并聯(lián)式混合動力裝載機的參數(shù)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(yè)的重要工程設備，由于其作業(yè)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(tǒng)可以有效改善燃油經(jīng)濟性并降低排放，為裝載機節(jié)能減排提供了新方向，國內(nèi)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(lián)混合動力電驅動系統(tǒng)；川崎研發(fā)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(fā)動機和ISG電機并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)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(shù)匹配優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率、改善燃油經(jīng)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(wěn)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(shù)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(lián)式混合動力裝載機研究其參數(shù)匹配方法。首先介紹一種典型的并聯(lián)式系統(tǒng)結構及控制策略，分析其工況特點。提出參數(shù)匹配的目標、目標函數(shù)及約束函數(shù)，以某ZL50裝載機為原型實現(xiàn)參數(shù)匹配的方法，應用粒子群優(yōu)化算法對傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。最后通過Matlab／Simulink軟件對系統(tǒng)節(jié)能效果和性能進行深入研究。

1 并聯(lián)式混合動力裝載機系統(tǒng)

1.1 并聯(lián)式混合動力裝載機結構

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

圖1 并聯(lián)式混合動力裝載機系統(tǒng)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(huán)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(yè)的載荷譜，圖2、圖3為一個典型工作周期內(nèi)，根據(jù)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(tǒng)和傳動系統(tǒng)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(tǒng)需求功率變化曲線Fig.2 Curve of required power for hydraulic system

圖3 傳動系統(tǒng)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(tǒng)能量管理分配的核心，根據(jù)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(tài)及負載工況作為決策依據(jù)［7－8］。

2 參數(shù)匹配方法

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

式中:ED、EB分別為驅動負載和液壓系統(tǒng)所需能量；EC為超級電容能量變化；EE為發(fā)動機提供的能量。電容為電機提供電動能量同時回收發(fā)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(fā)電狀態(tài)的轉矩；nm、ng為對應Tm和Tg的轉速；ηm、ηg為電動機、發(fā)電機的效率；κ為柴油熱值；mfuel為燃油消耗率；Te、ne分別為發(fā)動機的轉矩和轉速。

系統(tǒng)中對整體效率影響較大的主要是發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和液力變矩器的效率，需要作為優(yōu)化目標進行優(yōu)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(shù)；iTC為變矩器nT與nB的轉速比。

約束條件為在系統(tǒng)整體效率最高且油耗最少的目標下，使發(fā)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(shù)匹配的實現(xiàn)

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

3.1 發(fā)動機參數(shù)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(shù)，鏟掘工作占的權重大，取其比重系數(shù)c1＝0.8，其他工作循環(huán)的比重系數(shù)c2＝0.2。

經(jīng)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(shù)，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(shù)Kf可取較小值，取Kf＝1.2，則發(fā)動機最大轉矩為592N·m。

3.2 電動／發(fā)電機參數(shù)匹配

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

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

經(jīng)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(fā)動機相同，取2200r／min。

3.3 液力變矩器參數(shù)匹配

液力變矩器的性能對系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)φP最大、燃油消耗系數(shù)φge最小。考慮到負載與使用條件，以發(fā)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(shù)；Te、TM分別為發(fā)動機和電機輸出轉矩；Tau為輔助設備及液壓系統(tǒng)消耗。

經(jīng)計算有效直徑為361.4mm，由實際產(chǎn)品規(guī)格取有效直徑為360mm。

3.4 超級電容參數(shù)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(tǒng)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(huán)內(nèi)的最大能量變化。

式中:Pm、Pg分別為電機電動、發(fā)電的功率。

經(jīng)計算一個工作循環(huán)內(nèi)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(chǎn)品規(guī)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(yōu)化

在前述參數(shù)匹配的基礎上，采用粒子群優(yōu)化算法（Particle swarm optimization）對一些參數(shù)進行優(yōu)化。傳動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定系統(tǒng)整體效率及燃油經(jīng)濟性，對其優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率的重要途徑。以系統(tǒng)等效油耗最低為目標，優(yōu)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(fā)動機全功率電機額定功率匹配的有效直徑Dmax與發(fā)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(qū)。

（2）最高車速、動力因數(shù)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(shù)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(xiàn)輪胎滑轉現(xiàn)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(shù)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(tǒng)各元件數(shù)學建模的基礎上，采用理論公式和經(jīng)驗公式相結合的方式來描述其性能參數(shù)。以實際載荷譜作為負載輸入，采用后向式仿真方式，對系統(tǒng)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(shù)為1000次，選取系統(tǒng)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(yōu)解。優(yōu)化前后參數(shù)變化見表1。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)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(shù)如下:傳統(tǒng)裝載機發(fā)動機額定功率為160kW；混合動力裝載機發(fā)動機額定功率為108kW，電動／發(fā)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(tǒng)裝載機、混合動力裝載機、優(yōu)化后混合動力裝載機油耗變化，可見采用混合動力后節(jié)油效果明顯，優(yōu)化后可進一步節(jié)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(tǒng)裝載機節(jié)油約7.1%，優(yōu)化后節(jié)油約10.6%。圖6為混合動力系統(tǒng)優(yōu)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(nèi)，優(yōu)化后工作更穩(wěn)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(tǒng)荷電狀態(tài)變化曲線Fig.6 Curve of state of charge in hybrid power system

6 結束語

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

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