在一个作业循环中,装载机的频繁启停使驾驶员不断大幅度地加、减油门,不仅对装载机发动机的寿命产生很大影响,而且使发动机经常处于低效区,大幅增加了发动机的油耗。在重载工作中,液力变矩器的效率极低,大大损耗了发动机的输出能量,同时联合工况作业时对峰值功率的需求使得在选择发动机功率时不可避免地存在发动机在大多数时间处于“大马拉小车”的情况^{[ 1, 2, 3]}。

近年来,国内外工程机械关于混合动力装载机的新成果和新产品不断涌现,2003年日立建机研制出世界上第一台混合动力轮式装载机,2008年沃尔沃展出了一台同轴并联混合动力装载机L220F Hybrid。2010年卡特彼勒、采埃孚和力士乐分别展出了无液力变矩器的无级变速传动结构方案。2011年川崎展出了一款无液力变矩器油-电混合动力装载机。2013年约翰·迪尔开始销售644K型基于电力传动技术的串联式油-电混合动力装载机,其节能达到25%,同时企业正在努力研究采用4种先进的电动马达驱动的944K混合动力轮式装载机;同年川崎推出65Z混合动力轮式装载机。国内装载机混合动力的研究尚处于起步阶段,2010年在Bauman China柳工展出了国内首台混合动力CLG862-HYBRID型装载机,徐工展出了液压混合动力ZL50GS型装载机^{[ 3]}。可以发现:装载机节能减排的研究焦点除了提高一次能源的利用率外,对于提高装载机的变矩传动效率也提出了很多具有创新意义的结构方案。如果能在提高混合动力装载机能源利用率的同时还能提高变矩传动效率,将无疑使装载机的节能减排性能得到极大提高^{[ 4, 5, 6]}。

本文以某5 t装载机为原型,分析其工况特点,提出基于电力传动技术的重度串联式油-电混合动力方案,取消了液力变矩器,提高了装载机的能源利用率与变矩传动效率,通过模糊逻辑控制策略控制发电机、发电机及电动机的工作状态,采用Matlab/Simulink软件对混合动力系统节能效果和性能进行深入研究。

系统主要对发动机、发电机、电动机、液压系统、超级电容、变频器等进行建模。为提高模型精度,在对各元件数学建模的基础上,采用理论公式和经验公式相结合的方式描述其性能参数^{[ 7]}。

系统中发动机与传动系统之间没有机械连接,发动机可相对稳定地工作于高效区,避免了工况下对发动机运行效率的影响。取消液力变矩器后,系统的效率能够大幅度提升,但发动机的机械能传递到轮边时,经过发电机将机械能转化为电能,再通过电机将电能转化为机械能,这两次能量转换使得发动机的能量利用效率降低。因此,为实现整机最佳性能,必须采用合理的控制策略。传统装载机由驾驶员控制油门,混合动力系统根据负载、超级电容SOC和发动机工作点等信息决定系统的工作模式。系统控制流程如图6所示。通过准确实时地感知传动系统需求转矩和整车车速,得到变速箱档位和电动机输出转矩;将电动机转矩与超级电容SOC值作为输入,得到变频器调控点,同时推导出发电机输出电能;将发电机输出电能与液压系统阻力矩作为输入,得到发动机工作点。

图6

Fig.6

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	图6 混合动力系统控制流程图Fig.6 Control flow chart of hybrid power system

针对装载机特殊的工况特点,提出了模糊逻辑控制策略,该方法不需要精确的数学模型,具有很强的鲁棒性,能够很好地解决非线性复杂问题^{[ 11, 12]}。本文采用模糊逻辑控制策略的原则是:在满足工作要求的前提下,实现车辆自动控制,保证发动机工作在高效区,保证超级电容充放电平衡,保证系统各元件高效稳定工作,保证系统达到节能减排的效果。

将系统需求转矩即发动机需要输出的转矩 T_rq和超级电容SOC值作为模糊逻辑控制器的输入变量,运用模糊逻辑控制进行优化得到发动机的最优工作点。将发动机在各油门开度下最优转矩 T_opt和最大转矩 T_max做分段处理,经过模糊逻辑控制器后输出系数参数 K,根据K的值控制系统的工作^{[ 4, 10, 12]}。

由于输入转矩较大,引用参数 T来表示,根据负载曲线选定 T_rqmax=1200 Nm, T= T_rq/600, T的论域为[0,2],0表示转矩为零,2表示最大需求转矩。SOC的论域为[0.4,0.8],代表超级电容工作时SOC值的上下限。输出 K的论域为[0,2],K=0时,整车需求转矩为0,需给超级电容充电将系统需求转矩升到发动机最优转矩处;K=1,发动机最优转矩与系统需求转矩相等,系统高效工作;K=2,超级电容放电,将需求转矩降到发动机最优转矩处,保证能量充分利用。

K=TrqTopt,Trq≤Topt1+Trq-ToptTmax-Topt,Trq>Topt6

根据不同工况制定模糊规则集,建立各参数的隶属函数,图7为输入和输出隶属度函数。模糊推理的关键在于模糊规则的建立,本文的规则库由若干If-Then规则构成,表1列出了规则。通过采用Mamdani型模糊推理方法充分利用了专家规则库的控制知识。

图7

Fig.7

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	图7 输入输出变量隶属度函数Fig.7 Membership functions of input and output variables

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 模糊逻辑规则库 Table 1 Rules base of fuzzy logic SOC Trq 负大 负小 零 正小 正大 过低 负大 负大 负小 负小 零 偏低 负大 负小 负小 零 正小 适中 负小 负小 零 正小 正小 偏高 负小 零 正小 正小 正大 过高 零 正小 正小 正大 正大

表1 模糊逻辑规则库 Table 1 Rules base of fuzzy logic

输出 K的值决定系统工作状态,当K>1时,系统需求转矩大于发动机的最优转矩,超级电容放电,与发动机共同提供较大的需求转矩,将发动机工作点降到最优转矩处;当K=1时,发动机工作在最优转矩处,超级电容不工作;当K<1时,系统需求转矩小于最优转矩,发动机将多余的能量供超级电容充电,K值的大小决定充放电的大小。控制的目标是将发动机工作点控制在效率最优转矩曲线附近,同时保证SOC值动态平衡^{[ 10, 13]}。

以文中所述的某5 t装载机为原型,应用MATLAB Simulink软件,将实际载荷谱加载到模型中,在考虑初始条件和边界条件下建立混合动力装载机系统和传统装载机仿真模型,研究系统工况特点、SOC值变化规律、系统燃油经济性等。仿真模型包括发动机、发电机、电动机、变频器、油泵组、变速箱、超级电容和控制模块等^{[ 8, 9, 10]}。

由于传动系统是由电机驱动,因此选择的电动机必须满足传动系统的最大需求,根据负载转矩及整车速度计算得出装载机在工作周期中传动系统需求最大功率为47.32 kW,平均功率为24.98 kW,选取额定功率60 kW,最大功率120 kW的电动机。根据载荷数据计算得到液压系统一个工作周期的平均功率为22.8 kW,最大功率为92 kW,发动机要能够满足液压系统最大功率,同时满足整车的平均功率,综合考虑发电机、电动机、超级电容等元件的效率及20%的设计余量,选取110 kW发动机。根据发动机及电动机参数选择额定功率100 kW的发电机。超级电容的选择标准是:当发动机的能量全部提供液压系统时,超级电容的能量能够提供一次铲掘过程(大概15 s)^{[ 10, 11, 13]}。电容 C的计算为:

C=2EcmVmax2-Vmin27

式中: E_cm为每个周期的最大储存能量,计算得859.8 kJ; V_max和 V_min为电容器的最高和最低工作电压,由电机及逆变器决定,选择 V_max=400 V, V_min=250 V;计算得到 C=17.6 F。

系统模型结构如图8所示,模型主要参数见表2,发动机的额定转速为1500 r/min,电动机采用永磁同步电机,超级电容SOC值设定范围为0.4~0.8。

图8

Fig.8

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	图8 混合动力装载机仿真模型Fig.8 Simulation model of hybrid power loader

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 仿真模型主要参数 Table 2 Parameters of simulation model 装载机 发动机 /kW 发电机 /kW 电动机 /kW 超级电容 /F 传统 160 无 无 无 混合动力 110 100 60 17.6

表2 仿真模型主要参数 Table 2 Parameters of simulation model

模型以实际载荷谱作为输入,选取典型的3个工作周期作为研究对象,图9为液压系统和动力系统负载功率变化曲线,图10为电动机和发电机功率曲线,图11为超级电容SOC值变化曲线,图12为传统装载机和混合动力装载机油耗对比曲线,图13为混合动力系统发动机输出转矩曲线。结果显示:超级电容SOC值变化较为稳定,工作在设定范围之内,发动机输出转矩平稳,基本工作在高效区,混合动力比传统装载机节油约16.6%,大大改善了燃油经济性。

图9

Fig.9

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	图9 负载功率变化曲线Fig.9 Curves of load power

图10

Fig.10

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	图10 电动机、发电机功率曲线Fig.10 Power curves of motor and generator

图11

Fig.11

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	图11 混合动力系统荷电状态变化曲线Fig.11 State of charge curve of hybrid power system

图12

Fig.12

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	图12 油耗对比曲线Fig.12 Comparison curve of fuel consumption

图13

Fig.13

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	图13 混合动力系统发动机输出转矩曲线Fig.13 Engine output torque curve of hybrid power system

采用重度混合动力技术,取消了液力变矩器,发动机在比较恒定转速下工作使得动力可以随时响应,液压系统随时可以提供最大动力,发动机没有跟变速箱固连,大大消减了工作中整车的冲击与振动,采用变频控制电机实现了电机的无极变速,通过超级电容的充放电平衡了系统的电能,提高了系统的效率。

提出了模糊逻辑控制策略,以保证发动机工作效率和超级电容充放电平衡为原则,通过在线实时估计系统需求转矩,以需求转矩和超级电容SOC值作为输入,得到发动机与超级电容工作状态。仿真结果表明:超级电容SOC值变化稳定,工作在设定范围之内,发动机输出转矩平稳,基本处于高效区,重度混合动力比传统装载机节油约16.6%,大大改善了燃油经济性,因此提出的控制策略能够满足工作要求,提升了能源利用率,达到了节能效果。

虽然国外重度混合动力技术已经成功投入市场,但是在国内该技术还处于起步阶段。本文将实际载荷加载到研究系统中,从理论上证明重度混合动力装载机的可行性与优越性,但是该系统的研究还需要长期的台架试验验证与实车验证,控制是该方案的重点与难点,因此控制策略需要不断地优化与更新,针对这些不足,结合基金项目的要求,目前正在搭建试验台,将在后期不断地将该方案进行完善。