杜遙，尹新權，王東亮，李永香

（1.蘭州工業(yè)學院汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050）

前言

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

圖1 車載發(fā)電取力傳動與調速控制原理示意圖

本人結合實際工程經驗，以汽車二類底盤發(fā)動機后（飛輪端）取力發(fā)電為例，談談車載取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)的設計及其控制策略的選擇，供同行參考。

1 取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)的設計

車載取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)主要由傳動軸、液壓泵、馬達、散熱器、液壓油箱、進回油管路等組成，與全功率取力器法蘭和發(fā)電機的連接關系如圖2所示。取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)設計時需根據(jù)電站指標要求、底盤空間、安全性、可靠性以及可維修性等技術指標來進行綜合考慮，要求取力傳動系統(tǒng)布置靈活，工作可靠[3]，同時也要求調速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)穩(wěn)定性，設計的重點包括取力液壓傳動和液壓調速與控制系統(tǒng)兩個方面。

圖2 取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)連接關系示意圖

1.1 取力液壓傳動系統(tǒng)的設計

圖3 泵控馬達閉式循環(huán)系統(tǒng)原理圖

車載取力發(fā)電液壓傳動系統(tǒng)由斜盤式變量泵和定量馬達組成，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，經過濾器進入液壓泵，在液壓泵的動力作用下提高壓力并輸送至液壓馬達，進而帶動馬達旋轉，再經過濾器返回油箱。變量泵采用電子位移控制閥對其液壓油缸進行控制，通過液壓泵排量的變化來控制液壓馬達的工作轉速，進而滿足原動機在一定范圍內轉速發(fā)生變化的情況下，確保液壓馬達工作轉速的恒定，因此，液壓傳動系統(tǒng)設計的關鍵是系統(tǒng)工作壓力、流量以及泵和馬達最佳參數(shù)的求取，這里重點介紹變量泵最大流量和馬達最大排量的確定方法[4,5]。

（1）依據(jù)電站發(fā)電指標和液壓傳動系統(tǒng)的設計要求可知馬達的最大輸出功率或者最大負載力矩，可求得液壓馬達的單位排量。

式中Vm—馬達單位排量（ml/r）；

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

為了計算簡單也可直接求取馬達的最大進口流量

式中Vmax—馬達最大排量（ml/r）；

nm,max—馬達最大轉速（rad/min）；Km—與馬達相關的泄漏系數(shù)。

根據(jù)Vm、nm,max、通過馬達選型手冊選出液壓馬達的產品型號；

（2）變量泵最大流量

式中Kp—與變量泵相關的泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；

依據(jù)Qpmax、ps通過泵選型手冊選出變量泵的轉速np以及變量泵斜盤最大轉角θmax；再算出泵的最大單位排量Vpmax，進而算出液壓泵的排量梯度和流量增益。

1.2 液壓調速與控制系統(tǒng)設計

圖4 電液比例泵控馬達容積調速系統(tǒng)原理圖

車載自發(fā)電取力傳動系統(tǒng)的原動機是汽車發(fā)動機，與傳統(tǒng)柴油電站發(fā)電機組調速器有所不同，因此，需要對影響發(fā)動機轉速控制的各種因素進行分析，以便制定確保發(fā)電頻率的控制方法，綜合各調速回路的優(yōu)劣，容積調速對保證傳動系統(tǒng)輸出功率的影響幅度最小，圖4是電液比例泵控馬達容積調速原理圖，通過在泵和馬達上集成轉速傳感器，各傳感器檢測到液壓泵和液壓馬達的工作轉速后，將該轉速信號送入控制器中，由控制器對該信號進行處理，通過將該信號與預設值比較后，利用內部軟件程序對偏差信號解析處理后，輸出相應的控制電流信號來及時調節(jié)變量泵的排量，從而使液壓馬達的工作轉速穩(wěn)定在預設轉速上，該系統(tǒng)的變量控制為電控閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制對象和反饋信號是液壓馬達的工作轉速（即發(fā)電機的工作轉速），控制過程由控制器的內部軟件實現(xiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。在液壓調速回路與控制系統(tǒng)設計時須考慮調速回路的動態(tài)穩(wěn)定性和控制器的可編程性及車載化要求[5]。

圖5 泵控馬達閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成框圖

2 車載取力發(fā)電裝置的技術選型

2.1 底盤和取力器的選型

汽車底盤的選型是整個車載取力發(fā)電的關鍵，需要對汽車底盤發(fā)動機型號、變速器型號、使用工況以及與之匹配的取力器參數(shù)等進行全面了解后再進行技術選型，特別是對于有行車發(fā)電要求的電站，盡可能的選擇與原動機相配套的全功率取力器，同時對發(fā)動機萬有特性曲線進行分析對比，選取最佳功率段和工作轉速區(qū)間，確保在不影響正常行車的條件下滿足行車發(fā)電要求，考慮到車輛載重未達到滿載狀態(tài)，對車輛最高車速、加速性能影響有限，一般要求行車發(fā)電的功率不能大于原動機功率的20%，確定動力傳動系統(tǒng)的效率，進行原動機與發(fā)電機的功率匹配計算等。

取力傳動軸的要求是在聯(lián)接的兩軸相對位置在預計范圍變動時能可靠地傳遞扭矩，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生加載荷、震動和噪聲降到許可范圍內；傳動效率高，壽命長，結構簡單，制造方便。同時不同用途的專用車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)車輛的用途而定，并且必須與所選車輛底盤的發(fā)動機、變速器或分動器的性能參數(shù)相匹配[6,7]。

這里重點介紹原動機與發(fā)電機的功率匹配的計算方法。

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

PE—發(fā)動機輸出功率（kW）；ηA—取力器傳動效率；ηhp—泵傳動效率；ηM—馬達傳動效率；

ηG— 發(fā)電機工作效率；

由上式可得發(fā)動機的輸出功率PE為：

2.2 液壓傳動裝置的選型

液壓傳動系統(tǒng)選型的前提是已經確定了動力傳動的方式，對于只有駐車發(fā)電要求的電站較為簡單，在此不做贅述，而對于有行車發(fā)電需求的電站，如果采用液壓傳動，需要對泵和馬達進行選型和匹配特性進行分析，在泵和馬達選型時需依據(jù)系統(tǒng)總體設計要求，分析液壓調速回路的工作特性和控制策略，如果采用其它的傳動方式，需要進行詳細設計，這里重點介紹泵控馬達液壓容積調速系統(tǒng)，其容積調速回路工作特性如圖6所示，該系統(tǒng)既能實現(xiàn)動力的傳遞又能實現(xiàn)調速功能，通過改變泵調節(jié)參數(shù)調整其輸出流量，使其馬達的負載發(fā)生變化，在泵的調速階段 0～VPmax區(qū)域內，馬達的輸出轉速隨著變量泵的排量比XP的增大而線性增大，對于恒定的負載轉矩而言馬達的輸出轉矩是恒定的，泵的斜盤傾角由比例放大器、伺服閥、液壓缸和位移傳感器以及馬達轉速傳感器進行反饋，而速度反饋信號和速度指令信號的差值經積分放大器加到調速及機構的輸入端，使泵的速度向減小速度誤差的方向變化，如圖5所示，因此傳動系統(tǒng)泵和馬達的選型需滿足其調速回路以及閉環(huán)控制的要求[8]。

圖6 變量泵-定量馬達容積調速回路工作特性

3 車載取力發(fā)電的控制策略

3.1 發(fā)動機和底盤取力系統(tǒng)智能控制

針對重型專用車發(fā)動機和底盤取力系統(tǒng)轉速智能控制問題，提出了基于閉環(huán)反饋式自動控制方式的解決辦法，該系統(tǒng)依據(jù)工作機轉速信號與標準信號的比對，在控制集成塊中測算處理數(shù)字信號差，利用可編程控制器對步進電機的轉速進行實時調整，從而驅動發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)實現(xiàn)二次調速功能，隨著產品的進一步完善，可大大提高車載取力工作機的工作效率和工作質量，具有很高的實用價值[9]。

3.2 液壓調速與PLUS+1控制器控制

液壓調速與PLUS+1控制器控制可以實現(xiàn)電站發(fā)動機的恒轉速和高品質電能的輸出，由于PLUS+1控制器內置軟件具有可編程性，

能夠實現(xiàn)對調速系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且控制精度高，響應速度快，傳感器實時采集的發(fā)動機轉速（由發(fā)動機電噴控制模塊提供）和液壓馬達的轉速，通過內部軟件輸出控制信號驅動液壓泵變排量，使液壓馬達的輸出轉速穩(wěn)定在發(fā)電機所要求的工作轉速上。而PLUS+1 是專門用于行走機械控制的電控產品，具有較為完備的系列，具有操縱靈活、功能強大、擴展性強、性價比高等特點。該設備為通常意義上的控制器，具有CAN2.0端口，在分布式車輛控制系統(tǒng)中，既可以成為系統(tǒng)控制網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，又可以作為獨立的控制器參與整車控制。通過PLUS+1的軟件編程，可以實現(xiàn)對控制對象的特定參數(shù)進行可靠的精確控制，如速度控制、位置控制、加減速控制、壓力控制、發(fā)動機防熄火控制等。

4 結論及展望

（1）車載發(fā)電取力傳動系統(tǒng)在設計時需依據(jù)發(fā)電指標，充分考慮傳動系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和可靠性對發(fā)馬達輸出特性的影響，根據(jù)調速回路特性選擇傳動系統(tǒng)的最佳調速方法，求取系統(tǒng)工作壓力、流量以及液壓泵和馬達最佳工作參數(shù)，進而確定設計目標。

（2）車載取力發(fā)電裝置在技術選型上需根據(jù)設計目標，選取原動機的取力點和與之對應的最佳工作轉速區(qū)間，并進行功率匹配計算，要求行車發(fā)電的功率不能大于原動機功率的20%，同時對于液壓傳動裝置需滿足其調速回路以及閉環(huán)控制的要求。

（3）從控制的集成性出發(fā)，發(fā)動機和底盤取力系統(tǒng)智能控制是較為理想的控制策略，但需要從原動機廠家獲取更多的發(fā)動機參數(shù)，對于改裝而言成本較高；從改裝的經濟性出發(fā)液壓調速與PLUS+1控制器控制不需要更多的發(fā)動機技術參數(shù)即可實現(xiàn)車載行車發(fā)電需求，而且系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性好，液壓調速與PLUS+1控制器技術成熟，特別是PLUS+1控制器的可編程性好，更能適應車載化要求。

參考文獻

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