，對油電混合動力系統進行仿真分析，分析的內容包括系統需求轉矩、發動機輸出轉矩、電機轉矩，超級電容的充電狀態(state of charge,SOC)值，一個周期內總油耗。

2.1 模糊邏輯控制策略仿真

利用Matlab/Simulink進行仿真。模糊邏輯控制具有很強的魯棒性，且不需要精確的模型，便可保證發動機的效率以及超級電容充放電平衡(SOC在合理范圍內波動)[5]。仿真模型的輸入量分別是系統需求轉矩和超級電容SOC值，輸出是發動機的最優輸出轉矩和電機的轉矩?？刂苿t根據系統負載需求、SOC值及發動機的工作點，切換系統工作模式。

圖2為模糊邏輯控制策略的轉矩、超級電容SOC值波動、燃油消耗情況，圖2a)包括系統需求負載曲線、發動機輸出轉矩曲線、電機轉矩曲線。通過發動機轉矩曲線和電機轉矩曲線，可以看到，電機的輔助功能，起到了“削峰填谷”的作用，保證了發動機工作在高效區域。當電機轉矩為正值時，系統處于發動機和電機協同作用，電機處于電動狀態，由超級電容提供能量，超級電容SOC值下降；當電機轉矩為負值時，系統處于發動機單獨工作狀態，發動機轉矩大于系統需求轉矩，此時電機處于電動狀態，剩余轉矩提供給電機發電，超級電容SOC值上升[6]。

a)轉矩 b)超級電容SOC值波動 c)燃油消耗圖2 模糊邏輯控制策略仿真

從圖2b)中可以看到，超級電容SOC值在設定范圍內波動，符合設計要求。在一個工作周期內，發動機的工作點處于不斷調整的狀態，處于發動機效率較高的區域，超級電容的SOC值也處于波動狀態，但是處于控制范圍[0.4,0.8] 內，所以不會出現過度充電或者過度放電損壞超級電容的情況。

從圖2c)可以看出，基于模糊邏輯控制策略的系統滿足設定要求，發動機基本處于高效區，SOC值在設定范圍內正常波動。一個工作周期內的燃油消耗量為171.5 g，節油率為10.3%。

2.2 電機最小助力控制策略仿真

目前大多數控制策略的思路是使發動機避開高油耗低效率區域，進入低油耗高效率區域[7]，忽略電機的頻繁啟動以及超級電容的頻繁充電放電帶來的功率損失，導致整機效率不高。在發動機當前轉速和需求轉矩確定的條件下，通過萬有特性曲線，可以確定此時發動機的轉矩，從而確定電機的工作狀態。

圖3是采用電機最小助力控制策略的轉矩、超級電容SOC值波動、燃油消耗的仿真結果。實際工況中，盡量減少電機工作，增加發動機單獨工作狀態，從而避免超級電容往復的充放電，降低由于能量轉換造成的能量損失率[8]。

a) 轉矩 b)超級電容SOC值波動 c)燃油消耗圖3 電機最小助力控制策略仿真

系統需求轉矩大于當前轉速下發動機最大轉矩時，發動機和電機聯合驅動，此時，電機處于電動狀態；系統需求轉矩小于發動機當前轉速下發動機最小轉矩時，發動機剩余轉矩用于發電，此時電機處于發電狀態；其他情況下，混合動力系統處于發動機單獨工作狀態[9]。一個周期內的油耗為183.3 g,節油率為4.1%。

2.3 瞬時等效油耗最低控制策略仿真

瞬時等效油耗最低控制策略，是一種動態自適應控制方法，目的是讓發動機盡量工作在最佳燃油消耗曲線上。瞬時等效油耗最低控制策略以全局最優控制理論為基礎，其主要內容包括等效油耗和瞬時優化兩個方面[10-11]。該控制策略通過對任意時刻發動機和電機的轉矩分配，使系統的功率損失最小。EMCS理論是將電能的消耗等效到發動機的能量消耗，以一個工作循環周期內超級電容的SOC值基本不變而建立起的系統整體燃油消耗模型[12-15]。圖4是采用瞬時等效油耗最低控制策略的轉矩、超級電容SOC值波動、燃油的消耗的仿真結果。

a)轉矩 b)超級電容SOC值波動 c)燃油消耗圖4 瞬時等效油耗最低控制策略仿真

從圖4a)可以看出，發動機轉矩曲線基本位于最佳燃油消耗曲線上，電機輔助發動機工作，達到預期效果。從圖4b)可以看出，超級電容SOC值曲線一個周期的開始到結束，超級電容SOC值基本不變。從圖4c)可以看到采用瞬時等效油耗最低控制策略，系統一個周期的油耗為179.6 g，節油率為6.1%。

3 傳統裝載機與混合動力裝載機仿真結果對比分析

采用模糊邏輯控制策略、電機最小助力控制策略及瞬時等效油耗最低控制策略3種控制策略，均能滿足系統負載需求，并且有一定的節油效果。對3種控制策略仿真結果進行對比分析，結果如表1所示。

表1 一個周期內油耗仿真結果

從表1可以看出：

1)油電混合動力系統在模糊邏輯控制策略下，油耗為171.5 g，相對節油量為19.7 g，相對節油率為10.3%，在3種控制策略中，相對節油率最高。該控制策略滿足了系統需求，發動機工作點在最佳燃油曲線附近，超級電容SOC值在設定范圍內波動?；谀：壿嬁刂撇呗缘南到y具有很強的魯棒性，節油率也相對較高，不過控制器設計較為復雜。

2)油電混合動力系統在電機最小助力控制策略下，油耗為183.3 g，相對節油量為7.9 g，相對節油率為4.1%。電機最小助力控制策略的核心思想是減少電機的工作狀態，以發動機工作為主，從而避免超級電容充放電所造成的二次能量轉換損失。通過SOC值曲線圖，可以看到超級電容SOC值波動范圍不大，基本達到要求，但是該控制策略下沒有考慮發動機的工作效率，發動機工作點不能維持在低油耗高效率點附近。

3)油電混合動力系統在瞬時等效油耗最低控制策略下，油耗為179.6 g，相對節油量為11.6 g，相對節油率為6.1%。瞬時等效油耗最低控制策略的核心思想是讓發動機工作在最佳燃油消耗曲線上，通過對任意時刻發動機和電動/發電機的轉矩分配，使系統的功率損失最小[16-17]。該控制策略是以全局最優控制理論為基礎，在工作周期內需要對每一個采樣信號進行發動機與電動/發電機間的最佳轉矩分配，具有很好的適應性，但是計算量大，對硬件要求高，發動機工作點切換較頻繁，同時瞬時最低等效油耗并不能保證全局最低等效最低油耗，因此在實際應用中并不合適[18-20]。

4 結語

3種控制策略各有利弊，但無論選擇哪種控制策略，相對傳統的裝載機，都節省了油耗，更加環保。并且混合動力系統中安裝有液壓蓄能器，能夠有效地回收和再利用制動能量，明顯降低傳統制動器的使用次數和強度，同時液壓再生系統為裝載機行走裝置提供輔助功率，使發動機工作于最佳燃油經濟區，節能率最大可達10.3%，并能明顯提高裝載機的牽引力。

[1]黃鶴艇,王浩倫,侯亮.裝載機技術成熟度預測及發展趨勢探討[J].中國工程機械學報,2010,8(3):367-368. HUANG Heting,WANG Haolun,HOU Liang.Investigation into technological maturity prediction and development trends on loaders[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2010,8(3):367-368.

[2]于秀敏,曹珊,李君,等.混合動力汽車控制策略的研究現狀及其發展趨勢[J].機械工程學報,2006,42(11):11-15. YU Xiumin,CAO Shan,LI Jun,et al.Present study situation and developing trend of control strategies for hybrid electric vehicle[J].Journal of Mechanical Engineering,2006,42(11):11-15.

[3]趙繼,張洪.一種新型混合動力裝載機的設計與研究[J].建設機械技術與管理,2013(8):117-119. ZHAO Ji,ZHANG Hong.Design and research on a new hybrid loader[J].Construction Machinery Technology & Management,2013(8):117-119.

[4]徐曉美,唐倩倩,王哲.混合動力裝載機的研究現狀及發展趨勢[J].工程機械,2012,42(2):53-56. XU Xiaomei,TANG Qianqian,WANG Zhe.Research status and development trend of hybrid power loader[J].Construction Machinery and Equipment,2012,42(2):53-56.

[5]馮啟山,殷承良,張云俠,等.混合動力汽車發動機調速系統研究[J].內燃機學報,2005,23(2):162-167. FENG Qishan,YIN Chengliang,ZHANG Yunxia,et al.Research on speed governing system for hybrid electric vehicle engine[J].Transactions of Csice,2005,23(2):162-167.

[6]HONG Jeongho,KIM Seokjoon,MIN Byungsoon.Drivability development based on cosimulation of AMESim vehicle model and simulink HCU model for parallel hybrid electric vehicle[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE,2009.

[7]孫躍東,王冰,周萍,等.車輛主動懸架控制器的仿真設計[J].起重運輸機械,2007(2):11-14. SUN Yuedong,WANG Bing,ZHOU Ping,et al.Simulation design of controller of vehicle active suspension[J].Hoisting and Conveying Machinery,2007(2):11-14.

[8]洪清泉,程穎.發動機與液力變矩器共同工作虛擬樣機仿真[J].北京:北京理工大學學報,2004,24(1):40-43. HONG Qingquan,CHENG Ying.Virtual prototyping simulation for the coordinated work of engine and torque converter[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2004,24(1):40-43.

[9]BAUMANN B M,WASHINGTON G,GLENN B C,et al.Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles[J].IEEE:ASME Transactions on Mechatronics,2000,5(1):58-72.

[10]LIN Tianliang,WANG Qingfeng,HU Baozan,et al.Development of hybrid powered hydraulic construction machinery[J].Automation in Construction,2010,19(1):11-19.

[11]XIAO Qing,WANG Qingfeng,ZHANG Yanting.Control strategies of power system in hydraulic excavator[J].Automation in Construction,2008,17(4):361-367.

[12]李鶯鶯,邵善鋒.基于智能控制的裝載機自動換擋策略[J].機械工程學報,2009,45(8):216-220. LI Yingying,SHAO Shanfeng.Automatic gear shifting strategy for loader based on intelligent control[J].Journal of Mechanical Engineering,2009,45(8):216-220.

[13]趙志強,范伯元.模糊PID數字調速器設計[J].內燃機工程,1999,46(2):21-28. ZHAO Zhiqiang,FAN Boyuan.Design of fuzzy PID digital governor[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,1999,46(2):21-28.

[14]張穎.并聯式混合動力裝載機控制策略研究[D].長春:吉林大學,2012. ZHANG Ying.Study on control strategy of parallel hybrid electric loader[D].Changchun:Jilin University,2012.

[15]李軍.工程機械雙動力系統研究[D].西安:長安大學,2010. LI Jun.Research on the dual power system of construction machinery[D].Xi′an:Chang′an University,2010.

[16]CHU Liang,WANG Qiannian,LIU Minghui,et al.Parametric design of parallel hybrid power-train for transit bus[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit: SAE,2004.

[17]蔡頂春,楊士敏,姚澤光.油電混合動力在工程機械中的應用[J].建設機械技術與管理,2012(12):149-152. CAI Dingchun,YANG Shimin,YAO Zeguang.Apply the oil electricity mixed power to the construction machinery[J].Construction Machinery Technology & Management,2012(12):149-152.

[18]雷延強,劉強.液壓挖掘機節能控制系統的研究[J].機床與液壓,2009,37(8):71-72. LEI Yanqiang,LIU Qiang.Research on the Energy-saving of Control System of Hydraulic Excavator[J].Machine Tool & Hydraulics,2009,37(8):71-72.

[19]張啟明.混合動力裝載機動力系統設計與控制研究[D].長春:吉林大學,2013. ZHANG Qiming.Research on design and control of hybrid power system[D].Changchun:Jilin University,2013.

[20]張正飛.裝載機并聯式混合動力系統控制策略研究[D].長春：吉林大學,2013 ZHANG Zhengfei.Research on control strategy of parallel hybrid power system of loader[D].Changchun:Jilin University,2013.

(責任編輯：郭守真)

Analysis and Simulation of Hybrid Power System of Parallel and Oil-Electric Hybrid Loader

YANGJiLin,LINBojian,KEXiaomao

(1.KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China； 2.GuangzhouAutomobileGroupMotorCo.,Ltd，Guangzhou511400,China)

Matching machine power reasonably under the good operating conditions of loader,the paper studies the simulations of parallel hybrid electric power system and the traditional system respectively according to the characteristics of loader.The paper uses fuzzy logic control strategy,minimum motor power control strategy and instantaneous equivalent fuel consumption minimum control strategy.For the simulation analysis of a parallel hybrid electric system,the results show that it saves energy up to 10.3%.Compared with the traditional system,it has higher fuel saving level and significantly improves the traction of the loader.

parallel; hybrid; simulation; energy recovery

2016-06-05

楊繼林(1990—),男,河南西華人,碩士研究生,主要研究方向為機電系統控制與故障診斷,E-mail:yangjilin2011@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.010

TH243

A

1672-0032(2016)04-0064-05