串联式混合动力装载机动力系统的试验平台研究

串联式混合动力装载机动力系统的试验平台研究

刘加旺

泰安市山立机械设备有限公司山东泰安271000

摘要：轮式装载机是典型工程机械机型之一，因操作灵活、作业效率高等优点被广泛应用。但传统装载机存在传动效率低、能耗高等缺点。目前混合动力技术是公认的解决装载机节能减排的有效措施之一。并联式混合动力装载机仍保留液力变矩器，导致传动系统的传动效率提高幅度较少。串联式混合动力装载机利用驱动电机的无级变速特性去除液力变矩器，使整体传动效率得到提高；且发动机与液压系统和传动系统无直接机械连接，可实现发动机长期处于高效区运行。本文基于快速控制原型对串联式混合动力装载机动力系统进行研究，为串联式混合动力装载机的整车开发做前期研究基础。

关键词：装载机；串联式油电混合；动力系统；试验平台

引言

随着整个世界范围内能源短缺和环境污染问题日趋严重，节能减排与绿色环保是当今工业发展的主流。各国政府不断出台政策法规以提高对机动车辆的排放指标限制，装载机节能减排问题的改善将是其生存和发展的前提条件之一。目前混合动力技术被公认为是解决能源短缺和环境污染问题的有效措施之一。目前，混合动力技术已经在汽车等领域取得了成功的应用，为工程机械技术革新提供了宝贵的借鉴经验。随着电力电子技术快速发展，串联式混合动力装载机技术可以通过控制驱动电机实现无级变速，从而去除液力变矩器，使整体传动效率得到提高。串联式混合动力装载机还可以实现发动机与液压系统和传动系统无直接机械连接，可以保证发动机一直处于高效区运行；另外若利用独立的电机分别驱动前后桥和液压系统工作，可以减少打滑现象的可能。因此接下来就串联式混合动力装载机动力系统的试验平台进行了研究。

1、混合动力装载机产品的国内外研究现状

1.1、国外研究现状

2003年，日立建机将混合动力系统首次运用到轮式装载机上，是世界上第一台混合动力装载机，但没有真正投入批量生产。然而，在2014年推出的ZW220HYB-5型装载机。发动机驱动一台电机和液压泵，行驶系统马达与作业机械的油压泵各自独立工作，通过油门踏板控制行驶系统，用操作杆控制工作装置的作业速度，实现分别控制。因此，与原来的机型相比，能够实现以较低速度行驶同时，工作装置以较快的速度进行作业。

2011年，美国的约翰·迪尔(JohnDeere)也在美国拉斯维加斯国际工程机械展会上展示了两款混合动力装载机，用于工程的约翰迪尔644K以及用于工程和采石场的944K型油电混合动力轮式装载机样机。644K混合动力装载机，其柴油发动机通过其控制策略可以实现发动机的恒转速运行，不但提高了效率，而且可以降低整机的磨损；采用三速变速器比传统机型少一个齿轮，无反转，采用电机正反转来实现装载机前进与后退；但是没有储能原件，多余电能通过电阻消耗。944K采用了双发电机和四个电动机的构型，具有四轮独立驱动及独立转向控制系统。在性能相同的条件下与传统轮式装载机相比，644K型混合动力轮式装载机可以降低油耗高达25%，944K型有望提高30%左右。644K型混合动力装载机于2013年开始销售，944K型混合动力装载机2013年开始研制。

1.2、国内研究现状

柳州重工是目前国内是发展混合动力工程机械的较早的企业之一，其自主研制的CLG862-HYBRID型混合动力装载机是我国首台自主研制的混合动力装载机，并于2010年的宝马展上首次亮相。该装载机所采用的混合动力构型是并联式油电混合，其发动机产生的机械能以及超级电容中所存储的电能通过ISG电机进行耦合，这款产品相对于传统的轮式装载机有着极其明显的节油效果。与此同时，徐工集团在2010年宝马展上推出了首台液压混合动力装载机。该设备具有能量回收系统，可以回收制动能量和动臂下降能量，其中制动能量回收，可高达75%。

由于国内工程机械相比于国外研究的比较晚，所以国内对工程机械相关元件和技术研究积累较少，传统工程机械的核心技术大部分掌握在国外一些企业。然而，混合动力作为新兴技术，特别是混合动力装载机国内对其技术的研究不比国外晚太多，并且从现在来看，差距也很小。尽管混合动力汽车技术已经较为成熟，且已有产品被推向市场，但是目前国内外混合动力装载机技术仍然处于研发阶段，各大厂商所推出的样机依旧有不完善的方面存在。也就是说，从全球的角度来看，各国对于混合动力装载机的研究均处于起步阶段，由此可见，只要把握住此次机遇，对于缩小我国与国外工程机械产品技术差距，同时提高国内产品的竞争力是一次绝好的机会。

2、串联式混合动力装载机动力系统设计与参数匹配

2.1、串联式混合动力装载机动力系统设计

2.1.1、混合动力装载机系统研究

混合动力装载机系统有很多分类方式。按照混合方式的不同可以分为：串联式、并联式和混联式混合动力；按动力耦合系统数学模型可分为：转矩耦合、转速耦合和功率耦合混合动力。按照动力源的不用可以分为：油电混合（发动机与蓄电池或超级电容混合）、油液混（发动机与蓄能器混合）、机液混（发动机与飞轮混合）。目前应用比较广泛，技术相对成熟的是油电混合，所以本文按照混合方式的不同油电混合进行比较分析，设计出符合要求的混合动力装载机结构。

2.1.2、串联式混合动力系统

串联式混合动力装载机系统结构示意图，如图1所示，由两个电能源向电动机供电，以驱动装载机行驶和工作装置工作。由发动机所发出的出动力全部用于驱动发电机进行发电，发电机根据装载机的不同工况将发电机所发出的电能分两路进行分配，一路对蓄电池组进行充电，另一路送给电动机驱动装载机行驶或是通过液压泵驱动液压系统工作。蓄电池可以接受来自发电机提供的电能或是制动能量回收的电能，也可将电能传递给电动机，驱动行驶系统和工作装置正常工作。

图1串联式混合动力系统结构示意图

2.2、动力系统参数匹配

2.2.1、系统参数匹配

系统部件参数相互约束、相互配合。所以，进行参数匹配时，要进行整体的参数匹配，不能只对单一部件进行参数匹配。使其在满足工作要求的前提下，提高效率，增加系统动力性和经济性。合理的参数匹配还能够使各元件得到合理利用，可以降低成本，减轻重量。因此，合理的参数匹配对系统的节能和成本的降低都有十分重要意义。

2.2.2、电机参数匹配

电动机的种类较多，应用的范围也十分广泛。然而，适应于混合动力系统电动机的种类相对较少，因为混合动力车的电动机要求较高，需要能够频繁的启停、具有较高变化率。按照有无换向器，混合动力中的电动机可以分为，有换向器和无换向器电机。

3、试验平台的快速控制原型搭建

3.1、xPCTarget环境搭建

在产品开发过程中，开发者可以利用xPC实时仿真系统进行产品原型的快速实现、测试和评估。xPCTarget利用ISA和PCI总线支持的I/O设备板卡进行多种数据类型的采集与控制，主要数据类型包括模拟量输入/输出、数字量输入/输出和CAN信号等。xPCTarget采用了宿主机-目标机“双机”模式的技术，宿主机通过Simulink和Stateflow等MATLAB工具箱搭建控制系统仿真模型，对被控系统进行非实时的仿真测试，并通过Simulink代码生成器和RTW目标语言编译器将Simulink模型转变为目标机所支持的代码，目标机实时运行所生成的代码以实现控制模型与被控对象之间实时监测与控制。

3.2、采集卡驱动设置

本试验平台采集卡主要使用了CAN通讯卡和NI多功能数字采集卡，上文也提及到CAN通讯卡和多功能采集卡与xPCTarget通讯时需要有驱动模块，由于本试验平台选择了Simulink自动驱动程序的CAN卡和NI采集卡，因此只需要根据实际对其进行选择和设置即可。

3.3、数据采集测试

CANSetup根据超级电容和电机系统CAN总线参数进行定义；CAPCANReceive是监测超级电容组参数；MotorCANReceive是监测驱动电机系统部分固有参数，主要包括产品型号、温度、峰值功率及基速等参数；MotorCANSend是控制驱动电机系统部分参数，在通讯测试过程中不能给电机系统供电无法使其直观体现，选择借助第三方设备AutoCAN进行监测xPCTarget发送出去的CAN报文。通过测试验证了xPCTarget中CAN卡通讯各驱动参数设置的正确性。

4、动力系统的电路设计及仿真分析

对于串联式电动混合动力装载机系统，其动力系统的电路设计与控制策略是重中之重，利用Simulink和Simscape关键电路及其控制策略进行仿真分析。综合考虑串联式混合动力装载机系统原理、已购设备实际使用要求及安全电路保护等因素，本章设计了基于xPCTarget的串联式混合动力装载机动力系统的电路，包括强电回路、弱电回路、冷却系统及控制系统回路。本文利用Simscape工具箱基础模块库中相关电子电路模块对本系统中关键回路进行模拟分析，利用Simulink模块与Simscape物理模块信号直接转换模块（PS-SimulinkConverter和Simulink-PSConverter模块）实现Simulink控制模型与电路系统物理模型的无缝连接，为实际电路的控制做技术保障。

5、串联式混合动力系统试验与结果分析

5.1、基于xPCTarget的串联式混合动力试验平台

整个前后桥串联式混合动力装载机系统可以简化为发电机组和超级电容组成混合动力源，按照负载需求分别单独控制三个电机系统，以实现系统操作要求。本试验平台的目的是为了研究串联式混合动力源控制驱动电机系统工作的电路系统和控制策略，与驱动电机系统个数无关，因此在本试验平台中只选择单个电机系统作为被控驱动电机。为了模拟系统负载，本平台利用另一个电机系统发电模式充当负载，与被控电机系统串联在一起组成一个台架试验平台。

5.2、试验结果与分析

串联式混合动力装载机利用发电机组和超级电容形成混合动力源，为三个驱动电机系统分别单独供能，该三个驱动电机系统均并联在混合动力源直流母线上，其总体控制策略基本是一致的，为简化测试成本与内容，本阶段只利用一个驱动电机进行串联式混合动力驱动测试。鉴于负载电机处于发电模式，其发出的电又重新回到直流母线上，整个驱动过程中所消耗的能量很小，导致原试验台不能够直接模拟串联式混合动力驱动测试。为了模拟需求功率较大的情况，在直流母线上并联两根导线，利用电水解原理实现增大需求功率，以实现串联式混合动力驱动电机的所有功能测试。由于电机转速控制和转矩控制模式总体控制策略相差较小。

结束语

总之，本文对串联式混合动力装载机系统关键技术进行了初步研究，仍然还有很多研究工作需要进一步研究和完善。为了更加合理的对串联式混合动力装载机性能进行研究，应以整车研究对象，完成串联式混合动力装载机整车改造，对串联式混合动力装载机整车性能进行测试分析。控制策略的优劣关系到整个系统的优劣，因此后续应借鉴现有试验台的控制策略，在整车搭建完成后进一步完善对整车控制策略进行研究与验证，以保证发动机工作在较优经济区域。

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