李耕

一種AGV小車電液混合動力系統(tǒng)的設計

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)劃路徑實現(xiàn)自動行走。針對AGV小車加速時電能消耗過大和續(xù)航里程難以滿足日常生產需求等問題，本文設計了一種新型電液混合動力系統(tǒng)，用來降低加速時的電功率消耗并有效回收制動能量，從而延長蓄電池的續(xù)航時間。基于AMESim和MATLAB/Simulink軟件建立了電液混合動力系統(tǒng)的動力學和控制模型，對AGV小車在循環(huán)工況下的動力特性和能耗進行聯(lián)合仿真。仿真結果表明，在液壓動力的混合驅動下，新型電液混合動力系統(tǒng)不僅具有較好的動力性能，而且相比純電動系統(tǒng)的能耗有所降低，對小車的續(xù)航里程改善有積極意義。

AGV；電液混合動力；電功率；扭矩；續(xù)航里程

社會在發(fā)展的進程中面臨人口老齡化、勞動力成本上升及產業(yè)結構升級壓力大等多方面的問題，機器人為這類問題提供了解決方法[1]。在現(xiàn)代化工業(yè)中，提倡高效、快速、可靠，主張將人從簡單的工作中解放出來，因此機器人逐漸替代人出現(xiàn)在各個工作崗位上，其具有可編程、可協(xié)調作業(yè)和基于傳感器控制等特點。

AGV（Automated Guided Vehicle，自動導向車）作為移動機器人的代表，是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學科技術為一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要自動化裝備，常用于搬運各類物料，保證了系統(tǒng)運行的柔性化、集成化和高效，已經成為現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設備[2-3]。

目前，AGV小車普遍采用蓄電池供電的電機直接驅動方式，動力系統(tǒng)簡單實用。然而，受限于蓄電池技術本身的發(fā)展現(xiàn)狀及電機在重載起步和加速時的工作特性，現(xiàn)有AGV小車續(xù)航里程短、日常運行時充電次數(shù)多、效率不高。小車起步和加速時，電機需要輸出較大的峰值扭矩和功率才能滿足驅動要求，嚴重縮短其儲存電量的使用時間。

液壓系統(tǒng)具有功率密度高、調速簡單及大輸出扭矩等優(yōu)勢[4]，系統(tǒng)工作時通過物理方式存儲和釋放能量，不僅充放效率較高，而且可以快速有效地回收能量?？紤]到AGV小車在運輸貨物時具有啟停頻繁及載重較大等特性，可通過設計電液混合動力系統(tǒng)來改善小車的能量利用效率。當AGV小車制動時，通過液壓泵/馬達工作于泵模式完成回收制動能量并存儲在高壓蓄能器內。當AGV小車起步或加速時，通過高壓蓄能器釋放高壓油液驅動液壓泵/馬達提供輔助動力，可以有效減小電機輸出扭矩，從而減小蓄電池耗電量、提高能量利用效率，延長小車的續(xù)航里程[5]。

關于AGV小車電液混合動力系統(tǒng)的研究成果幾乎未見報道。本文針對AGV小車的技術特點設計了一種新型電液混合動力系統(tǒng)，將高壓蓄能器、液壓泵/馬達等液壓元件與純電動系統(tǒng)進行動力耦合，共同提供小車行駛所需動力，并具備液壓再生制動能力。通過仿真計算分析其動力輸出和再生制動特性，為AGV小車新型動力系統(tǒng)的研究提供技術參考。

1 電液混合動力系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)原理

本文設計的電液混合動力系統(tǒng)形式為雙電機＋雙液壓泵/馬達分別驅動小車的兩個前輪，原理如圖1所示?？梢钥闯?，高壓蓄能器通過釋放高壓油液驅動液壓泵/馬達輸出動力扭矩，并與電機輸出扭矩進行耦合，共同驅動小車。

考慮到串聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)存在機械能－液壓能－機械能的多次能量轉化過程[6]，驅動效率較低，混聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)則元件眾多，導致空間占用較大，且控制困難，因此，本文最終選取并聯(lián)式的電能－液壓能動力混合形式。模擬現(xiàn)有汽車的布局，采用雙電機雙液壓泵/馬達的布置結構，提高了混動系統(tǒng)的輸出扭矩，增強了AGV的動力性能。

1～4.機械制動器；5、6.電機；7、8.液壓泵/馬達；9.三位四通電磁換向閥；10.二位二通開關閥；11.壓力表；12.溢流閥；13.高壓蓄能器；14.低壓蓄能器；15.蝸輪蝸桿動力耦合器。

1.2 系統(tǒng)工作模式

為充分發(fā)揮液壓動力系統(tǒng)輸出扭矩大、調速簡單、能量回收效率高和純電動系統(tǒng)高速驅動效率高的優(yōu)勢，制定了液壓混合動力系統(tǒng)在不同運行環(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，電機需要輸出較大的扭矩，導致電機處于極端工作環(huán)境。此時根據(jù)駕駛員加速信號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力。若能，則關掉電機，使液壓系統(tǒng)單獨提供動力；若不能，則液壓系統(tǒng)提供盡可能多的驅動扭矩，以有效改善電機的工作狀態(tài)。功率流動情況如圖2（a）所示。

加速時，在保證電機輸出扭矩盡可能不波動的前提下，剩余扭矩由液壓泵/馬達提供，保持電機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，減小因電機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，電機工作狀態(tài)較為單一，此時為電機提供全部動力，如圖2（c）所示。

由于AGV小車在制動時的動能較大，此部分能量可通過液壓再生制動系統(tǒng)轉化為液壓能，并存儲在高壓蓄能器內，如圖2（d）所示。液壓泵/馬達工作在泵模式對制動能量進行回收，并在下一加速過程釋放，提高能量利用率。同時，由于液壓泵/馬達工作在泵模式時可提供再生制動扭矩，可以減少機械制動裝置在制動過程中的磨損。

2 數(shù)學模型

2.1 車輛動力學

AGV小車在行駛時需要克服來自道路的多個行駛阻力，計算為：

其中，小車加速時的質量由旋轉質量和平移質量組成，兩部分質量都要產生慣性力或慣性力矩。為簡便計算，一般將旋轉質量的慣性力矩轉化為平移質量的慣性力。

進而可得：

式中：為AGV小車行駛時的負載扭矩；R為車輪半徑。

2.2 電機功率

電機輸出功率應大于小車所受到最大合外力產生的負載需求功率。混合動力系統(tǒng)電機最大輸出功率的取值一般應滿足其在勻速行駛時的功率需求[7]。計算為：

2.3 蓄電池能量

當前應用于電動車輛的能源裝置主要包括磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池和超級電容等。有[9]：

2.4 液壓泵/馬達扭矩

液壓泵/馬達應能提供AGV小車在載運貨物起步時所需的全部扭矩。起步時，根據(jù)高壓蓄能器的壓力動態(tài)控制液壓泵/馬達的排量，使其輸出扭矩等于負載需求扭矩，計算為：

2.5 高壓蓄能器

高壓蓄能器是液壓動力系統(tǒng)的動力源，有經驗公式[10]：

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

聯(lián)立式（9）和式（10）可得：

聯(lián)立式（10）和式（11）可得：

3 仿真計算與分析

3.1 仿真模型

為實現(xiàn)自動糾偏功能，設計了兩套動力系統(tǒng)，分別驅動兩個前輪。仿真時，將AGV小車總重量減少一半，只設置一套動力系統(tǒng)進行計算。按照本文設計思路，小車起步時僅有液壓系統(tǒng)提供動力，達到一定車速后快速啟動電機。

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

圖3 仿真模型

目前，應用于混合動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用于實車控制，且易于實現(xiàn)，十分適用于車輛混合動力系統(tǒng)的切換控制。本文采取基于規(guī)則的能量管理控制策略，將車輛驅動系統(tǒng)抽象為離散事件。驅動和制動的控制策略如圖4所示。

考慮到AGV小車主要應用于物流運輸及倉儲管理等場合，其工作環(huán)境對小車的運行速度要求不高。從安全保障的角度出發(fā)，AGV小車長期處于較低的平均運行速度，空載時的速度相比載重時更大，且重載運行時的加減速過程更為平緩。因此，制定了AGV小車電液混合動力系統(tǒng)的計算循環(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 結果分析

AGV小車電液混合動力驅動模式及純電驅動模式下的仿真車速曲線如圖6所示?？梢钥闯?，該電液混合動力系統(tǒng)滿足AGV小車起步和加速時的動力需求，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前壓力及車速等參數(shù)決定每次起步時的加速信號值，并傳輸給電機和液壓泵/馬達，實現(xiàn)扭矩分配。

圖6 速度曲線

電機的輸出扭矩曲線如圖7所示?？梢钥闯?，電機輸出扭矩隨著加速信號值的變化而發(fā)生改變。純電動力模式下，AGV小車載重起步所需的驅動扭矩較大，此時若電機提供全部扭矩，則蓄電池耗電量極大。改為電液混合動力模式后，電機在小車起步時的輸出扭矩較小，剩余的需求扭矩由液壓泵/馬達提供，液壓動力系統(tǒng)與純電動系統(tǒng)共同驅動小車，因電機大輸出扭矩引起的蓄電池續(xù)航問題得到明顯改善。

圖7 電機扭矩

液壓泵/馬達的輸出扭矩如圖8所示?？梢钥闯?，液壓泵/馬達可在AGV小車加速時提供輔助驅動扭矩，避免電機的扭矩沖擊，從而改善蓄電池的工作環(huán)境。加速時，液壓泵/馬達工作在馬達工況，輸出扭矩為正值；制動時，液壓泵/馬達工作在泵工況，輸出扭矩為負值。該液壓混合動力系統(tǒng)可根據(jù)駕駛員意圖等信號在加速時有效輸出輔助扭矩，在制動時回收能量并提供再生制動扭矩，減輕機械制動裝置磨損。

高壓蓄能器的壓力變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，當液壓泵/馬達工作于馬達工況提供輔助驅動扭矩時，高壓蓄能器壓力逐漸降低；當液壓泵/馬達工作在泵工況時，小車處于制動狀態(tài)，車輛動能經液壓再生制動裝置轉化為液壓能，并存儲在高壓蓄能器內，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。且液壓再生制動系統(tǒng)的介入可以有效減小機械制動裝置的磨損和發(fā)熱，保證行車安全。

圖8 液壓泵/馬達扭矩

圖9 高壓蓄能器壓力

蓄電池在純電和電液混合動力模式下的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)航工作時間為8 h，則電液混合動力可提升續(xù)航時間將近1倍。顯然，由于液壓泵/馬達的能量回收和加速輔助作用，電液混合動力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，特別對于大負載AGV具有實際的工程價值。

4 結論

針對AGV小車在重載起步和加速時的扭矩沖擊對蓄電池工作狀態(tài)的影響，設計了一種電液混合動力系統(tǒng)，能在車輛加速時利用釋放的液壓能代償電機的輸出功率，車輛制動時進行制動能量回收，改善小車的續(xù)航能力。

利用AMESim和MATLAB/Simulink軟件對AGV小車電液混合動力系統(tǒng)的動力性能和控制策略進行聯(lián)合仿真，對指定循環(huán)行駛工況下的節(jié)能特性進行分析。與純電驅動系統(tǒng)相比，電液混合動力系統(tǒng)通過提供輔助動力可以有效減少小車在重載時的電機大輸出扭矩現(xiàn)象，從而改善該現(xiàn)象引起的蓄電池電量消耗過大的問題。制動時通過液壓再生制動系統(tǒng)可有效回收制動能量，提高能量利用率，延長續(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，主要研究方向為技術工程，E-mail：33891964@qq.com。