一種AGV小車電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李耕

一種AGV小車電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李耕

（鄭州中建軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000）

目前AGV小車多采用蓄電池供電，根據(jù)規(guī)劃路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。針對(duì)AGV小車加速時(shí)電能消耗過(guò)大和續(xù)航里程難以滿足日常生產(chǎn)需求等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型電液混合動(dòng)力系統(tǒng)，用來(lái)降低加速時(shí)的電功率消耗并有效回收制動(dòng)能量，從而延長(zhǎng)蓄電池的續(xù)航時(shí)間?；贏MESim和MATLAB/Simulink軟件建立了電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和控制模型，對(duì)AGV小車在循環(huán)工況下的動(dòng)力特性和能耗進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，在液壓動(dòng)力的混合驅(qū)動(dòng)下，新型電液混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅具有較好的動(dòng)力性能，而且相比純電動(dòng)系統(tǒng)的能耗有所降低，對(duì)小車的續(xù)航里程改善有積極意義。

AGV；電液混合動(dòng)力；電功率；扭矩；續(xù)航里程

社會(huì)在發(fā)展的進(jìn)程中面臨人口老齡化、勞動(dòng)力成本上升及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)壓力大等多方面的問(wèn)題，機(jī)器人為這類問(wèn)題提供了解決方法[1]。在現(xiàn)代化工業(yè)中，提倡高效、快速、可靠，主張將人從簡(jiǎn)單的工作中解放出來(lái)，因此機(jī)器人逐漸替代人出現(xiàn)在各個(gè)工作崗位上，其具有可編程、可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點(diǎn)。

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)向車）作為移動(dòng)機(jī)器人的代表，是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器和人工智能等多學(xué)科技術(shù)為一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要自動(dòng)化裝備，常用于搬運(yùn)各類物料，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的柔性化、集成化和高效，已經(jīng)成為現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備[2-3]。

目前，AGV小車普遍采用蓄電池供電的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用。然而，受限于蓄電池技術(shù)本身的發(fā)展現(xiàn)狀及電機(jī)在重載起步和加速時(shí)的工作特性，現(xiàn)有AGV小車?yán)m(xù)航里程短、日常運(yùn)行時(shí)充電次數(shù)多、效率不高。小車起步和加速時(shí)，電機(jī)需要輸出較大的峰值扭矩和功率才能滿足驅(qū)動(dòng)要求，嚴(yán)重縮短其儲(chǔ)存電量的使用時(shí)間。

液壓系統(tǒng)具有功率密度高、調(diào)速簡(jiǎn)單及大輸出扭矩等優(yōu)勢(shì)[4]，系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)物理方式存儲(chǔ)和釋放能量，不僅充放效率較高，而且可以快速有效地回收能量?？紤]到AGV小車在運(yùn)輸貨物時(shí)具有啟停頻繁及載重較大等特性，可通過(guò)設(shè)計(jì)電液混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)改善小車的能量利用效率。當(dāng)AGV小車制動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓泵/馬達(dá)工作于泵模式完成回收制動(dòng)能量并存儲(chǔ)在高壓蓄能器內(nèi)。當(dāng)AGV小車起步或加速時(shí)，通過(guò)高壓蓄能器釋放高壓油液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)提供輔助動(dòng)力，可以有效減小電機(jī)輸出扭矩，從而減小蓄電池耗電量、提高能量利用效率，延長(zhǎng)小車的續(xù)航里程[5]。

關(guān)于AGV小車電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究成果幾乎未見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)AGV小車的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型電液混合動(dòng)力系統(tǒng)，將高壓蓄能器、液壓泵/馬達(dá)等液壓元件與純電動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力耦合，共同提供小車行駛所需動(dòng)力，并具備液壓再生制動(dòng)能力。通過(guò)仿真計(jì)算分析其動(dòng)力輸出和再生制動(dòng)特性，為AGV小車新型動(dòng)力系統(tǒng)的研究提供技術(shù)參考。

1 電液混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)的電液混合動(dòng)力系統(tǒng)形式為雙電機(jī)＋雙液壓泵/馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)小車的兩個(gè)前輪，原理如圖1所示?？梢钥闯觯邏盒钅芷魍ㄟ^(guò)釋放高壓油液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)輸出動(dòng)力扭矩，并與電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行耦合，共同驅(qū)動(dòng)小車。

考慮到串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)存在機(jī)械能－液壓能－機(jī)械能的多次能量轉(zhuǎn)化過(guò)程[6]，驅(qū)動(dòng)效率較低，混聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)則元件眾多，導(dǎo)致空間占用較大，且控制困難，因此，本文最終選取并聯(lián)式的電能－液壓能動(dòng)力混合形式。模擬現(xiàn)有汽車的布局，采用雙電機(jī)雙液壓泵/馬達(dá)的布置結(jié)構(gòu)，提高了混動(dòng)系統(tǒng)的輸出扭矩，增強(qiáng)了AGV的動(dòng)力性能。

1～4.機(jī)械制動(dòng)器；5、6.電機(jī)；7、8.液壓泵/馬達(dá)；9.三位四通電磁換向閥；10.二位二通開(kāi)關(guān)閥；11.壓力表；12.溢流閥；13.高壓蓄能器；14.低壓蓄能器；15.蝸輪蝸桿動(dòng)力耦合器。

1.2 系統(tǒng)工作模式

為充分發(fā)揮液壓動(dòng)力系統(tǒng)輸出扭矩大、調(diào)速簡(jiǎn)單、能量回收效率高和純電動(dòng)系統(tǒng)高速驅(qū)動(dòng)效率高的優(yōu)勢(shì)，制定了液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同運(yùn)行環(huán)境下的工作模式，從而使系統(tǒng)的整體能量利用效率盡可能達(dá)到較高水平，提高AGV小車的續(xù)航能力。如圖2所示。

小車起步時(shí)，電機(jī)需要輸出較大的扭矩，導(dǎo)致電機(jī)處于極端工作環(huán)境。此時(shí)根據(jù)駕駛員加速信號(hào)及高壓蓄能器壓力判斷液壓系統(tǒng)能否提供起步所需全部動(dòng)力。若能，則關(guān)掉電機(jī)，使液壓系統(tǒng)單獨(dú)提供動(dòng)力；若不能，則液壓系統(tǒng)提供盡可能多的驅(qū)動(dòng)扭矩，以有效改善電機(jī)的工作狀態(tài)。功率流動(dòng)情況如圖2（a）所示。

加速時(shí)，在保證電機(jī)輸出扭矩盡可能不波動(dòng)的前提下，剩余扭矩由液壓泵/馬達(dá)提供，保持電機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，減小因電機(jī)工況突變引起的額外電量消耗，如圖2（b）所示。

小車在拖拽貨物勻速行駛時(shí)，電機(jī)工作狀態(tài)較為單一，此時(shí)為電機(jī)提供全部動(dòng)力，如圖2（c）所示。

由于AGV小車在制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能較大，此部分能量可通過(guò)液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為液壓能，并存儲(chǔ)在高壓蓄能器內(nèi)，如圖2（d）所示。液壓泵/馬達(dá)工作在泵模式對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，并在下一加速過(guò)程釋放，提高能量利用率。同時(shí)，由于液壓泵/馬達(dá)工作在泵模式時(shí)可提供再生制動(dòng)扭矩，可以減少機(jī)械制動(dòng)裝置在制動(dòng)過(guò)程中的磨損。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)

AGV小車在行駛時(shí)需要克服來(lái)自道路的多個(gè)行駛阻力，計(jì)算為：

其中，小車加速時(shí)的質(zhì)量由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和平移質(zhì)量組成，兩部分質(zhì)量都要產(chǎn)生慣性力或慣性力矩。為簡(jiǎn)便計(jì)算，一般將旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量的慣性力。

進(jìn)而可得：

式中：為AGV小車行駛時(shí)的負(fù)載扭矩；R為車輪半徑。

2.2 電機(jī)功率

電機(jī)輸出功率應(yīng)大于小車所受到最大合外力產(chǎn)生的負(fù)載需求功率。混合動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)最大輸出功率的取值一般應(yīng)滿足其在勻速行駛時(shí)的功率需求[7]。計(jì)算為：

2.3 蓄電池能量

當(dāng)前應(yīng)用于電動(dòng)車輛的能源裝置主要包括磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池和超級(jí)電容等。有[9]：

2.4 液壓泵/馬達(dá)扭矩

液壓泵/馬達(dá)應(yīng)能提供AGV小車在載運(yùn)貨物起步時(shí)所需的全部扭矩。起步時(shí)，根據(jù)高壓蓄能器的壓力動(dòng)態(tài)控制液壓泵/馬達(dá)的排量，使其輸出扭矩等于負(fù)載需求扭矩，計(jì)算為：

2.5 高壓蓄能器

高壓蓄能器是液壓動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源，有經(jīng)驗(yàn)公式[10]：

蓄能器容量應(yīng)能回收典型循環(huán)工況的平均制動(dòng)能量[11]，即應(yīng)滿足：

聯(lián)立式（9）和式（10）可得：

聯(lián)立式（10）和式（11）可得：

3 仿真計(jì)算與分析

3.1 仿真模型

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏功能，設(shè)計(jì)了兩套動(dòng)力系統(tǒng)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪。仿真時(shí)，將AGV小車總重量減少一半，只設(shè)置一套動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。按照本文設(shè)計(jì)思路，小車起步時(shí)僅有液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，達(dá)到一定車速后快速啟動(dòng)電機(jī)。

本文采用AMESim和MATLAB/Simulink軟件對(duì)AGV小車的電液混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

目前，應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛的控制策略主要包括基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略（瞬時(shí)最優(yōu)及全局最優(yōu)）。其中，基于規(guī)則的控制策略已廣泛應(yīng)用于實(shí)車控制，且易于實(shí)現(xiàn)，十分適用于車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的切換控制。本文采取基于規(guī)則的能量管理控制策略，將車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)抽象為離散事件。驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的控制策略如圖4所示。

考慮到AGV小車主要應(yīng)用于物流運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)管理等場(chǎng)合，其工作環(huán)境對(duì)小車的運(yùn)行速度要求不高。從安全保障的角度出發(fā)，AGV小車長(zhǎng)期處于較低的平均運(yùn)行速度，空載時(shí)的速度相比載重時(shí)更大，且重載運(yùn)行時(shí)的加減速過(guò)程更為平緩。因此，制定了AGV小車電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算循環(huán)行駛工況，以勻加速和勻減速為主，工況速度曲線如圖5所示。

圖4 控制策略

圖5 循環(huán)工況曲線

3.2 結(jié)果分析

AGV小車電液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式及純電驅(qū)動(dòng)模式下的仿真車速曲線如圖6所示?？梢钥闯?，該電液混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足AGV小車起步和加速時(shí)的動(dòng)力需求，仿真車速與要求車速貼合度較高。駕駛員基于高壓蓄能器的當(dāng)前壓力及車速等參數(shù)決定每次起步時(shí)的加速信號(hào)值，并傳輸給電機(jī)和液壓泵/馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)扭矩分配。

圖6 速度曲線

電機(jī)的輸出扭矩曲線如圖7所示。可以看出，電機(jī)輸出扭矩隨著加速信號(hào)值的變化而發(fā)生改變。純電動(dòng)力模式下，AGV小車載重起步所需的驅(qū)動(dòng)扭矩較大，此時(shí)若電機(jī)提供全部扭矩，則蓄電池耗電量極大。改為電液混合動(dòng)力模式后，電機(jī)在小車起步時(shí)的輸出扭矩較小，剩余的需求扭矩由液壓泵/馬達(dá)提供，液壓動(dòng)力系統(tǒng)與純電動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)小車，因電機(jī)大輸出扭矩引起的蓄電池續(xù)航問(wèn)題得到明顯改善。

圖7 電機(jī)扭矩

液壓泵/馬達(dá)的輸出扭矩如圖8所示?？梢钥闯觯簤罕?馬達(dá)可在AGV小車加速時(shí)提供輔助驅(qū)動(dòng)扭矩，避免電機(jī)的扭矩沖擊，從而改善蓄電池的工作環(huán)境。加速時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在馬達(dá)工況，輸出扭矩為正值；制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況，輸出扭矩為負(fù)值。該液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)可根據(jù)駕駛員意圖等信號(hào)在加速時(shí)有效輸出輔助扭矩，在制動(dòng)時(shí)回收能量并提供再生制動(dòng)扭矩，減輕機(jī)械制動(dòng)裝置磨損。

高壓蓄能器的壓力變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)液壓泵/馬達(dá)工作于馬達(dá)工況提供輔助驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，高壓蓄能器壓力逐漸降低；當(dāng)液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況時(shí)，小車處于制動(dòng)狀態(tài)，車輛動(dòng)能經(jīng)液壓再生制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)化為液壓能，并存儲(chǔ)在高壓蓄能器內(nèi)，高壓蓄能器壓力逐漸升高，有效提高AGV小車的能量利用效率。且液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)的介入可以有效減小機(jī)械制動(dòng)裝置的磨損和發(fā)熱，保證行車安全。

圖8 液壓泵/馬達(dá)扭矩

圖9 高壓蓄能器壓力

蓄電池在純電和電液混合動(dòng)力模式下的SOC（State of Charge，剩余電量）變化情況如圖10所示?？梢钥闯觯?0 s后，純電模式下蓄電池的SOC為99.66%，電液混合模式下為99.74%。如果蓄電池有效續(xù)航工作時(shí)間為8 h，則電液混合動(dòng)力可提升續(xù)航時(shí)間將近1倍。顯然，由于液壓泵/馬達(dá)的能量回收和加速輔助作用，電液混合動(dòng)力AGV小車的續(xù)航能力有明顯改善，可以有效減少充電次數(shù)、提高電池壽命，特別對(duì)于大負(fù)載AGV具有實(shí)際的工程價(jià)值。

4 結(jié)論

針對(duì)AGV小車在重載起步和加速時(shí)的扭矩沖擊對(duì)蓄電池工作狀態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了一種電液混合動(dòng)力系統(tǒng)，能在車輛加速時(shí)利用釋放的液壓能代償電機(jī)的輸出功率，車輛制動(dòng)時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，改善小車的續(xù)航能力。

利用AMESim和MATLAB/Simulink軟件對(duì)AGV小車電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性能和控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)指定循環(huán)行駛工況下的節(jié)能特性進(jìn)行分析。與純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，電液混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)提供輔助動(dòng)力可以有效減少小車在重載時(shí)的電機(jī)大輸出扭矩現(xiàn)象，從而改善該現(xiàn)象引起的蓄電池電量消耗過(guò)大的問(wèn)題。制動(dòng)時(shí)通過(guò)液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)可有效回收制動(dòng)能量，提高能量利用率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

圖10 SOC曲線

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Design of AGV Electro-Hydraulic Hybrid Power System

LI Geng

(Zhengzhou CSCEC Rail Transit Co., Ltd.,Zhengzhou 450000, China)

At present, most AGVs are powered by batteries and walk automatically according to the planned path. Aiming at the problems that the AGV consumes too much power when accelerating and the endurance is difficult to meet the daily production needs, a new type of electro-hydraulic hybrid power system is designed to reduce the electric power consumption during acceleration and effectively recover the braking energy so as to extend the battery life. Based on the AMESim and MATLAB/Simulink software, the dynamics and control model of the electro-hydraulic hybrid power system is established, and the dynamic characteristics and energy consumption of the AGV under cyclic conditions are jointly simulated. The simulation results show that due to the hybrid drive of the hydraulic power, the new electro-hydraulic hybrid system not only has better power performance, but also reduces the energy consumption compared to the pure electric system, which has great significance on extending the endurance of the AGVs.

AGV；electro-hydraulic hybrid；electric power；torque；endurance

U267.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.012

1006-0316 (2023) 10-0069-06

2022-09-28

李耕（1987－），男，河南鄭州人，工程師，主要研究方向?yàn)榧夹g(shù)工程，E-mail：33891964@qq.com。