前置并联式液压混合动力起重机制动能量管理及控制策略研究

发布时间：2020-09-28 07:17

　　随着世界经济的快速增长,工业生产及交通运输不断进步,但随着石油资源日渐匮乏以及环境污染日趋加重,节能减排越来越受到全世界的关注。工程机械作为高耗能行业,相关的技术探索从未停止,近年来呼声更加强烈。其中,混合动力技术是目前实现车辆节能减排的有效途径之一,混合动力技术在汽车领域的成功应用为工程机械的节能减排提供了有益的参考。近年来,对工程机械混合动力系统的研究中,无论国内还是国外,主要集中在挖掘机、叉车、推土机等产品上面,且我国对混合动力工程机械研究较晚,核心技术照国外还有一定的差距。在工程机械领域中,汽车起重机的这种机型是非常重要的,但是,由于其整车质量非常重,所以要求装机功率大、又由于其起动、制动比较频繁等原因,所以燃油消耗很大,同时,排放性能也非常差。混合动力起重机产品种类非常少,相关理论尚不完善,缺乏系统整体性研究,且局限于油电混合方式,没有液压混合动力产品。而液压混合动力系统功率密度大,在提高起重机燃油经济性的同时,还可以提供较大的驱动力,尤其适用于重负载的工程机械领域。为了提高汽车起重机整机性能、行业技术附加值和核心竞争力,进而促进整个工程机械行业的技术革新和产业化升级,开展汽车起重机液压混合动力的研究无论在理论上还是现实上都具有非常重要的意义。本论文的研究是在吉林大学与国内某知名企业的合作项目——“起重机底盘液压混合动力系统开发”的资助下,以50吨级汽车起重机底盘为研究对象,在相关理论研究的基础上,通过参数优化匹配、设计合理的控制策略、计算机仿真和实验对并联式液压混合动力系统的应用进行了较为详细、深入的研究,实现起重机节能减排目标,为以后的产业化升级提供理论和实践基础。论文主要取得了以下几个方面的进展:1、在充分分析国内外关于混合动力车辆的研究现状、混合动力系统关键技术的基础之上,提出了前置双轴式并联液压混合动力结构,充分利用变速箱的调节作用,较大幅度地提升起重机的动力性能,并非常适合车辆改装;2、从系统的角度建立了整车纵向力学模型、发动机、液压泵/马达、液压蓄能器等关键元件的数学模型,为系统参数匹配及系统仿真打下理论基础;3、在对汽车起重机液压混合动力系统关键元部件重要参数匹配分析的基础上,结合动力系统优化目标函数,利用提出的改进多目标粒子群算法(IMOPSO)对系统关键元部件的主要参数进行了优化匹配,参数优化结果将作为关键元部件最终选型的重要参考依据;4、通过对整机行驶模式的分析,制定了制动能量再生、利用与主动充能控制策略。为了提高转矩控制对系统参数大范围摄动的鲁棒性,采用分数阶PID控制方法,对液压泵/马达进行转矩控制,其控制效果优于智能PID控制方法;5、为了缩短混合动力系统的开发时间并节约成本,寻找最佳设计方案及设计参数,本文采用虚拟样机技术,应用LMS Imagine.Lab AMESim多体动力学仿真软件,建立前置并联式液压混合动力起重机的虚拟样机模型,并进行了相关的仿真分析和评估,找出了早期方案的不足,提前预测系统性能;6、基于国产某型号传统起重机,与企业联合开发了前置并联式液压混合动力起重机试验样机,并成功地将液压混合动力系统移植到起重机底盘中,设计了系统性能测试方案并进行了物理样机测试,验证了理论分析及仿真的正确性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH21
【文章目录】：
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摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 混合动力车辆研究现状
        1.2.1 混合动力汽车发展现状
        1.2.2 混合动力工程机械国内外发展现状
        1.2.3 混合动力起重机发展现状
    1.3 混合动力系统关键技术分析
        1.3.1 混合动力车辆底盘构型
        1.3.2 储能技术
        1.3.3 混合动力车辆的控制策略
    1.4 课题的提出及主要研究内容
        1.4.1 课题的提出
        1.4.2 主要研究内容
第2章液压混合动力起重机系统数学建模
    2.1 引言
    2.2 液压混合动力起重机系统原理
    2.3 液压混合动力起重机整车模型
        2.3.1 建模思想
        2.3.2 整车纵向动力学模型
        2.3.3 车轮模型
    2.4 驾驶员模型
    2.5 发动机模型
    2.6 液压二次元件模型
        2.6.1 伺服滑阀数学模型
        2.6.2 变量油缸数学模型
        2.6.3 液压二次元件数学模型
        2.6.4 液压二次元件的转矩控制
    2.7 液压蓄能器模型
        2.7.1 液压蓄能器的工作过程
        2.7.2 理想气体能量方程
        2.7.3 液压蓄能器热损失修正
        2.7.4 液压蓄能器SOC定义
        2.7.5 蓄能器低压系统
    2.8 转矩耦合器模型
    2.9 整车控制模型
    2.10 本章小结
第3章动力系统关键元件参数优化匹配
    3.1 引言
    3.2 系统关键部件参数匹配分析
        3.2.1 发动机功率的匹配
        3.2.2 液压蓄能器匹配
        3.2.3 液压二次元件参数匹配
    3.3 系统关键部件参数优化
        3.3.1 多目标优化问题及相关概念
        3.3.2 多目标优化问题求解方法
        3.3.3 改进多目标粒子群算法(IMOPSO)
        3.3.4 基于IMOPSO算法的系统关键部件参数优化匹配分析
    3.4 本章小结
第4章液压混合动力起重机制动能量控制策略
    4.1 引言
    4.2 整车行驶模式及能量管理策略分析
        4.2.1 整车行驶模式分析
        4.2.2 模式切换及能量管理策略
    4.3 混合动力系统控制策略
        4.3.1 制动能量再生策略
        4.3.2 制动能量利用策略
        4.3.3 主动充能控制策略
    4.4 本章小结
第5章液压混合动力起重机仿真
    5.1 引言
    5.2 整车底盘系统仿真建模
    5.3 混合动力车辆性能评价指标及仿真分析
        5.3.1 车辆整体性仿真分析
        5.3.2 制动效能评价指标
        5.3.3 动力性能评价指标
        5.3.4 燃油经济性评价指标
        5.3.5 平顺性评价指标
    5.4 本章小结
第6章液压混合动力起重机实验
    6.1 引言
    6.2 实验设计
        6.2.1 实验样车整体结构及主要参数
        6.2.2 实时控制系统
        6.2.3 测点布置与信号采集
        6.2.4 测试工况及方法
    6.3 整机测试与分析
        6.3.1 系统响应及噪声特性测试与分析
        6.3.2 制动性能测试与分析
        6.3.3 动力性能测试与分析
        6.3.4 节油效果测试与分析
        6.3.5 缓冲效果测试与分析
        6.3.6 主系统能量利用及损失分析
    6.4 本章小结
第7章总结与展望
    7.1 总结
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢

【参考文献】