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并联式液压混合装载机系统结构与能量控制策略研究
Sun Hui，Jing Junqing
江苏省徐州市建设机械研究所，江苏，中国
文章信息
文章历史：收录于2009.10.30
关键词：装载机、液压混合系统、制动能量回收、能源管理、液压泵/马达
摘 要
针对装载机频繁启动、停止运行的特点，提出了一种采用并联液压混合系统的节能方案，对传统装载机回收的制动能量进行再生和重复利用。为了从正常–中度制动工况中捕获制动能量，同时保证系统工作在高效率区混合，设计液压混合动力系统尺寸。针对液压混合动力系统的高功率密度特性，设计了一种在满足装载机性能约束条件下，以最优方式协调所有动力总成部件的再生制动和能量重用策略。采用逻辑门限方法建立能源控制器控制各种运行模式之间的动态转换，仿真和实验结果表明，并联式液压混合动力装载机（PHHL）有效地利用制动能量回收，提高工作效能，有效地降低了装载机的燃料消耗。
2009 Elsevier公司保留所有权利。
第一章 简介
全球范围内环境问题日益受到关注，汽车节能成为了一个非常重要的课题。越野车在节能和环保方面都受到了很多的关注，因为其应用广、油耗高和不良排放。装载机具有频繁起动/停止等特性，产生大量的制动能量。通常，这部分的能量是由摩擦制动系统造成的，从而导致系统中的能量损失和发热。因此，制动能量回收利用是提高越野车燃油经济性和工作性能的有效途径。关于混合电动工程车辆有大量的文献，但针对液压推进选项的出版物是相对稀缺的。
并联式液压混合装载机包含2个电源，一个源是内燃机，另一个动力源是液压泵/马达和蓄电池。PHHL一个公认的特点是能够恢复能量刹车过程中存储在一个液压蓄能器里的能量。储存的能量是用来提供总指挥权在装载机发射或提供辅助电力牵引中铲的操作模式，避免了发动机在低效率和大量排放的地区工作。在本文中，提出了一种节能与并联液压混合系统的节能方案，提出捕捉到的制动能量通常会损失到摩擦制动器。液压混合系统的设计和大小从正常的适度的制动工作模式来捕捉制动能量，同时确保混合动力系统在更高的效率区域工作。根据液压蓄能器的高功率密度的优点和装载机的工作特性（停止和去工作循环），再生制动策略和能量重用策略的设计，以最佳方式协调所有的动力部件，同时满足性能约束。能量控制策略建立在多级递阶控制系统概念的基础上，PHHL仿真模型，在此基础上在MATLAB / Simulink环境提出了能量控制策略的控制系统仿真模型。实验结果与仿真结果表明，采用PHHL控制策略有效地提高了燃油经济性和工作性能。
第二章 配置并联式液压混合动力装载机
2.1 PHHL的工作原理
图1给出了PHHL配置，这主要包括发动机、液力变矩器、臂槽、水缸、高压蓄能器、液压油箱、变量液压泵、变量液压泵/马达装置、离合器、传动，扭矩耦合器和差速器。液压泵/马达通过转矩耦合器连接到传动轴上。发动机是装载机的动力源，发动机动力的一部分是通过液力变矩器驱动装载机，发动机功率的其余部分是用液压缸来实
图1.并联式液压混合装载机的结构
现换档和装载功能的。液压蓄能系统由液压泵/马达、液压蓄能器、液压蓄能器、液压溢流阀等组成，将装载机与发动机一起驱动。在减速过程中，液压泵/马达减速机作为泵捕获能源通常失去了摩擦制动器在传统的装载机操作。此外，当车辆制动时，液压泵/马达使用制动能量将液压蓄能器从低压蓄能器充入高压蓄能器，增加高压蓄能器中氮气的压力。高压液压油通过液压泵/马达单元用于在下一次加速[8,9]产生扭矩。液压泵/马达被设计从正常，中度制动事件来捕捉制动能量，并辅以积极的制动摩擦制动。液压泵/电机工作在电机模式中，为装载机提供辅助牵引力，保证了发动机在更好的燃油经济性区域工作，减少液压系统的溢流损失。装载机具有频繁起动/停止较大的重量的特点，从而保证了混合配置的制动能量的再生和重复使用。电混合技术具有高能量密度的优点，适合轻型汽车，改善燃油经济性和排放量[10]。但电存储介质的相对低密度是一个大的挑战，由于其高内阻、燃料电池以及电池的功率密度低，只有轻微的适合于回收制动能量[11,12]。不像电池，液压蓄能器具有接受率特别高，充电和放电的能力。高效率和高充电/放电率的组合，使重型工程车辆的制动能量的有效再生和再利用。在一般情况下，建议的液压混合动力驱动比其他解决方案的主要优点是效率高，功率性能和相对较小的修改的驱动列车，从而有可能改造现有的装载机与液压混合系统。
2.2、液压混合系统的尺寸
设计液压混合动力系统是为从正常制动工况下对制动能量进行再生。
2.2.1液压蓄能器
油气蓄能器含有液压流体和惰性气体如氮，通过气囊分离为PHHL储能，当泵将液压流体输送到蓄能器时，其内部的气体压力增大，从而储存能量，当出料时，流体通过电动机流入储层。液压蓄能器的设计具有足够的容量来存储装载机的制动能量。液压蓄能器的体积可以表示为：
Pmin是液压蓄能器的最低工作压力，V1对应的最小工作压力的气体体积，n是气聚指数，V是装载机的工作速度，M是装载质量。
液压蓄能器的最低工作压力是由方程（2）：
其中i0是负载的最终比例，iP/M是转矩耦合器比，r是车轮半径，VP/M是最大泵/马达排量，dv / dt是目标减速。
蓄能器最大工作压力不能超过液压蓄能器所允许的最大压力。
2.2.2液压泵/马达
PHHL辅助电源是一种轴向柱塞泵/马达变位移，其位移调节斜盘的倾角来吸收或产生所需扭矩[ 6 ]。同时推出，液压泵/马达提供的总推进功率，避免发动机在低效率和显着的排放区域经营。制动时，液压泵/马达通过斜盘的倾角调整来产生所需的制动力矩。因此，液压泵/马达位移由以下公式决定：
2.2.3转矩耦合器的比例设计
液压混合动力系统通过液力耦合器连接到传动轴上。因此，转矩耦合器应该有适当的传动比，使液压泵/马达在高效区工作在制动和驱动，这时表示为式（7）：
ne_P/M是合理的速度对应最高效率的液压泵/马达。
2.3、关键零部件尺寸的优化
液压混合动力系统的设计参数对工作性能和燃油节能性能有着显著的影响。因此，优化过程是必要的，以找到最佳的设计参数，最大限度地燃油经济性，同时满足装载机性能的限制。然后优化框架采用自适应模拟退火遗传算法（ASAGA），其目的是吸收遗传算法的优点判别最优值[13]。优化结果导致以下的设计参数，如表1所示。装载机上的iP/M对装载机的影响如图2所示。仿真结果表明，PHHL的制动能量再生能力提高iP/M值的增加，但泵/马达的工作效率也相应降
表1
PHHL基本组件的大小和优化结果。
|
参数名称 |
数值 |
|
|
装载机参数 |
轮径（米） |
0.75 |
|
发动机功率/转速（转） |
154KW/2200 |
|
|
规格负荷（公斤） |
5000 |
|
|
车辆总质量（公斤） |
17,000 |
|
|
最大速度（公里/小时） |
35 |
|
|
齿轮比 |
2.547,0.683,R1.864 |
|
|
主传动比 |
22.85 |
|
|
液压蓄能器 |
容量（升） |
30 |
|
最大压力（兆帕） |
26 |
|
|
最小压力（兆帕） |
15 |
|
|
矩偶合器 |
传动比 |
3.0 |
|
液压泵/马达 |
型号 |
A4VG90 |
图2.iP/M在HPPL中的影响
低。当iP/M值接近最优值（例如，3），随着iP/M值不断增加，制动能量回收能力几乎不变，但液压泵/电机工作效率显著下降，并经常发生水力泵/马达的过速现象。
- 并联式液压混合动力装载机能量控制策略
对能量控制策略的首要任务是无论驱动需求和装载状态，确保安全运行，但最终的目标是最大限度地提高燃油经济性和改善PHHL工作性能。一旦配置，组件和运行周期是固定的，PHHL燃油经济性主要取决于能量控制策略包括再生制动策略和再利用的能源战略[6,14]。
3.1液压再生制动策略
不同于传统的装载机，PHHL制动力由液压再生制动力、传统的摩擦制动力和发动机反拖力组成。
图3.PHHL制动力分布曲线
3.1.1发动机反托力
发动机的反拖制动力表现为以下方程：
Ie是惯性发动机力矩，z是制动强度，eta;r是发动机的传动效率，ig是变速器的传动比，g是重力加速度。
考虑到发动机防挂车制动的影响，前轮制动力Ff1和后轮制动力Ff2的关系如下[15]：
其中是制动力分配系数。
当轻微制动，发动机的反拖车制动不能使用，由液压泵/马达尽可能提供总的制动力来恢复制动能量。
3.1.2液压再生制动力
液压泵/电机产生的再生制动力可以表示为：
液压泵/马达产生的制动强度可以表示为：
在操作条件的情况下，装载机行驶速度较低，制动强度相对较低（Zle;0.2）。因此，应采用液压泵/马达捕捉制动能量，尽可能地正常和适度的制动。
3.2再生制动力分配规则
对于PHHL，制动力分配，不同于传统的装载机因液压泵/马达可以再生的制动能量[ 8 ]。制动力分配策略PHHL如图3所示。当制动强度Zle;0.2（低轻度制动），在装载机的正常工作条件一般出现在图3中，显示为OA。液压再生制动系统提供总的制动力。如果制动强度0.2bzb0.5，联合制动模式，即液压与摩擦制动系统配合的再生制动系统提供总的制动力。由摩擦制动系统提供所需的制动力和液压泵/马达所提供的最大回馈制动力的制动力差异。如果制动密度Zge;0.5，总的制动力由摩擦制动系统提供的安全保证急救制动。
在满负荷和空载条件的情况下，装载机的重量变化很大，这会导致混合配置的制动能量产生显著量的变化。因此，对PHHL负载变化时应考虑再生制动控制策略的设计中。通常，液压泵/马达的尺寸恢复满负荷PHHL动能在轻微制动强度。在非满负荷工况下，液压泵/电机在相对较大的制动强度下具有再生制动能量的能力。如果再生制动强度的参考值是设计为一个固定值（如= 0.2），这是不利于车辆的制动能量回收最大化。本文提出了一种在满负荷工况下，制动强度参考值不变的动态调整制动强度参考值法。在非满负荷工况下，制动强度参考值相应增大。调整后的制动强度参考值表示为：
图4 PHHL逻辑门限能量控制器
其中，gamma;为负载信号，gamma;为1表示全负载，0为空负载。zT是调整后的再生制动强度。由于液压泵/马达所产生的制动力矩的全过程是在满负荷条件下的再生制动强度= 0.2，因此上述方程转化为：
3.3能量利用策略
液压蓄能器具有较高的功率密度和接受高速率/高频率的充电/放电的能力。然而，相对低的能量密度的液压蓄能器，需要精心设计的能源再利用策略，使燃油经济潜力，可以实现其最充分的[ 6 ]。在本文中，能量复用策略，试图保持在高负载，高效率的制度推进组件。此外，发动机和发动机之间的频繁切换是禁止的，以避免燃料消耗的恶化。发动机和液压泵/马达具有较高的效率，在较高的负载。因此，当启动时，液压泵/马达是用来提供独立的推进力，从而确保泵/电机运行在高负荷/速度适中，避免了发动机在低速/低负荷区域的工作，以及为下一个制动事件准备的蓄能器的排空。当装载机前行空负荷，液压泵/马达作为泵在挖掘铲的情况下提供牵引动力的制备的蓄电池充电，以及将发动机工作点为更好的燃油经济性区域。只要有可用的能量，在蓄能器，泵/马达是用来满足总功率需求。如果功率要求是多泵/电机可以提供，发动机将补充的差异功率。表2列出了if-then规则表示的能量利用策略在PP／m是液压泵/马达的输出功率，PPM / Max是液压泵/马达的最大输出功率，P<s
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