装载机是现代化建设的重要工程装备.作业循环中频繁启停使驾驶员不断大幅度地加、减油门，频繁加减挡位.联合工况作业时对峰值功率需求很大，在选择发动机功率时不可避免地存在“大马拉小车”的情况^[1]，在重载工况中，液力变矩器的效率很低，因此传统装载机能耗高、排放差、发动机寿命短、能量利用率低，对驾驶员要求高^{[2, 3]}.
在节能、低碳、环保的倡导下，国内外不断涌现出装载机的新成果和新产品.2008年沃尔沃展出同轴并联混合动力装载机L220F Hybrid；2010年卡特彼勒、采埃孚和力士乐分别展出了无液力变矩器的无级变速传动结构方案；约翰 · 迪尔开始销售两款基于电力传动技术的串联式油-电混合动力装载机；小松WA600-6轮式装载机实现装载机的自动变速^[4].国内混合动力装载机的研究处于起步阶段，2010年在Bauman China柳工展出了国内首台混合动力CLG862-HYBRID型装载机，徐工展出了液压混合动力ZL50GS型装载机^[3].可以发现：装载机节能减排的研究除了通过混合动力方案提高发动机能源利用率外，还应该提高装载机变矩传动效率.本文以某5t装载机为原型，提出并联式混合动力方案来提高能源利用率，采用自动变速原理提高系统传动效率，降低了驾驶员的劳动强度^{[1, 4]}.
通过分析装载机的工况特点，在满足正常工作的基础上制定合理的控制策略，提出了模糊逻辑控制策略，研究装载机的混合动力技术与自动变速技术.通过Matlab/Simulink软件对系统节能效果和性能进行仿真研究.

选用永磁同步电机作为电动/发电机，超级电容作为储能元件，图 1为系统结构.整车系统的能量一部分通过液力变矩器、变速箱及驱动桥驱动车辆行驶，另一部分传递给液压系统驱动工作装置作业和控制车辆转向等^{[3, 5]}.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 并联混合动力装载机结构 Fig. 1 Parallel hybrid power loader structure

以某5t装载机(发动机额定功率160kW)为原型.图 2为在典型工况下，系统3个工作周期实际需求功率载荷谱曲线，图 3是液力变矩器效率曲线.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 系统需求功率曲线 Fig. 2 System demanded power curve

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 液力变矩器效率曲线 Fig. 3 Fluid torque converter′s efficiency curve

通过载荷谱分析可知：装载机工作具有较强的周期性和波动性.采用混合动力技术，加入电动/发电机平衡能量，在轻载工作时，将发动机多余的能量回收，在重载工作时，将回收能量释放，降低了发动机的波动性同时提高了能源利用率.工作过程中液力变矩器效率变化频繁，因此通过自动变速原理切换挡位能够有效提高液力变矩器的效率，提高整车系统效率和燃油经济性，达到节能减排的目的.

混合动力装载机主要对发动机、电动机、液压系统、变矩器和超级电容等进行建模.为提高模型精度，采用理论公式和经验公式相结合的方式建模，通过数学模型描述系统各元件性能参数特性^{[6, 7]}.

发动机模型分为动态模型和均值模型，本文主要研究发动机工作点的变化及燃油效率变化，结合原车装配，研究发动机的调速方程，根据输出转矩与转速查询燃油效率表求得当前油耗率^{[3, 7]}.

T_e= -2.6769n_e+6585.2α.

式中：T_e为发动机输出转矩；n_e为发动机输出转速，n_e=α(n_h-n₁)+n_l，n_h为发动机最高调速转速，n_l为发动机的怠速转速，α为油门开度^[3].

永磁同步电机由电磁转矩方程建模很复杂，本文只建立电机力矩平衡方程：

液压系统包括工作泵、转向泵和变速泵，采用反向推导仿真研究，将液压泵载荷谱数据折算成液压系统载荷.将液压泵出口压力折算为驱动转矩^[3]：

用液力变矩器的无因次特性描述其原始特性：

超级电容荷电状态SOC值定义如下：

液力变矩器的效率决定传动系统效率的大小.以液力变矩器的效率最优为控制目标，寻找最优换挡点.图 4为某一作业载荷系数下不同油门开度时相邻3个挡位(1挡、2挡和3档)液力变矩器的效率曲线.由图可见：在定油门开度下，交点为换挡点，如点A的左侧系统以2挡工作，点A右侧系统以3挡工作，点A为最佳换挡点；通过换挡工作点发现，同挡位时，随着油门开度的增大，换挡点所对应的车速变大^[3].

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 最优换挡点曲线 Fig. 4 Optimal shifting point curves

控制策略是能量管理与分配的核心，本文的控制策略目标是：满足正常工作的前提下，使动力源与负载更好地匹配，保证系统元件高效工作，提高整机效率和燃油经济性.工作过程中由于负载频繁变化，需要驾驶员频繁踩踏油门与加减挡，系统产生很大冲击与振动，发动机工作点时刻发生变化，因此无法准确地通过推导计算出系统的工作状态.模糊逻辑控制策略是基于规则的即时控制，不需要精确的数学模型，具有很强的鲁棒性，能够解决非线性复杂问题，适用于混合动力装载机^{[6, 7, 8, 9]}.

装载机由驾驶员控制油门与挡位，发动机工作点与换挡点与驾驶员熟练水平有关.采用模糊逻辑控制，实现车辆自 动控制且提高系统传动效率.

混合动力系统根据负载、超级电容SOC、液力变矩器效率和发动机工作点等信息决定系统的工作模式.图 5为系统控制流程图.通过准确地感知系统需求转矩，将需求转矩T_rq与SOC作为模糊逻辑控制器的输入变量，运用模糊逻辑控制进行优化得到发动机的最优工作点与电机的工作点，将液力变矩器效率、发动机油门开度与车速作为输入，输出控制挡位.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 混合动力系统控制流程图 Fig. 5 Control flow chart of hybrid power system

需求转矩T_rq还需要根据发动机当前油门开度下最优转矩T_opt和最大转矩T_max作分段处理.经过模糊逻辑控制器后输出参数为一系数K，将其分段清晰后得到发动机输出转矩T_e与电机的输出转矩T_m；将车速v、变矩器效率η及油门开度α做分段处理，作为模糊逻辑输入，寻找最佳换挡速度与换挡效率点，最终输出挡位.输入T_rq的论域为^{[0, 2]}，0表示转矩为零，1表示最优转矩，2表示转矩为最大值T_max；SOC的论域为[0.4,0.8]，代表超级电容工作是上下限；v的论域为^{[0, 12]}，表示速度0~12km/h的变化；η的论域为^{[0, 1]}，表示效率值；α的论域为^{[0, 1]}，代表油门开度的变化范围；gear的论域为^{[0, 3]}，对应1到3挡的变化.

建立各参数的隶属函数，制定模糊规则集，规则库由若干If-Then规则构成，图 6为部分输入和输出隶属度函数，表 1为模糊逻辑规则库^{[6, 8, 9]}.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图6 输入输出变量隶属度函数 Fig. 6 Membership functions of input and output variable (a)—输入SOC隶属度函数； (b)—输出gear隶属度函数.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 模糊逻辑规则库 Table 1 Fuzzy logic rule base 输出 输入 负大 负小 零 正小 正大 过低 零 零 正大 正大 正大 偏低 零 零 正小 正大 正大 适中 负小 零 零 正小 正大 偏高 负大 负小 零 零 正小 过高 负大 负大 零 零 零

表1 模糊逻辑规则库 Table 1 Fuzzy logic rule base

选取典型的3个工作周期，应用MATLAB Simulink软件，将实际载荷谱加载到模型中，在考虑初始条件和边界条件下建立传统装载机、混合动力装载机及混合动力自动变速系统的仿真模型，运用模糊逻辑控制发动机的工作点，控制变速箱自动换挡^{[8, 10]}.研究系统工况特点、SOC值变化规律、液力变矩器传动效率曲线、系统燃油经济性等.

根据载荷谱数据计算得到系统需求最大功率，考虑各元件的效率及设计余量，模型结构如图 7所示.模型中发动机功率为140kW(原机160kW)，电机功率为60kW，超级电容容量为17.6F.系统仿真结果曲线如图 8所示.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图7 混合动力装载机仿真模型 Fig. 7 Simulation model of hybrid power loader

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图8 系统仿真曲线 Fig. 8 System simulation curves

混合动力系统将发动机输出功率“削峰填谷”；电机工作在额定功率范围内，充电与放电功率动态平衡；超级电容SOC值变化稳定；挡位变化及时、有效，同时有效提高了液力变矩器效率；混合动力比传统装载机节油约9.56 % ，混合动力自动变速比传统装载机节油约11.82 % ，改善了燃油经济性.

1) 提出装载机并联混合动力与自动变速相结合的方案，混合动力技术提高了发动机的能源利用率，自动变速提高了系统的传动效率，实现装载机节能减排的目的.

2) 超级电容SOC值变化稳定；挡位变化及时、合理，有效地提高了系统传动效率；混合动力比传统装载机节油约9.56 % ，混合动力自动变速比传统装载机节油约11.82 % ，改善了燃油经济性，达到了节能效果.