2.3.5 液压混合动力装载机技术分析
1.整体结构方案
装载机是集铲、装、运、卸作业于一体的自行式机械，作业时空载驶向料堆、铲斗装满物料后倒退，然后转向驶向运输车辆，同时提升动臂至卸载高度卸料，行走与作业同时进行。装载机行走部分需求的功率较大。考虑到采用液压驱动需要多泵和多马达系统，会增大系统的成本，因此采用液压驱动与机械驱动相结合的方法，即功率分流驱动。如图2-58所示，柴油机的动力有两部分流向：一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构，实现装载机行驶；另一部分通过液压泵驱动液压缸，实现转向和装载工作。液压泵/马达、液压蓄能器等构成液压混合动力系统，与柴油机一起构成双动力源驱动。当装载机制动时，离合器断开，液压泵/马达工作于“泵”工况，提供再生制动转矩，同时吸收制动能，并存储于蓄能器中；当装载机起动时，液压泵/马达则工作于“马达”工况，释放液压能为装载机提供辅助功率，实现回收能量的再次利用；当装载机铲掘时，液压泵/马达工作于“马达”工况，提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使其工作于最佳燃油经济区。
2.装载机液压混合动力系统控制策略
常用的能量控制策略开发主要有三种方法：逻辑门限控制策略、瞬时优化控制策略和基于模糊逻辑或神经网络的智能控制策略。瞬时优化控制策略实时计算燃油消耗和排放，确定最佳的液压混合动力系统工作模式和工作点，但计算量大，实用性不强；模糊控制策略需要根据专家经验制定出相应的隶属度函数和模糊控制规则，存在较大的主观性和随意性，很难准确地确定出各项参数，并且效果改善不大。逻辑门限控制策略快速简单、实用性强，而被普遍采用。传统的静态逻辑门限控制策略是根据原定的规则通过固定门限参数，对液压混合动力系统的工作模式进行判断，简单实用；但固定的门限参数不能适应动态的工况，为此，本书介绍通过设置一组动态的门限参数值来限定发动机和液压泵/马达的工作区域，能量控制策略根据实时门限参数和控制规则来合理控制各种工作模式间的平稳切换。
图2-58 液压混合动力装载机原理图
（1）总体控制规则
对于装载机来说，发动机的动力有两部分流向：一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构，实现装载机行驶；另一部分通过液压泵驱动液压缸，实现转向和装载工作。液压泵/马达、液压蓄能器等构成液压混合动力系统，与发动机一起构成双动力源驱动。当装载机制动时，离合器断开，液压泵/马达工作于“泵”工况，提供再生制动转矩，同时吸收制动能，并存储于蓄能器中；当装载机起动时，液压泵/马达则工作于“马达”工况，释放液压能为装载机提供辅助功率，实现回收能量的再次利用；当装载机铲掘时，液压泵/马达工作于“马达”工况，提供辅助牵引功率，避免发动机掉转现象，使其工作于最佳燃油经济区。
如图2-59所示，在并联式液压混合动力装载机中，发动机和液压泵/马达有多个工作状态，同时离合器和变速器可连接或中断动力传递路线，构成系统的多个运行模式。液压混合动力装载机的运行模式分为：发动机驱动模式、蓄能器主动充油模式、液压蓄能器驱动模式、复合驱动模式、液压再生制动模式和复合制动模式。如图2-60所示，首先根据车速和驾驶人的操作意图，将加速踏板、变速箱档位等信号转换为需求转矩；根据蓄能器的压力值、液压泵出口压力、车速等实时参数判定整机的工作模式（发动机驱动模式、蓄能器主动充油模式、蓄能器驱动模式、复合驱动模式、液压再生制动模式和复合制动模式）；根据不同工作模式选择不同的控制策略将需求转矩在发动机、蓄能器两套动力系统之间进行合理的分配，在较好满足车辆动力性能的同时降低燃油消耗。
图2-59 装载机液压混合动力系统动力总成控制方法
图2-60 装载机液压混合动力系统动力控制流程图
（2）不同工作模式的优化控制
1）蓄能器单独驱动模式。此模式主要用于装载机起步阶段。起动时，发动机的动力性和燃油经济性较差，液压混合动力系统中的液压泵/马达首先起动，利用其低速大转矩的特点，使车速达到一定值后，发动机起动，并迅速进入高效区工作。当液压蓄能器压力高于最低工作压力时，整车采用液压蓄能器驱动模式，发动机只为转向和装载装置提供必要的动力，整车全部牵引驱动能量由液压蓄能器和液压泵/马达提供，避免发动机在起动过程工作于高油耗、低效区。当液压蓄能器压力低于最低工作压力时，发动机为整机提供驱动能量。
2）发动机单独驱动模式。此模式是在装载机进入正常中高速的行驶时采用。发动机驱动模式下，转速稳定在一定范围内，发动机工作于最佳燃油经济区，液压混合动力系统不工作。
3）负载平衡模式。此模式主要是在发动机加速到高转速区域时，负载转矩波动较大，使得发动机的工作点偏离其高效区域。当装载处于轻负载时，此时发动机工作在高速低转矩区域；当装载处于加速、爬坡或铲掘等大负载情况时，整机所需的动力超过发动机工作范围或高效区时，由液压泵/马达提供辅助动力，协同发动机一起驱动车辆。此时发动机和液压混合动力系统联合驱动负载。通过液压泵/马达的削峰填谷功能，实现稳定发动机的工作点在高效区域，同时在填谷时，实现蓄能器主动充油，在削峰时，液压蓄能器通过泵马达提供辅助动力。
在装载机作业工况下，发动机的负载变化明显，如果泵模式时的吸收转矩为定值，很难保证实现燃油经济最大化；同理在马达模式时，如果输出转矩为恒定值也很难保证实现燃油经济最大化。因此，本书编者提出一种基于蓄能器压力的液压泵/马达排量动态调整的方式，根据发动机负载和蓄能器的能量存储状况，合理地选择液压泵/马达目标排量。在工作在负载平衡模式时，将构建发动机档位与工况等级的对应表，对应不同油门位置，查发动机万有特性曲线确定对应的最佳转速作为动力系统的目标转速，控制液压泵/马达的吸收转矩使系统转速稳定在该目标转速，此时液压泵/马达工作在转矩模式；通过检测系统的发动机的实际转速并通过PID算法控制液压泵/马达的吸收转矩或者提供转矩，将发动机转速稳定在目标转速，负载平衡模式时液压泵/马达的控制流程如图2-61所示。
图2-61 液压混合动力装载机负载平衡模式时动力总成控制框图
4）再生制动模式。在装载机制动时，由液压混合动力制动系统提供部分或全部转矩，同时将一部分制动能转为液压能进行储存。根据驾驶人的制动意图，如为轻度制动，整车进入液压再生制动模式，传统的摩擦制动系统不工作，全部制动转矩由液压蓄能器和液压泵/马达提供，非轻度制动时，整车进入复合制动模式，整车制动转矩由液压泵/马达和摩擦制动系统提供，液压泵/马达提供最大制动转矩，不足的由摩擦制动系统提供。再生制动控制策略如下。
3.再生制动控制策略
如图2-62所示，再生制动是液压混合动力行走工程机械提高燃油经济性的重要途径，制动时需要协调再生制动与摩擦制动的关系，保证整车制动性能安全性，避免再生制动过程中因天气原因、路面状况、制动深度变化引起的制动跑偏、驱动轮抱死等危险。由于液压再生制动系统具有强非线性、参数大范围摄动及存在严重外界干扰等问题，严重影响到行车安全。
（1）装载机驱动转矩和制动转矩识别
混合动力系统能量管理的首要任务是识别需求转矩。液压混合动力装载机的需求转矩主要由两部分组成：加速踏板处的驱动转矩需求和制动踏板处的制动转矩需求。在混合动力装载机中，驾驶人通过加速踏板和制动踏板来控制系统转矩的输出。当加速踏板下行时，发动机输出转矩驱动行走装置和液压执行元件。加速踏板的行程和驱动转矩可以表示为简单的线性关系，加速踏板行程为100%时，驱动转矩为车轮提供最大驱动转矩。
图2-62 装载机基于液压蓄能器的再生制动控制策略
（2）装载机的制动意图识别准则
装载机在制动或滑行过程中，根据制动踏板开度来判断驾驶人的制动意图，确定制动转矩的大小。不同的制动意图要求不同的制动性能，制动意图识别是开展复合制动系统制动力分配策略的基础。目前，踏板行程与制动目标转矩一般表示为简单的线性关系，该办法在制动踏板开度较小时存在冲击较大和调速区间小等不足之处，为此本书编者提出一条非线性曲线代替线性曲线表征驾驶人的目标转矩。如图2-63所示，根据制动踏板开度和制动的初始速度，驾驶人的制动意图分为轻度制动、中等制动和紧急制动三类。
1）轻度制动：轻度制动时制动踏板的下行幅度较小，踏板下行速度变化小，制动强度上升缓慢，制动的方向稳定性要求较低。
2）中等制动：中度制动时制动踏板的下行幅度和速度变化较大，制动强度较大。常出现在需要尽快驻车的情况，制动时的方向稳定性要求较高，制动距离短。
3）紧急制动：紧急制动是指驾驶人采取的迅速驻车措施，制动会持续到车辆驻车时为止。
图2-63 制动意图识别示意图
（3）再生制动转矩分配策略
液压混合动力装载机制动时，机械式摩擦制动器和液压泵/马达同时对车轮施加再生制动力，复合制动系统应满足以下功能。
1）制动安全性：在相同的制动强度需求输入下，保证制动时方向的稳定性，确保装载机的安全性。
2）回收制动能量：在安全制动的前提下，最大限度地回收装载机的制动能量和下坡惯性能。
3）制动踏板感觉：不同制动模式及模式切换过程中，保证驾驶人有相同的制动踏板感觉，同时完成两种制动形式的平稳切换。
根据制动意图、蓄能器储能状态、液压泵/马达最大输出转矩等参数的具体情况进行分析计算，决定再生制动转矩和摩擦制动转矩的比例关系，在驱动轮所允许的制动力矩范围内最大限度的应用再生制动转矩，不足的制动转矩由摩擦制动系统提供。为此研究不同蓄能器压力时的液压泵/马达制动力矩和机械摩擦制动力矩的最优分配比，在最大限度回收制动能量和保证制动安全之间取得平衡。考虑到装载机行走装置制动减速度通常集中在3m/s2，制动减速度小，但制动频率高的特点。提出一种基于制动意图的以制动减速度为依据的再制动转矩分配策略。如图2-64所示，考虑到车速较低时，由于液压泵/马达具有最低稳定转速，低于此转速，泄漏、阻尼因素等对系统影响所占比重较大，系统转速的稳定性极差。同时，这时道路阻力较大，因此能量回收率几乎为零，此时即使在轻度制动时，也采用传统的机械制动。此外，装载机负载占车重的1/3左右，因此负载变化明显。如果在空载和满载采用同一制动减速度界限来实施液压再生制动，会造成制动能量回收率的降低，因此，需要根据按装载机负载工况来动态调整液压制动力分配。紧急制动时，考虑到安全性，采用传统的摩擦制动。中等制动时，需要根据制动减速度来分配再生制动和摩擦制动的分配比，不同减速度，计算得到允许的最大再生制动力，再判断再生制动力是否满足需求的制动力，如果不满足，则辅以摩擦制动。
图2-64 不同制动意图时液压再生最大转矩计算曲线