車(chē)載自發(fā)電取力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制策略研究

杜遙，尹新權(quán)，王東亮，李永香

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州電源車(chē)輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050）

前言

車(chē)載自發(fā)電也稱(chēng)車(chē)載取力發(fā)電是指利用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的車(chē)載發(fā)電裝置，該發(fā)動(dòng)機(jī)既為車(chē)輛又為發(fā)電裝置提供動(dòng)力，其組成主要由汽車(chē)底盤(pán)、取力傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速與控制系統(tǒng)以及輸出單元等組成，其原理如圖1所示，能夠在行車(chē)（含倒車(chē)）或駐車(chē)狀態(tài)下，以發(fā)動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力向用電設(shè)備提供所需的電能。近年來(lái)，隨著用電設(shè)備車(chē)載化的不斷發(fā)展，其車(chē)載用電設(shè)備的供電需求也越來(lái)越大，使得車(chē)載自發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)在專(zhuān)用車(chē)或特種車(chē)輛的改裝中日益受到重視，并在車(chē)載自發(fā)電電站中得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。

圖1 車(chē)載發(fā)電取力傳動(dòng)與調(diào)速控制原理示意圖

本人結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以汽車(chē)二類(lèi)底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)后（飛輪端）取力發(fā)電為例，談?wù)勡?chē)載取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其控制策略的選擇，供同行參考。

1 取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

車(chē)載取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由傳動(dòng)軸、液壓泵、馬達(dá)、散熱器、液壓油箱、進(jìn)回油管路等組成，與全功率取力器法蘭和發(fā)電機(jī)的連接關(guān)系如圖2所示。取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)電站指標(biāo)要求、底盤(pán)空間、安全性、可靠性以及可維修性等技術(shù)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行綜合考慮，要求取力傳動(dòng)系統(tǒng)布置靈活，工作可靠[3]，同時(shí)也要求調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括取力液壓傳動(dòng)和液壓調(diào)速與控制系統(tǒng)兩個(gè)方面。

圖2 取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)連接關(guān)系示意圖

1.1 取力液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 泵控馬達(dá)閉式循環(huán)系統(tǒng)原理圖

車(chē)載取力發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由斜盤(pán)式變量泵和定量馬達(dá)組成，其閉式循環(huán)系統(tǒng)原理如圖3所示，由變量泵將液壓油從油箱中吸出，經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入液壓泵，在液壓泵的動(dòng)力作用下提高壓力并輸送至液壓馬達(dá)，進(jìn)而帶動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)濾器返回油箱。變量泵采用電子位移控制閥對(duì)其液壓油缸進(jìn)行控制，通過(guò)液壓泵排量的變化來(lái)控制液壓馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速，進(jìn)而滿(mǎn)足原動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的情況下，確保液壓馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速的恒定，因此，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是系統(tǒng)工作壓力、流量以及泵和馬達(dá)最佳參數(shù)的求取，這里重點(diǎn)介紹變量泵最大流量和馬達(dá)最大排量的確定方法[4,5]。

（1）依據(jù)電站發(fā)電指標(biāo)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知馬達(dá)的最大輸出功率或者最大負(fù)載力矩，可求得液壓馬達(dá)的單位排量。

式中Vm—馬達(dá)單位排量（ml/r）；

Tmax—最大負(fù)載力矩（N·m）；ps—傳動(dòng)系統(tǒng)工作壓力（Mpa）。

為了計(jì)算簡(jiǎn)單也可直接求取馬達(dá)的最大進(jìn)口流量

式中Vmax—馬達(dá)最大排量（ml/r）；

nm,max—馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速（rad/min）；Km—與馬達(dá)相關(guān)的泄漏系數(shù)。

根據(jù)Vm、nm,max、通過(guò)馬達(dá)選型手冊(cè)選出液壓馬達(dá)的產(chǎn)品型號(hào)；

（2）變量泵最大流量

式中Kp—與變量泵相關(guān)的泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；

依據(jù)Qpmax、ps通過(guò)泵選型手冊(cè)選出變量泵的轉(zhuǎn)速np以及變量泵斜盤(pán)最大轉(zhuǎn)角θmax；再算出泵的最大單位排量Vpmax，進(jìn)而算出液壓泵的排量梯度和流量增益。

1.2 液壓調(diào)速與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 電液比例泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)原理圖

車(chē)載自發(fā)電取力傳動(dòng)系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)柴油電站發(fā)電機(jī)組調(diào)速器有所不同，因此，需要對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的各種因素進(jìn)行分析，以便制定確保發(fā)電頻率的控制方法，綜合各調(diào)速回路的優(yōu)劣，容積調(diào)速對(duì)保證傳動(dòng)系統(tǒng)輸出功率的影響幅度最小，圖4是電液比例泵控馬達(dá)容積調(diào)速原理圖，通過(guò)在泵和馬達(dá)上集成轉(zhuǎn)速傳感器，各傳感器檢測(cè)到液壓泵和液壓馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速后，將該轉(zhuǎn)速信號(hào)送入控制器中，由控制器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)將該信號(hào)與預(yù)設(shè)值比較后，利用內(nèi)部軟件程序?qū)ζ钚盘?hào)解析處理后，輸出相應(yīng)的控制電流信號(hào)來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)變量泵的排量，從而使液壓馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速上，該系統(tǒng)的變量控制為電控閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象和反饋信號(hào)是液壓馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速（即發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速），控制過(guò)程由控制器的內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。在液壓調(diào)速回路與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮調(diào)速回路的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和控制器的可編程性及車(chē)載化要求[5]。

圖5 泵控馬達(dá)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成框圖

2 車(chē)載取力發(fā)電裝置的技術(shù)選型

2.1 底盤(pán)和取力器的選型

汽車(chē)底盤(pán)的選型是整個(gè)車(chē)載取力發(fā)電的關(guān)鍵，需要對(duì)汽車(chē)底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、變速器型號(hào)、使用工況以及與之匹配的取力器參數(shù)等進(jìn)行全面了解后再進(jìn)行技術(shù)選型，特別是對(duì)于有行車(chē)發(fā)電要求的電站，盡可能的選擇與原動(dòng)機(jī)相配套的全功率取力器，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析對(duì)比，選取最佳功率段和工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，確保在不影響正常行車(chē)的條件下滿(mǎn)足行車(chē)發(fā)電要求，考慮到車(chē)輛載重未達(dá)到滿(mǎn)載狀態(tài)，對(duì)車(chē)輛最高車(chē)速、加速性能影響有限，一般要求行車(chē)發(fā)電的功率不能大于原動(dòng)機(jī)功率的20%，確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，進(jìn)行原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率匹配計(jì)算等。

取力傳動(dòng)軸的要求是在聯(lián)接的兩軸相對(duì)位置在預(yù)計(jì)范圍變動(dòng)時(shí)能可靠地傳遞扭矩，所聯(lián)接的兩軸盡可能等速旋，由于兩軸之間存在的夾角而產(chǎn)生加載荷、震動(dòng)和噪聲降到許可范圍內(nèi)；傳動(dòng)效率高，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。同時(shí)不同用途的專(zhuān)用車(chē)輛需配置不同性能參數(shù)的取力器。取力器的性能和參數(shù)主要根據(jù)車(chē)輛的用途而定，并且必須與所選車(chē)輛底盤(pán)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器或分動(dòng)器的性能參數(shù)相匹配[6,7]。

這里重點(diǎn)介紹原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率匹配的計(jì)算方法。

式中：K—傳動(dòng)系統(tǒng)工況系數(shù)（取1.1～1.3）；PG—發(fā)電機(jī)輸出功率（kW）；ζ—液壓管路損失；

PE—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率（kW）；ηA—取力器傳動(dòng)效率；ηhp—泵傳動(dòng)效率；ηM—馬達(dá)傳動(dòng)效率；

ηG— 發(fā)電機(jī)工作效率；

由上式可得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率PE為：

2.2 液壓傳動(dòng)裝置的選型

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)選型的前提是已經(jīng)確定了動(dòng)力傳動(dòng)的方式，對(duì)于只有駐車(chē)發(fā)電要求的電站較為簡(jiǎn)單，在此不做贅述，而對(duì)于有行車(chē)發(fā)電需求的電站，如果采用液壓傳動(dòng)，需要對(duì)泵和馬達(dá)進(jìn)行選型和匹配特性進(jìn)行分析，在泵和馬達(dá)選型時(shí)需依據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，分析液壓調(diào)速回路的工作特性和控制策略，如果采用其它的傳動(dòng)方式，需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，這里重點(diǎn)介紹泵控馬達(dá)液壓容積調(diào)速系統(tǒng)，其容積調(diào)速回路工作特性如圖6所示，該系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞又能實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，通過(guò)改變泵調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整其輸出流量，使其馬達(dá)的負(fù)載發(fā)生變化，在泵的調(diào)速階段 0～VPmax區(qū)域內(nèi)，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速隨著變量泵的排量比XP的增大而線(xiàn)性增大，對(duì)于恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩而言馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩是恒定的，泵的斜盤(pán)傾角由比例放大器、伺服閥、液壓缸和位移傳感器以及馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行反饋，而速度反饋信號(hào)和速度指令信號(hào)的差值經(jīng)積分放大器加到調(diào)速及機(jī)構(gòu)的輸入端，使泵的速度向減小速度誤差的方向變化，如圖5所示，因此傳動(dòng)系統(tǒng)泵和馬達(dá)的選型需滿(mǎn)足其調(diào)速回路以及閉環(huán)控制的要求[8]。

圖6 變量泵-定量馬達(dá)容積調(diào)速回路工作特性

3 車(chē)載取力發(fā)電的控制策略

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)取力系統(tǒng)智能控制

針對(duì)重型專(zhuān)用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)取力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速智能控制問(wèn)題，提出了基于閉環(huán)反饋式自動(dòng)控制方式的解決辦法，該系統(tǒng)依據(jù)工作機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的比對(duì)，在控制集成塊中測(cè)算處理數(shù)字信號(hào)差，利用可編程控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二次調(diào)速功能，隨著產(chǎn)品的進(jìn)一步完善，可大大提高車(chē)載取力工作機(jī)的工作效率和工作質(zhì)量，具有很高的實(shí)用價(jià)值[9]。

3.2 液壓調(diào)速與PLUS+1控制器控制

液壓調(diào)速與PLUS+1控制器控制可以實(shí)現(xiàn)電站發(fā)動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)速和高品質(zhì)電能的輸出，由于PLUS+1控制器內(nèi)置軟件具有可編程性，

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且控制精度高，響應(yīng)速度快，傳感器實(shí)時(shí)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（由發(fā)動(dòng)機(jī)電噴控制模塊提供）和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)內(nèi)部軟件輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓泵變排量，使液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)所要求的工作轉(zhuǎn)速上。而PLUS+1 是專(zhuān)門(mén)用于行走機(jī)械控制的電控產(chǎn)品，具有較為完備的系列，具有操縱靈活、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。該設(shè)備為通常意義上的控制器，具有CAN2.0端口，在分布式車(chē)輛控制系統(tǒng)中，既可以成為系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，又可以作為獨(dú)立的控制器參與整車(chē)控制。通過(guò)PLUS+1的軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的特定參數(shù)進(jìn)行可靠的精確控制，如速度控制、位置控制、加減速控制、壓力控制、發(fā)動(dòng)機(jī)防熄火控制等。

4 結(jié)論及展望

（1）車(chē)載發(fā)電取力傳動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需依據(jù)發(fā)電指標(biāo)，充分考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和可靠性對(duì)發(fā)馬達(dá)輸出特性的影響，根據(jù)調(diào)速回路特性選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳調(diào)速方法，求取系統(tǒng)工作壓力、流量以及液壓泵和馬達(dá)最佳工作參數(shù)，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2）車(chē)載取力發(fā)電裝置在技術(shù)選型上需根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選取原動(dòng)機(jī)的取力點(diǎn)和與之對(duì)應(yīng)的最佳工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，并進(jìn)行功率匹配計(jì)算，要求行車(chē)發(fā)電的功率不能大于原動(dòng)機(jī)功率的20%，同時(shí)對(duì)于液壓傳動(dòng)裝置需滿(mǎn)足其調(diào)速回路以及閉環(huán)控制的要求。

（3）從控制的集成性出發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)取力系統(tǒng)智能控制是較為理想的控制策略，但需要從原動(dòng)機(jī)廠家獲取更多的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)于改裝而言成本較高；從改裝的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)液壓調(diào)速與PLUS+1控制器控制不需要更多的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)車(chē)載行車(chē)發(fā)電需求，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，液壓調(diào)速與PLUS+1控制器技術(shù)成熟，特別是PLUS+1控制器的可編程性好，更能適應(yīng)車(chē)載化要求。

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