特种履带车辆机电复合传动装...低温启动过程建模与优化控制_帅志斌.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：特种履带车辆机电复合传动装置低温启动过程建模与优化控制帅志斌，贺帅，李国辉，李耀恒，李勇，张颖，简洪超（中国北方车辆研究所 车辆传动重点实验室，北京）摘要：针对极低温环境下，特种履带车辆机电复合传动装置冷启动时间长的问题，提出一种新型的机电复合传动装置低温快速启动方案，通过对主要加热部件能量转换过程的分析，构建低温启动过程中液压油温升的数学模型。通过控制不同加热部件的功率和加热时机，建立多约束条件下的两种低温启动控制策略：基于规则的策略和基于动态规划的策略，设计多目标优化的指标函数，实现在动力电池能量、加热部件功率等多约束下的最优启动控制。仿真结果表明：多部件加热的低温快速启动方案具备可行性，所提出的启动策略能够实现预期的控制目标；基于动态规划的策略可缩短.的启动时间，同时启动过程耗能降低.，有助于提升机电复合传动装置低温启动的综合效能。关键词：履带车辆；机电复合传动；低温启动；动态系统建模；最优控制 中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；北京市科技新星计划项目（），（，）：（），.，.，兵 工 学 报第 卷：；引言随着世界新军事变革的深化和陆战形态的演变，坦克装甲车辆正朝着电动化的方向发展，而机电复合传动是特种履带车辆电传动系统的主要技术路线，也是目前特种车用电传动领域的研究热点。机电复合传动装置包括驱动电机、电力控制单元、行星齿轮变速机构、液压操纵与润滑系统（简称液压系统）、综合控制系统等，其结构如图 所示。图 采用双侧电机耦合驱动的机电复合传动装置结构 随着全球极端气候环境的不断增加，部分人类活动的高纬度、高海拔地区最低气温可低至 以下。低气温环境对特种车辆的适应能力提出了更加严苛的要求，其传动系统需要具备能在 的极寒低温环境中正常启动和工作的能力。极低温环境对传动系统的液压元件影响极为显著。特种履带车辆机电复合传动装置通过液压系统实现齿轮机构润滑、液压操纵换挡。与液力机械综合传动装置不同，机电复合传动装置的液压系统采用独立电动油泵作为动力源，具有布局灵活、流量动态调节的优势。低温时，由于液压油运动黏度受温度影响而急剧增大，导致电动油泵起动转矩陡增，甚至超过油泵电机的转矩上限，因此很难快速建立起稳定的液压流量和油压。在航空、船舶等领域，低温下液压元件工作都需要先解决液压油黏度增大的问题。解决低温启动问题一直是传动领域的研究热点。液力机械综合传动装置的液压油泵动力直接来自发动机，同船舶、工程机械等一样，这类动力传动构型的低温启动难点主要在于发动机，因此其低温启动设计方案多用于解决发动机的低温冷启动问题。发动机动力直接驱动油泵的液压构型，在低温下尽管不会导致发动机过载，但是依然存在液压油循环不充分的问题。大量实践表明，在低温情况下，由于油液运动黏度显著高于正常水平，即使油泵正常转动，也难以建立稳定的压力和流量，甚至出现油液堵塞润滑孔道的现象，极大地影响液压系统的正常工作，。为应对极低温使用工况，特种车辆的传动系统可采用外部加热和保温装置对油箱进行加温或保温，当油温高于一定温度后再挂入前进挡，德国、等公司已有系列化的液压油箱电加热装置。结合车用热管理系统设计，也可利用发动机工作的废热加热液压系统，但是这种加热方式需要额外的加热装置以及水（油）管路，增加了设计难度和系统复杂度，。此外，外置加热装置在传动系统完成低温启动后就会停止工作，以防止液压系统过热，因此外部加热装置使用频率较低，容易造成一定空间和功能的浪费。相较于液力机械综合传动装置低温启动对发动机的依赖程度，图 的机电复合传动装置在低温时无需发动机先启动，可以先利用动力电池的能量实现快速启动，而电池的低温启动时间远比发动机的低温启动时间短，此外，仅依靠加温锅加热发动机冷却水的方式无法改善整个传动装置低温启动效果，因此采用该方案的机电复合传动装置低温启动过程与液力机械综合传动装置启动过程区别较大，机电复合传动装置需要进行系统的结构设计与控制优化才能实现更快的低温启动效果。为解决机电复合传动装置在极低温环境下液压油运动黏度增大、启动时间变长的问题，虽然可通过增设外置加热装置、加热管路的方式实现低温启动，但是存在设计复杂、有效利用率低等问题，难以充分发挥机电复合传动的高集成、高可控优势。有学者提出采用驱动电机堵转生热方式对车用混合动力系统进行低温预加热的方案，其针对的是整个动力舱的加热，因此所需的加热功率和能量都较高。第 期特种履带车辆机电复合传动装置低温启动过程建模与优化控制为了使用尽可能少的能量实现机电复合传动装置的低温快速启动，本文提出采用多部件协同加热的解决方案，如图 所示，其优势在于充分利用系统内部的驱动电机、油泵电机、油泵等部件作为热源，对液压油进行多位置协同加热，而无需外置加热或保温装置。本文将围绕机电复合传动装置低温快速启动方案，对其低温启动过程进行数学建模，并设计控制策略以对不同加热部件的输出功率进行动态调控，实现系统的快速加温启动过程，并通过仿真平台对其进行验证。图 机电复合传动装置低温快速启动方案简图 问题描述与系统建模.机电复合传动装置低温启动过程分析低温环境下，机电复合传动装置液压油黏度增大，油泵的搅油转矩随油泵转速的升高急剧增大，由于油泵电机转矩输出能力有限，油泵只能在极低转速运行，随着油温升高、阻力转矩降低，油泵转速升高，直至油温到达某个合适的温度，液压系统建立起稳定的液压流量和油压。因此，机电复合传动装置低温启动过程的核心是缩短上述油温变化的时间，从液压系统能量交换的角度将图 的低温快速启动方案进行简化，得到图 的冷启动过程能量交换简图。液压系统由油箱总成和驱动机构总成组成，液压油由进油泵从油箱泵到油路内，流入集成于驱动电机壳体的油水换热器，经过耦合变速机构后流入油底壳内，再经回油泵抽回油箱中，如此循环往复。液压油在油路内仅能单向流动，在油水换热器内，可与驱动电机冷却水、驱动电机之间进行充分地热量图 低温启动过程能量分配简图 交换。油泵电机与驱动电机的能量均由车载动力电池提供，并由综合控制器进行能量的分配。低温启动过程中，由于液压系统未建立起稳定的油压和流量，耦合变速机构无法正常工作，因此驱动电机无法工作在电动模式，在此情况下，驱动电机堵转发热，利用驱动电机损耗产生的热量对油路内和油底壳附近的液压油进行加热。油泵电机集成于油箱内，一方面通过搅油产生的能量对油箱内的液压油加热，另一方面，油泵电机损耗产生的能量可通过油泵电机壳体直接传递到液压油，同时进行加热。综合来看，在低温启动时，油泵电机、进油泵、回油泵以及驱动电机组成多位置的加热源，共同加热液压油。此外，油箱总成与驱动机构总成与外界环境进行热交换，存在一定的热量耗散。低温启动过程的控制本质是将动力电池的能量以一定的效率转变为液压油的内能，使液压油温度升高，直至目标油温。由于在能量转换过程中，存在 个不同的加热部件，其加热功率、能量转换效率各有差异，液压流量也将影响温升过程，并且车载动力电池低温时放电能力有限，因此，机电复合传动低温启动是一个典型的多约束优化问题，需要建立其等效的数学模型，设计合理的控制策略实现预期的控制目标。.低温启动过程数学建模为简化计算模型，作如下假设：）油箱与驱动电机的安装距离近，液压系统管路的长度忽略不计。兵 工 学 报第 卷）机电复合传动装置的驱动电机通常是两台性能相同的电机，在低温启动过程中工作状态完全一致，建模分析中等效为一台驱动电机进行分析。）电机效率随工况的变化可以忽略。）液压油经回油泵流回油箱后，与油箱内的油进行充分混合，油箱内的油温均匀分布。）进油泵和回油泵由同一电机驱动，其排量相等，任意时刻液压油流出油箱的体积流量与流入油箱的体积流量相等。）构建理想化的能量控制模型，油泵电机控制器和驱动电机控制器能够完全响应综合控制器下发的功率指令，即油泵电机输出功率、驱动电机输出功率与对应的功率指令相等。）仅对传动装置在平原地区、常规气压环境下的使用工况进行研究，忽略环境气压变化对系统的影响。.电机能量转换数学模型机电复合传动装置的驱动电机和油泵电机均为永磁同步电机，由车载蓄电池通过直流母线供电，电机的输入电功率 为（）式中：为直流母线电压；为电机控制器的直流母线输入电流；为电机控制器效率。电机可以实现四象限工作，运行于第一象限的电动模式时，电机轴端输出的机械功率 可由式（）近似计算：，（）式中：为电机轴端的输出转矩；为轴端转速。电机工作于电动模式时伴随有损耗产生，其损耗发热功率为，（）式中：为电机发热功率比。一般情况下，电机损耗是副产物，很小，本文中电机发热是液压油加热的重要手段，因此采用主动控制对发热功率进行调节，控制电机绕组产生的铜损和铁损功率，达到提高电机发热功率的目的，理论上电机的发热功率可以达到电机的最大功率。通常情况下，由于风阻等其他损耗的存在，电机的机械效率和发热功率比满足：（）式中：为电机的机械效率，即 。低温启动过程中，油泵电机的输入功率主要转变为驱动油泵的机械功率和电机发热功率，其他形式的能量转换占比较小，因此在满足控制精度的前提下可认为：（）在电机堵转时，电机输入功率全部转化为发热功率，即（）.齿轮油泵能量转换数学模型油泵电机输出的机械功率通过连接轴等功率输入到机械式齿轮油泵，再通过搅油将油泵电机的机械能转变为液压油的内能，其功率转换过程可表示为（）式中：为液压油内能变化量；为油泵电机输入电功率；为工作时间；为油泵损耗能量占比。由液压油能量交换模型可计算得到油泵搅油引起的液压油温升，油泵搅油时油泵电机的输入电功率根据式（）转变为液压油的内能，其总转变效率为。齿轮油泵采用定量泵，其实际流量与泵转速之间存在如下关系：（）式中：为理论流量；为泄漏流量；为齿轮油泵的几何排量，与泵的结构相关且不可变；为泵主轴转速。.液压油泵能量转换数学模型液压油温升过程吸收的能量 （）式中：为液压油比热容；为液压油密度；为液压油体积；为温度变化量。液压油比热容、密度通常与温度有关，文献的研究表明，比热容在高温时对温度变化的敏感度较大，随着温度降低，其对温度的敏感度也降低，对于本文研究的低温工况，温度 对液压油比热容的影响可以忽略。因此，式（）可以进一步表示为 （）（）油泵电机转速不为 时，进油泵与回油泵同时工作，当两个油泵排量相等时，油箱内流量出入引起的热量变化 可由式（）计算得到：（）（）（）式中：、分别为流出、流入油箱的液压油能量；第 期特种履带车辆机电复合传动装置低温启动过程建模与优化控制、分别为油箱内、油底壳内液压油温度。.动力电池数学模型动力电池的等效电路 模型将动力电池等效为一个电压源和一个电阻串联而成，如图 所示。对于本文所研究的低温启动过程，车载发电机不工作，因此电池放电电流是由油泵电机和驱动电机的控制器输入电流相加得到，动力电池数学模型如式（）式（）所示：图 动力电池等效电路 模型 （）（）（）式中：为电池输出电压，与母线电压 相等；为电池开路电压；为电池等效内阻；为电池放电电流；为油泵电机控制器母线输入电流；为驱动电机控制器母线输入电流；为电池放电功率。电池放电过程中，已知放电功率可通过安时积分法计算动力电池的荷电状态（）值：（）（）（）（）式中：为电池容量；为初始 值。低温启动控制策略设计.基于规则的低温启动控制策略在车载能量管理中，利用测试数据和经验，可基于规则设计能量的调控策略。低温启动过程通过设定的规则实现对油泵电机功率、驱动电机功率的实时分配，完成对低温启动过程的控制。驱动电机在低温时无法进入电动模式工作，因此采用堵转发热的策略进行加热。驱动电机堵转发热功率 受电机的最大发热功率 约束，由于驱动电机仅有一种工作模式，为了加快启动过程，以最大功率进行恒功率加热，电机输入电能转化到油液内能的转化效率为，直至油温达到设定终止值 停止加热。油泵电机有两种工作模式：堵转发热和电动模式。油泵电机堵转发热过程与驱动电机相同，其功率 受最大发热功率 约束。在电动模式下，低温时油泵电机通常工作在最大转矩。低温启动初期油温较低，油泵的输出流量很低，因此，先控制油泵电