并联式混合动力装载机的参数匹配

李天宇，赵丁选，康怀亮，张志文，张正飞，徐春博

（吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130022）

装载机是进行基础作业的重要工程设备，由于其作业工况复杂，负载变化频繁、剧烈，其能量利用率低、能耗高、排放差［1］。混合动力系统可以有效改善燃油经济性并降低排放，为装载机节能减排提供了新方向，国内外众多工程机械厂商都在研究工程机械混合动力技术［1］。2003年日立建机首次推出混合动力轮式装载机样机，瑞典Volvo、日本川崎等相继推出了试验样机。Volvo推出L220FHybrid轮式装载机，采用蓄电池储能的并联混合动力电驱动系统；川崎研发了一款电容器储能的新型混合动力装载机，能够回收刹车的能量；广西柳工集团有限公司已展出CLG862－HYBRID装载机，采用超级电容储能、发动机和ISG电机并联式混合动力系统结构［2］；徐工集团推出ZL50G液压混合动力装载机，能够高效回收制动动能和下坡势能［3］。

参数匹配优化是提高系统效率、改善燃油经济性的关键，合理的匹配可以有效降低装机功率及成本，提高整机的平稳性和可靠性。由于技术保密等原因，研究混合动力装载机的文献很少［1－4］，关于参数匹配未见深入研究。

本文针对电机功率较小、能量利用率高［4－5］的并联式混合动力装载机研究其参数匹配方法。首先介绍一种典型的并联式系统结构及控制策略，分析其工况特点。提出参数匹配的目标、目标函数及约束函数，以某ZL50装载机为原型实现参数匹配的方法，应用粒子群优化算法对传动系统参数进行优化。最后通过Matlab／Simulink软件对系统节能效果和性能进行深入研究。

1 并联式混合动力装载机系统

1.1 并联式混合动力装载机结构

选用永磁同步电机作为电动／发电机，采用超级电容储能，图1为混合动力装载机系统结构。

图1 并联式混合动力装载机系统结构Fig.1 Structure of parallel hybrid power loader system

1.2 装载机工况分析

装载机一个典型工作循环主要由“空载前进”、“铲掘”、“负载运输”、“卸料”和“空载返程”组成，本文研究作为原型的某ZL50装载机在此周期下对原生土作业的载荷谱，图2、图3为一个典型工作周期内，根据由实际测得的工作液压泵及转向液压泵出口压力变化、传动轴转矩变化和相应转速等，通过计算得到液压系统和传动系统需求功率变化。由图可见，由于装载机工作周期性强，因此负载波动较强［6］。

图2 液压系统需求功率变化曲线Fig.2 Curve of required power for hydraulic system

图3 传动系统需求功率变化曲线Fig.3 Curve of required power for transmission system

1.3 混合动力装载机控制策略

控制策略是混合动力系统能量管理分配的核心，根据装载机工况特点，考虑实际应用要求，采用分段多工作点控制策略，以超级电容荷电状态及负载工况作为决策依据［7－8］。

2 参数匹配方法

混合动力系统组成复杂，采取从整体到局部的方法:建立全局优化目标函数及相应的约束函数，然后将目标函数分解为各元件的优化目标函数［9］。参数匹配的目标是:在满足正常工作要求的前提下，使系统各元件与工况匹配，提高系统整体效率，改善燃油经济性，降低装机功率及成本，即使系统输出能量Eout与输入能量Ein之比最大，全局优化目标为:

式中:ED、EB分别为驱动负载和液压系统所需能量；EC为超级电容能量变化；EE为发动机提供的能量。电容为电机提供电动能量同时回收发电能量，因此可以用电机的能量变化表示电容能量变化。

式中:FT为有效牵引力；v为车速；ηTR、ηTC、ηc分别为传动系、液力变矩器、超级电容的效率；pi、Qi、ηB分别为各液压泵出口压力、工作流量和效率；Tm、Tg为电机的电动、发电状态的转矩；nm、ng为对应Tm和Tg的转速；ηm、ηg为电动机、发电机的效率；κ为柴油热值；mfuel为燃油消耗率；Te、ne分别为发动机的转矩和转速。

系统中对整体效率影响较大的主要是发动机的燃油经济性和液力变矩器的效率，需要作为优化目标进行优化，需要满足如下条件:

式中:nT、nB分别为液力变矩器涡轮输出转速和泵轮输入转速；K为变矩器变矩系数；iTC为变矩器nT与nB的转速比。

约束条件为在系统整体效率最高且油耗最少的目标下，使发动机额定功率PEN、电机额定功率PMN、超级电容容量C最小，即:

3 参数匹配的实现

并联式混合动力系统具有双动力源特性，按提供动力的主次顺序进行参数匹配，依次对发动机、电机、液力变矩器、超级电容等进行参数匹配［9］。

3.1 发动机参数匹配

装载机不同阶段负载相差很大，按平均功率计算会使额定功率偏小。要在满足工作要求前提下合理匹配，本文采用比重系数，铲掘工作占的权重大，取其比重系数c1＝0.8，其他工作循环的比重系数c2＝0.2。

经计算额定功率PEN为108kW。原机额定转速2200r／min并与原车匹配，仍选择该额定转速。同理对最大转矩的匹配仍使用上述算法及参数，计算得到最大转矩为493.4N·m。在选择合理匹配和控制策略的前提下不需要太大的最大转矩，转矩适应系数Kf可取较小值，取Kf＝1.2，则发动机最大转矩为592N·m。

3.2 电动／发电机参数匹配

电机参数的选取与控制策略有直接关系，结合发动机油耗分布及电机效率分布来确定参数，使其工作在高效区［10］，需要满足如下条件:

式中:Im、Um分别为电机电动状态的电流和电压；Ig、Ug分别为电机发电状态的电流和电压；PD、PB分别为传动系统、液压系统需求功率；PE为发动机输出功率。

经计算电机最大功率约为100kW，峰值转矩约为470N·m。永磁同步电机超载能力强，取额定功率60kW／最大功率110kW，额定转矩260N·m／最大转矩480N·m。由其功率要求选择直流母线额定电压360V，电机额定转速与发动机相同，取2200r／min。

3.3 液力变矩器参数匹配

液力变矩器的性能对系统效率和牵引性能有着重要影响。变矩器的输入输出特性主要受有效直径影响。实现变矩器高效传递功率是确定有效直径的重要原则，即以变矩器最高效率工况来传递动力源的最大净输出功率，同时使功率输出系数φP最大、燃油消耗系数φge最小。考虑到负载与使用条件，以发动机全功率和电机额定功率计算有效直径D。

式中:MB为变矩器泵轮输出转矩；λB为泵轮转矩适应系数；Te、TM分别为发动机和电机输出转矩；Tau为辅助设备及液压系统消耗。

经计算有效直径为361.4mm，由实际产品规格取有效直径为360mm。

3.4 超级电容参数匹配

超级电容具有快速充放电能力和较高的比功率密度，满足系统要求，只需匹配容量，其存储的能量可以等效为一个工作循环内的最大能量变化。

式中:Pm、Pg分别为电机电动、发电的功率。

经计算一个工作循环内的最大能量变化约为922.77kJ。由于电机额定电压为360V，工作电压为300～410V，由实际产品规格取超级电容额定工作电压为432V，最高工作电压Vmax为410 V，最低工作电压Vmin为300V。计算得超级电容的容量C为23.6F。

4 粒子群算法优化

在前述参数匹配的基础上，采用粒子群优化算法（Particle swarm optimization）对一些参数进行优化。传动系统的性能在很大程度上决定系统整体效率及燃油经济性，对其优化是提高系统效率的重要途径。以系统等效油耗最低为目标，优化的变量包括液力变矩器有效直径D、变速器各挡位传动比i1～i4、主传动比id和轮边减速比iw，即X＝［D i1i2i3i4idiw］。约束条件包括:

（1）液力变矩器有效直径约束。有效直径值应在发动机全功率电机额定功率匹配的有效直径Dmax与发动机部分功率匹配的有效直径Dmin之间，同时变矩器应保证工作在高效区。

（2）最高车速、动力因数和爬坡能力约束。满足最高车速vmax的要求，满足各挡的动力因数DF的要求，满足最大爬坡度αmax的要求。

（3）行驶约束。正常行驶需要同时满足驱动条件和附着条件，使驱动力FD能够克服阻力FR，且驱动力小于附着力以防止出现轮胎滑转现象。

（4）传动比分配约束。传动比的分配原则是尽量将减速比多分配给后边，变速器各挡位传动比基本按等比级数排列，并适当减小高挡之间的比值。

应用Matlab／Simulink软件搭建模型进行仿真研究。为提高仿真精度，使其与实际相符，在对系统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来描述其性能参数。以实际载荷谱作为负载输入，采用后向式仿真方式，对系统性能进行研究。模型结构见图4。使用改进的粒子群算法，种群大小为50，学习因子采用非对称反余弦策略，线性惯性权重采用线性微分递减策略，迭代次数为1000次，选取系统等效油耗为适应值［11］。应用该模型，每次得到粒子位置后代入模型求解等效油耗作为适应值，再从中选择最优解。优化前后参数变化见表1。

表1 优化前后参数Table 1 Parameters before and after optimization

图4 混合动力装载机仿真模型Fig.4 Simulation model of hybrid power loader

5 匹配结果对比分析

仿真模型的主要参数如下:传统装载机发动机额定功率为160kW；混合动力装载机发动机额定功率为108kW，电动／发电机功率为60kW，超级电容容量为23.6F。超级电容SOC值设定工作范围为0.3～0.8，初始值为0.6。

图5为传统装载机、混合动力装载机、优化后混合动力装载机油耗变化，可见采用混合动力后节油效果明显，优化后可进一步节油。将超级电容能量变化折算为油耗，结果表明混合动力比传统装载机节油约7.1%，优化后节油约10.6%。图6为混合动力系统优化前后超级电容SOC值的变化，可见超级电容基本工作在设定范围内，优化后工作更稳定。

图5 油耗变化曲线比较Fig.5 Curve of fuel consumption comparison

图6 混合动力系统荷电状态变化曲线Fig.6 Curve of state of charge in hybrid power system

6 结束语

针对并联式混合动力装载机的系统结构、工况特点和控制策略，提出了系统参数匹配的目标和方法。对某5t并联式混合动力装载机的主要元件进行了参数匹配。利用粒子群优化算法对传动系统一些参数进行了优化。仿真研究结果表明:参数匹配后装机功率明显降低，系统效率提高、油耗降低。优化后系统能进一步提高效率且降低油耗。

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