工程车辆储能式混合动力系统优化设计仿真

第３４卷第６期　计算机仿真　２０１７年Ｏ６月　

文章编号：１００６—９３４８（２０１７）０６—０１６２—０７　

工程车辆储能式混合动力系统优化设计仿真　

于忠杰　，林慕义ｌＩ　，刘志欣　，赵理　

（１．北京信息科技大学机电工程学院，北京１００１９２；　

２．北京电动车辆协同创新中心，北京１００１９２）　

摘要：针对当前储能式混合动力工程车辆在进行系统设计及优化过程中，并未根据其工步特点及运行规律进行个性化设计　

而导致的系统动态特性及经济性难以达到最优化等问题，提出一种工步识别的复合储能式混合动力系统。上述系统由能量　转换装置、液压蓄能器和蓄电池构成，通过引入多个能量存储单元以同时满足高功率密度和高能量密度的要求，利用工步分　析挖掘装载机工作循环的运行规律，按所处工步特点及系统状态进行控制策略设计及参数匹配。通过对系统进行结构设　计、数学建模、参数匹配及仿真分析发现，混合动力系统具有较好的动态特性和经济性，较好地提高了现有装载机储能系统　的整体性能。　

关键词：复合储能式；混合动力系统；结构设计；参数匹配　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ｂ　

Ｔｈｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｌｏａｄｅｒ　

ＹＵ　Ｚｈｏｎｇ—ｊｉｅ　，ＬＩＮ　Ｍｕ—ｙｉ　，ＬＩＵ　Ｚｈｉ—ｘｉｎ　，ＺＨＡＯ　Ｌｉ　

（１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　

ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｉｎ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ　ｒｅｃｏｇｎｉ—　

ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ，ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ａ　ｂａｔｔｅｒｙ．Ａｎｄ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　

ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｕｎｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　

ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｏｆ　ｌｏａｄｅｒ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ．Ｔｈｅ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓ—　

ｔｅｒｎ　ｓｔａｔｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｓｙｓｔｅｍ．ｗｅ　ｆ０ｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｐｅｒｆｏｒｍ—　

ａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｅｒｓ．　

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ；Ｈｙｂｒｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　

１　引言　

随着资源短缺和环境污染问题的加剧，在复杂工况下能　

耗高、排放差、能量利用率低的传统工程车辆正逐步向混合　

动力方向发展。然而，油电混合动力工程车辆的电池功率密　

度小、能量密度大。复杂工况导致的短时间、大强度的充放　

基金项目：国家自然科学基金基（５１２７５０５３）；科技创新能力服务建设　

一科研基地新能源汽车北京实验室（ＰＸＭ２０１６＿０１４２２４　００００４）　收稿日期：２０１６—０７—２２修回日期：２０１６—０８—１３　

—１６２一　电，对电池损伤严重。而油液混合的工程车辆功率密度大、　能量密度小，无法提供长时间、高密度的能量存储。因此，构　

造复合能量存储系统，利用蓄能器高功率密度的特点弥补蓄　

电池不足，并对制动能量进行高效回收将成为一个新的研究　方向　］。　

对于提高混合动力车辆能量利用率问题上国内外已经　有了一定的研究。文献［３，４］基于模糊控制理论对油电混合　

动力车辆的能量分配控制策略进行了仿真研究，在保证动力　

性的基础上，改善了燃油经济性，但未考虑工程车辆制动能　

量回收问题。文献［５，

６］对油液混合动力车辆能量管理进行　了策略研究，提出了一种能量回收及再利用控制策略，提高　

了能量回收再利用率，但缺乏基于行驶工况能量分配策略。　

文献『７］针对路况进行能量分配和工作模式切换，但未考虑　

到能量回收再利用问题。文献［８］设计了一种油一电一液三　

元混合动力汽车，有效的回收再利用车辆的制动性能，改善　

了内燃机的燃油经济性，但未针对车辆运行工况进行能量分　

配，效果未达到最优。　当前对于工程车辆混合动力系统的研究大部分存在储　

能单元单一或能量分配策略未结合工程车辆特有的工况规　

律进行设计的问题。鉴于此，本文基于对工程车辆的工况循　

环分析，提出一种新型复合储能式混合动力系统。该系统采　

用蓄电池／液压蓄能器作为能量存储装置，利用液压蓄能器　

的高功率特性来回收装载机短时间内产生的再生制动能量，　

通过油电混合的方式使柴油机工作在低油耗、低排放的高效　

区间。通过综合考虑各工步在工作循环当中的时序特性，对　

发动机、电动机、电池、液力变矩器等关键元件进行合理的匹　

配。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建该驱动系统的仿真模型，通过仿真对　

系统整体性能及其节油率进行分析。　

２混合动力系统工作原理　

当前，有３种常见的混合动力传动方案，分别是并联、串　

联和混联方案。其中：串联方案的能量转换次数多、利用率　

比较低；混联方案的系统结构复杂，装机成本比较高的，实现　

难度比较大，并联方案结构简单，工作可靠，成本较低　。　

１）并联式油电混合动力系统　

油电混合动力系统结构如图１，发动机的输出能量主要　

用于驱动负载，不足或多余的能量有电动机或发电机转化补　

充，电动机作为辅助动力源，协同发动机一起满足峰值负载　

功率的要求。动臂下降时，势能转化为发电机发电，经过逆　

变后存储在电池中。　

——电连接——液流连接一机械连接　

图ｌ油电混合系统结构原理　

油电混合系统虽然节省燃料，降低了排放，改善了发动　

机的动态性能等，但蓄电池功率小，短时间内无法接收和释　

放较大能量，能量回收率低，且制造成本高。　

２）并联式油液混合动力系统　

油液混合动力系统结构如图２，以装载机为例，车辆行走　

制动时，液压泵／马达工作于液压泵工况，回收车辆的制动动　

能，并存储与高压蓄能器中。动臂缸下降时，回收下降时的　

势能。在车辆起动、加速、动臂上升过程中，回收的液压能为　

车辆提供辅助动力。　——液流连接　一机械连接　

图２油液混合系统结构原理　

油液混合系统结构简单，蓄能器功率密度大，完全充放　

能力强，可回收更多的能量。但蓄能器能量密度小，在吸收　

发动机富余功率和长时间提供能量方面不如油电混合系统。　

３装载机工况识别及作业方式分析　

对于工程车辆而言，其运行工况复杂多变，分为行驶工　

况和作业工况，在作业工况下，又有不同的作业方式，包括Ｉ　

型，Ｔ型，Ｖ型，Ｌ型等。如图３所示。　

－＋－曲　

０１—铂　叫　“Ｉ”型作业法　罄０ｆｎＬ０　髑鞫嚼强　一　罄　ｌ　＜＼　

瘟　磨　

图３装载机作业方式　

装载机在不同运行工况或作业方式下，其运行规律性及　

控制特点差别较大：　

１）“Ｌ”型作业方式：装载机操作复杂程度中等、能量回　

收效率一般。该方式可同时配备两辆自卸卡车，节省运输间　

隔和装载机停车时间。　

２）“Ｉ”型作业方式：装载机操作简单，制动次数最少，两　

车频繁前进和后退，易相互干扰，综合能耗较高，作业时间　

较长。　３）“ｒｒ，，型作业方式：操作复杂性高，能量消耗较大，适用　

于作业场合受限、自卸卡车停放位置受限情况下使用。　

４）“Ｖ”型作业方式：对驾驶员要求较高。该方式工作循　

环时间短，工作效率、总的能量回收率较高。　

装载机的工作过程是一个循环工况，一个工作循环过程　

包括：空载接近物料一铲装一重载倒退一满载前进到卡车并　

卸载一空载后退，工作特点如图４所示。　

本文将装载机“Ｖ”型作业方式的一个工作循环过程分　

为五个工步，根据传感器测得的速度、行驶阻力、负载来预测　

其下一工步，其判断流程如图５所示。　

一

１６３～　图４装载机作业方式图　

空车时，车辆在各路况负载最大为　，行驶阻力最大为　

，满载时，车辆在各路况负载最大为　，行驶阻力最大　

为　。　１）若　＞０，　≤　，则为工步１；　

２）若　＞０，　＞Ｆ。，则为工步２；　

３）若　＞０，Ｆｏ＜　≤　，则为工步４；　

４）若　＜０，Ｆ　＞Ｆｏ，则为工步３。　

５）若　＜０，Ｆ　≤Ｆｏ，则为工步５。　

４新型混合动力系统设计　

４．１系统结构　

综合考虑能量转换效率和系统复杂程度，选择柴油机、　

电动机和蓄能器并联的方案，系统结构及工作模式如图６所　示：采用单排行星齿轮机构作为耦合装置，其中电动机与太　

阳轮、发动机与齿圈、行星架与传动系统联接，利用锁止机构　

和电磁离合器实现转矩耦合和转速耦合，通过控制锁止机构　

的锁止、电磁离合器的分离实现各种混合动力工况。液压混　

合动力系统与发动了并联，采用转矩耦合。　

一１６４一　图５工步判断流程　

４．２基于工步的运行模式　

针对装载机的作业方式，设计了如图７所示的运行模式　

的控制策略。　

１）驱动模式：　

工步１为空载接近物料阶段，需要由发动机和电动机联　合作业。若ＳＯＣ　＞ＳＯＣＬ，Ｐｄ＞Ｐｔ，则为单电动机牵引模式，　

若ＳＯＣ　＞ＳＯＣ　Ｐ　＜Ｐｔ，则切换到油电混合驱动模式，此时　

使发动机工作在高效区，不足部分由电动机补充。若ＳＯＣ＜　

ＳＯＣ　则切换到单发动机驱动模式。　

工步２为铲装阶段，因阻力较大，需要由发动机和液压　

系统同时联合作业。若ＳＯＣ…＞ＳＯＣ　则为油液混合驱动模　

式，保证发动机工作在高效区，不足部分有液压动力系统补　

充。若ＳＯＣ。　＜ＳＯＣ　则为单发动机驱动模式。　

工步３为重载倒退阶段，考虑到功率需求，采用发动机　

和液压系统联合作业若ＳＯＣ一＞ＳＯＣ．．，在速度小于预定值　

Ｖｅ，即若车速低于该值，发动机将处于高油耗状态或不能稳　

定运转，此时液压动力系统单独驱动车辆。若发动机在最佳