杨继林,蔺博见,柯小毛

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安 710064；2.广汽乘用车有限公司,广东广州 511400)

并联式油电混合动力装载机动力系统仿真分析

杨继林1,蔺博见1,柯小毛2

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安 710064；2.广汽乘用车有限公司,广东广州 511400)

在保证装载机施工过程中作业质量的前提下合理匹配整机功率，根据装载机的作业特点，分别使用模糊逻辑控制策略、电机最小助力控制策略和瞬时等效油耗最低控制策略对并联式油电混合动力系统进行仿真分析，并与传统机型系统进行对比分析。仿真结果表明：并联式油电混合动力系统节能率最大可达10.3%。与传统系统相比，本系统节油率更高，且显著提高了装载机的牵引力。

并联式；混合动力；仿真；能量回收

轮式装载机作为一种重要的土石方施工机械，广泛应用于公路施工、建筑施工、矿山作业等[1]。混合动力技术在汽车上获得广泛应用，能够实现一定的节能减排效果[2]。工程机械领域对混合动力技术的研究，主要还是借鉴其在汽车领域的发展[3]。2009年，“新型混合动力工程机械关键技术及系统”项目作为先进制造技术领域的重点项目，已被列为我国“863”计划，作为重点发展项目[4]。

1 传统装载机油耗

图1 传统轮式装载机油耗

传统轮式装载机作业过程中，燃油的消耗主要用于驱动车辆的运动以及工作装置的运行。传统装载机在V型作业工况下一个周期内的总油耗以及瞬时油耗如图1所示，一个周期内燃油消耗量为191.2 g。

2 并联式油电混合动力装载机仿真

分别采用模糊逻辑控制策略、电机最小助力控制策略和瞬时等效油耗最低策略，对油电混合动力系统进行仿真分析，分析的内容包括系统需求转矩、发动机输出转矩、电机转矩，超级电容的充电状态(state of charge,SOC)值，一个周期内总油耗。

2.1 模糊逻辑控制策略仿真

利用Matlab/Simulink进行仿真。模糊逻辑控制具有很强的鲁棒性，且不需要精确的模型，便可保证发动机的效率以及超级电容充放电平衡(SOC在合理范围内波动)[5]。仿真模型的输入量分别是系统需求转矩和超级电容SOC值，输出是发动机的最优输出转矩和电机的转矩。控制则根据系统负载需求、SOC值及发动机的工作点，切换系统工作模式。

图2为模糊逻辑控制策略的转矩、超级电容SOC值波动、燃油消耗情况，图2a)包括系统需求负载曲线、发动机输出转矩曲线、电机转矩曲线。通过发动机转矩曲线和电机转矩曲线，可以看到，电机的辅助功能，起到了“削峰填谷”的作用，保证了发动机工作在高效区域。当电机转矩为正值时，系统处于发动机和电机协同作用，电机处于电动状态，由超级电容提供能量，超级电容SOC值下降；当电机转矩为负值时，系统处于发动机单独工作状态，发动机转矩大于系统需求转矩，此时电机处于电动状态，剩余转矩提供给电机发电，超级电容SOC值上升[6]。

a)转矩 b)超级电容SOC值波动 c)燃油消耗图2 模糊逻辑控制策略仿真

从图2b)中可以看到，超级电容SOC值在设定范围内波动，符合设计要求。在一个工作周期内，发动机的工作点处于不断调整的状态，处于发动机效率较高的区域，超级电容的SOC值也处于波动状态，但是处于控制范围[0.4,0.8] 内，所以不会出现过度充电或者过度放电损坏超级电容的情况。

从图2c)可以看出，基于模糊逻辑控制策略的系统满足设定要求，发动机基本处于高效区，SOC值在设定范围内正常波动。一个工作周期内的燃油消耗量为171.5 g，节油率为10.3%。

2.2 电机最小助力控制策略仿真

目前大多数控制策略的思路是使发动机避开高油耗低效率区域，进入低油耗高效率区域[7]，忽略电机的频繁启动以及超级电容的频繁充电放电带来的功率损失，导致整机效率不高。在发动机当前转速和需求转矩确定的条件下，通过万有特性曲线，可以确定此时发动机的转矩，从而确定电机的工作状态。

图3是采用电机最小助力控制策略的转矩、超级电容SOC值波动、燃油消耗的仿真结果。实际工况中，尽量减少电机工作，增加发动机单独工作状态，从而避免超级电容往复的充放电，降低由于能量转换造成的能量损失率[8]。

a) 转矩 b)超级电容SOC值波动 c)燃油消耗图3 电机最小助力控制策略仿真

系统需求转矩大于当前转速下发动机最大转矩时，发动机和电机联合驱动，此时，电机处于电动状态；系统需求转矩小于发动机当前转速下发动机最小转矩时，发动机剩余转矩用于发电，此时电机处于发电状态；其他情况下，混合动力系统处于发动机单独工作状态[9]。一个周期内的油耗为183.3 g,节油率为4.1%。

2.3 瞬时等效油耗最低控制策略仿真

瞬时等效油耗最低控制策略，是一种动态自适应控制方法，目的是让发动机尽量工作在最佳燃油消耗曲线上。瞬时等效油耗最低控制策略以全局最优控制理论为基础，其主要内容包括等效油耗和瞬时优化两个方面[10-11]。该控制策略通过对任意时刻发动机和电机的转矩分配，使系统的功率损失最小。EMCS理论是将电能的消耗等效到发动机的能量消耗，以一个工作循环周期内超级电容的SOC值基本不变而建立起的系统整体燃油消耗模型[12-15]。图4是采用瞬时等效油耗最低控制策略的转矩、超级电容SOC值波动、燃油的消耗的仿真结果。

a)转矩 b)超级电容SOC值波动 c)燃油消耗图4 瞬时等效油耗最低控制策略仿真

从图4a)可以看出，发动机转矩曲线基本位于最佳燃油消耗曲线上，电机辅助发动机工作，达到预期效果。从图4b)可以看出，超级电容SOC值曲线一个周期的开始到结束，超级电容SOC值基本不变。从图4c)可以看到采用瞬时等效油耗最低控制策略，系统一个周期的油耗为179.6 g，节油率为6.1%。

3 传统装载机与混合动力装载机仿真结果对比分析

采用模糊逻辑控制策略、电机最小助力控制策略及瞬时等效油耗最低控制策略3种控制策略，均能满足系统负载需求，并且有一定的节油效果。对3种控制策略仿真结果进行对比分析，结果如表1所示。

表1 一个周期内油耗仿真结果

从表1可以看出：

1)油电混合动力系统在模糊逻辑控制策略下，油耗为171.5 g，相对节油量为19.7 g，相对节油率为10.3%，在3种控制策略中，相对节油率最高。该控制策略满足了系统需求，发动机工作点在最佳燃油曲线附近，超级电容SOC值在设定范围内波动。基于模糊逻辑控制策略的系统具有很强的鲁棒性，节油率也相对较高，不过控制器设计较为复杂。

2)油电混合动力系统在电机最小助力控制策略下，油耗为183.3 g，相对节油量为7.9 g，相对节油率为4.1%。电机最小助力控制策略的核心思想是减少电机的工作状态，以发动机工作为主，从而避免超级电容充放电所造成的二次能量转换损失。通过SOC值曲线图，可以看到超级电容SOC值波动范围不大，基本达到要求，但是该控制策略下没有考虑发动机的工作效率，发动机工作点不能维持在低油耗高效率点附近。

3)油电混合动力系统在瞬时等效油耗最低控制策略下，油耗为179.6 g，相对节油量为11.6 g，相对节油率为6.1%。瞬时等效油耗最低控制策略的核心思想是让发动机工作在最佳燃油消耗曲线上，通过对任意时刻发动机和电动/发电机的转矩分配，使系统的功率损失最小[16-17]。该控制策略是以全局最优控制理论为基础，在工作周期内需要对每一个采样信号进行发动机与电动/发电机间的最佳转矩分配，具有很好的适应性，但是计算量大，对硬件要求高，发动机工作点切换较频繁，同时瞬时最低等效油耗并不能保证全局最低等效最低油耗，因此在实际应用中并不合适[18-20]。

4 结语

3种控制策略各有利弊，但无论选择哪种控制策略，相对传统的装载机，都节省了油耗，更加环保。并且混合动力系统中安装有液压蓄能器，能够有效地回收和再利用制动能量，明显降低传统制动器的使用次数和强度，同时液压再生系统为装载机行走装置提供辅助功率，使发动机工作于最佳燃油经济区，节能率最大可达10.3%，并能明显提高装载机的牵引力。

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(责任编辑：郭守真)

Analysis and Simulation of Hybrid Power System of Parallel and Oil-Electric Hybrid Loader

YANGJiLin,LINBojian,KEXiaomao

(1.KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China； 2.GuangzhouAutomobileGroupMotorCo.,Ltd，Guangzhou511400,China)

Matching machine power reasonably under the good operating conditions of loader,the paper studies the simulations of parallel hybrid electric power system and the traditional system respectively according to the characteristics of loader.The paper uses fuzzy logic control strategy,minimum motor power control strategy and instantaneous equivalent fuel consumption minimum control strategy.For the simulation analysis of a parallel hybrid electric system,the results show that it saves energy up to 10.3%.Compared with the traditional system,it has higher fuel saving level and significantly improves the traction of the loader.

parallel; hybrid; simulation; energy recovery

2016-06-05

杨继林(1990—),男,河南西华人,硕士研究生,主要研究方向为机电系统控制与故障诊断,E-mail:yangjilin2011@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.010

TH243

A

1672-0032(2016)04-0064-05