第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着世界经济的发展，人类生活水平日益提高，但是人类对于能源的需求也是逐步增加。2017 年，中国占全球能源消费量的 23.2%和全球能源消费增长的33.6%。这已经是我国连续 17 年稳居全球能源增长榜首。然而世界石油燃料资源已经日益枯竭[1]。如图 1.1 所示，2017 年全球各类能源的消费量都有明显增长的趋势，其中石油消耗量从 1992 年的 3800 百万吨油当量左右稳步上升到了 2017年的 4800 百万吨油当量左右，增幅约为 26.3%。
.........................
1.2 液压混合动力技术及特点
目前，混合动力技术主要有电动混合和液压混合两大类[5]。电动混合是指燃油发动机与电能的混合[6]，液压混合是指采用蓄能器作为动力源，电液二次调节系统作为传动方式的混合动力技术。液压混合动力具有以下优点[7]：
1. 功率密度大。液压蓄能器作为动力源，其储能方式属于势能储能方式[8]，功率密度大，短时间内能够吸收可观的能量。对于重型车辆来说，应用液压混合动力技术，制动能量回收效果更明显，并且也能提供给车辆更多的驱动力[9]。
2. 使用成本低。液压元件技术成熟，已经在工业领域应用很多年，因此对某一个元件可以有多种替代性选择，使用成本低[10]。
3. 使用液压油作为传动介质，能够保证液压系统内部各个部件的正常润滑，因此可以在一定程度延长液压元件的使用寿命[11]。
4. 在输出转矩相同的情况下液压泵/马达比电机的结构紧凑，质量轻，安装空间小[12]。
5. 液压混合动力车辆有更好的燃油经济性。如图 1.3 所示，英国 Ricardo Automotive 公司对液压混合动力汽车和电动混合动力汽车在同等条件，不同行驶工况下的测试表明，液压混合动力汽车的平均节油率明显高于电动混合动力车辆。
.........................
第 2 章 并联液压混合动力车辆选型与制动系统
2.1 液压混合动力系统构型的分析与选择
本课题基于校企合作项目“起重机混合动力系统开发”，混联式构型的研究应用周期长，轮边式构型适用范围局限性比较大[39]，所以这两种混合动力系统就不在考虑范围之内，主要从串联式和并联式两种构型中选择。
混合动力车辆的节能减排是重要的考虑因素。从表 2.1 串、并联混合动力系统对比表中可以看出，对于并联式混合动力车辆，虽然由于结构上导致发动机与车速耦合，难以实现无级变速，车辆的行驶平顺性不如串联式好[40]。但是在混合动力系统的两个动力单元联合驱动的情况中，发动机的输出扭矩可以根据工况调整，保证其始终工作在高效区间。而调整的转矩部分由液压泵/马达来补充，这样在一定程度上降低了发动机的功率，并且提高了燃油经济性，相比于串联式，能够更好的实现节能减排效果。除此之外，并联式混合动力系统在动力总成、传动效率、整车成本、整车布置等方面都占据优势，并且还可以基于原有起重机车型改造，改造成本低，改造后的车辆可靠性高。所以本次起重机选用并联式混合动力系统。
............................
2.2 前置式并联与后置式并联构型分析与选择
根据并联式车辆传动机械结构的不同，可以将并联式划分为单轴并联和双轴并联两种结构。单轴并联是指液压泵/马达的主轴与车辆的传动轴一体，此类结构车辆的液压泵/马达需要单独进行开发，结构较为紧凑，其通过阀卸荷或者液压泵/马达的排量归零来使液压系统不参与车辆工作。
双轴式并联则是发动机与液压泵/马达通过耦合器相连并且可以独立的为车辆提供动力，这样车辆可以根据工况采用合适的控制策略使液压泵/马达工作在高效区间，并且能够制定系统中各元件优化效率的组合和切换规则，从而更好的优化车辆的能量管理策略和燃油经济性能，因此更适合应用于工程机械[41]。所以选取双轴并联结构作为起重机的混合动力构型。
2.2.1 前置式双轴并联结构
如图 2.1 所示，对于前置式双轴并联混合动力系统，液压泵/马达处于发动机和变速器的中间位置，发动机与液压泵/马达各自输出的扭矩在转矩耦合器合成后，经过变速箱传递到驱动轮。
.............................
第 3 章 前置式液压混合动力车辆制动转矩控制理论模型 ............. 23
3.1 前置式液压混合动力车辆制动关键元件的数学模型 .............. 23
3.1.1 液压泵/马达建模………......... 27
3.1.2 液压蓄能器建模…………..................... 27
第 4 章 前置式液压混合动力车辆制动转矩控制的仿真研究 ......... 41
4.1 前置式液压混合动力车辆仿真模型原理 .................................. 41
4.2 前置式液压混合动力车辆仿真模型的建立 .............................. 42
第 5 章 前置式液压混合动力车辆实验研究 ..................................... 51
5.1 实验设计……………...... 52
5.1.1 前置式液压混合动力实验样车关键元件及型号 ............... 52
5.1.2 前置式液压混合动力车辆结构与液压系统部分原理图 ... 52
第 5 章 前置式液压混合动力车辆实验研究
5.1 实验设计
5.1.1 前置式液压混合动力实验样车关键元件及型号
实验样车是基于某型号国产起重机改装而来。为了能够有足够的空间布置前置式液压混合动力车辆液压系统的各个元件，起重机的上机部分原工作装置由等重的配重来代替。实验样车的关键元件及型号如表 5.1 所示：
.............................
第 6 章 总结与展望
随着能源的消耗和空气污染的加剧，节能减排成为越来越重要的研究方向。本文对前置式液压混合动力系统构型的制动系统以及存在的制动安全问题进行了相关的分析与解决，并且对节能减排效果进行了研究。研究主要工作如下：
（1）对比现有的液压混合动力构型，结合起重机自身的工作特点和环境，选取前置式作为起重机的混合动力构型。在构型选取的基础上，将混合动力起重机的常见工况划分为辅助启动模式、匀速行驶模式、辅助爬坡模式、制动回收模式，并且对前置式液压混合动力车辆的气压制动系统与液压辅助制动系统的结构与制动原理做了分析。
（2）针对前置式液压混合动力车辆的液压系统提供的辅助制动力矩随变速箱档位变化问题进行了解决。把制动转矩控制的关键分为两部分，一部分为液压泵/马达的排量控制，一部分为手动变速箱的档位识别。首先通过对液压泵/马达排量控制的相关元件进行数学建模，建立与问题相关的排量控制理论模型，接着在车辆前后轮制动转矩分配的基础上，根据不同的制动强度制定了混合动力车辆的制动策略。由于起重机所用的变速箱为手动变速箱，并且没有配置档位传感器，需要进行变速箱档位识别，通过测量变速箱输入轴和输出轴的转速进行了解决。最终在上述工作的基础上，得到前置式液压混合动力车辆不同制动工况下对应的转矩控制理论表达式。
（3）利用 AMESim 软件建立前置式并联混合动力车辆制动转矩控制模型，并且结合车辆的制动策略对前置式液压混合动力车辆的制动转矩控制以及相关的制动性能进行了仿真分析。
参考文献（略）
1.1 课题研究背景和意义
随着世界经济的发展，人类生活水平日益提高，但是人类对于能源的需求也是逐步增加。2017 年，中国占全球能源消费量的 23.2%和全球能源消费增长的33.6%。这已经是我国连续 17 年稳居全球能源增长榜首。然而世界石油燃料资源已经日益枯竭[1]。如图 1.1 所示，2017 年全球各类能源的消费量都有明显增长的趋势，其中石油消耗量从 1992 年的 3800 百万吨油当量左右稳步上升到了 2017年的 4800 百万吨油当量左右，增幅约为 26.3%。
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1.2 液压混合动力技术及特点
目前，混合动力技术主要有电动混合和液压混合两大类[5]。电动混合是指燃油发动机与电能的混合[6]，液压混合是指采用蓄能器作为动力源，电液二次调节系统作为传动方式的混合动力技术。液压混合动力具有以下优点[7]：
1. 功率密度大。液压蓄能器作为动力源，其储能方式属于势能储能方式[8]，功率密度大，短时间内能够吸收可观的能量。对于重型车辆来说，应用液压混合动力技术，制动能量回收效果更明显，并且也能提供给车辆更多的驱动力[9]。
2. 使用成本低。液压元件技术成熟，已经在工业领域应用很多年，因此对某一个元件可以有多种替代性选择，使用成本低[10]。
3. 使用液压油作为传动介质，能够保证液压系统内部各个部件的正常润滑，因此可以在一定程度延长液压元件的使用寿命[11]。
4. 在输出转矩相同的情况下液压泵/马达比电机的结构紧凑，质量轻，安装空间小[12]。
5. 液压混合动力车辆有更好的燃油经济性。如图 1.3 所示，英国 Ricardo Automotive 公司对液压混合动力汽车和电动混合动力汽车在同等条件，不同行驶工况下的测试表明，液压混合动力汽车的平均节油率明显高于电动混合动力车辆。
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第 2 章 并联液压混合动力车辆选型与制动系统
2.1 液压混合动力系统构型的分析与选择
本课题基于校企合作项目“起重机混合动力系统开发”，混联式构型的研究应用周期长，轮边式构型适用范围局限性比较大[39]，所以这两种混合动力系统就不在考虑范围之内，主要从串联式和并联式两种构型中选择。
混合动力车辆的节能减排是重要的考虑因素。从表 2.1 串、并联混合动力系统对比表中可以看出，对于并联式混合动力车辆，虽然由于结构上导致发动机与车速耦合，难以实现无级变速，车辆的行驶平顺性不如串联式好[40]。但是在混合动力系统的两个动力单元联合驱动的情况中，发动机的输出扭矩可以根据工况调整，保证其始终工作在高效区间。而调整的转矩部分由液压泵/马达来补充，这样在一定程度上降低了发动机的功率，并且提高了燃油经济性，相比于串联式，能够更好的实现节能减排效果。除此之外，并联式混合动力系统在动力总成、传动效率、整车成本、整车布置等方面都占据优势，并且还可以基于原有起重机车型改造，改造成本低，改造后的车辆可靠性高。所以本次起重机选用并联式混合动力系统。
............................
2.2 前置式并联与后置式并联构型分析与选择
根据并联式车辆传动机械结构的不同，可以将并联式划分为单轴并联和双轴并联两种结构。单轴并联是指液压泵/马达的主轴与车辆的传动轴一体，此类结构车辆的液压泵/马达需要单独进行开发，结构较为紧凑，其通过阀卸荷或者液压泵/马达的排量归零来使液压系统不参与车辆工作。
双轴式并联则是发动机与液压泵/马达通过耦合器相连并且可以独立的为车辆提供动力，这样车辆可以根据工况采用合适的控制策略使液压泵/马达工作在高效区间，并且能够制定系统中各元件优化效率的组合和切换规则，从而更好的优化车辆的能量管理策略和燃油经济性能，因此更适合应用于工程机械[41]。所以选取双轴并联结构作为起重机的混合动力构型。
2.2.1 前置式双轴并联结构
如图 2.1 所示，对于前置式双轴并联混合动力系统，液压泵/马达处于发动机和变速器的中间位置，发动机与液压泵/马达各自输出的扭矩在转矩耦合器合成后，经过变速箱传递到驱动轮。
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第 3 章 前置式液压混合动力车辆制动转矩控制理论模型 ............. 23
3.1 前置式液压混合动力车辆制动关键元件的数学模型 .............. 23
3.1.1 液压泵/马达建模………......... 27
3.1.2 液压蓄能器建模…………..................... 27
第 4 章 前置式液压混合动力车辆制动转矩控制的仿真研究 ......... 41
4.1 前置式液压混合动力车辆仿真模型原理 .................................. 41
4.2 前置式液压混合动力车辆仿真模型的建立 .............................. 42
第 5 章 前置式液压混合动力车辆实验研究 ..................................... 51
5.1 实验设计……………...... 52
5.1.1 前置式液压混合动力实验样车关键元件及型号 ............... 52
5.1.2 前置式液压混合动力车辆结构与液压系统部分原理图 ... 52
第 5 章 前置式液压混合动力车辆实验研究
5.1 实验设计
5.1.1 前置式液压混合动力实验样车关键元件及型号
实验样车是基于某型号国产起重机改装而来。为了能够有足够的空间布置前置式液压混合动力车辆液压系统的各个元件，起重机的上机部分原工作装置由等重的配重来代替。实验样车的关键元件及型号如表 5.1 所示：
.............................
第 6 章 总结与展望
随着能源的消耗和空气污染的加剧，节能减排成为越来越重要的研究方向。本文对前置式液压混合动力系统构型的制动系统以及存在的制动安全问题进行了相关的分析与解决，并且对节能减排效果进行了研究。研究主要工作如下：
（1）对比现有的液压混合动力构型，结合起重机自身的工作特点和环境，选取前置式作为起重机的混合动力构型。在构型选取的基础上，将混合动力起重机的常见工况划分为辅助启动模式、匀速行驶模式、辅助爬坡模式、制动回收模式，并且对前置式液压混合动力车辆的气压制动系统与液压辅助制动系统的结构与制动原理做了分析。
（2）针对前置式液压混合动力车辆的液压系统提供的辅助制动力矩随变速箱档位变化问题进行了解决。把制动转矩控制的关键分为两部分，一部分为液压泵/马达的排量控制，一部分为手动变速箱的档位识别。首先通过对液压泵/马达排量控制的相关元件进行数学建模，建立与问题相关的排量控制理论模型，接着在车辆前后轮制动转矩分配的基础上，根据不同的制动强度制定了混合动力车辆的制动策略。由于起重机所用的变速箱为手动变速箱，并且没有配置档位传感器，需要进行变速箱档位识别，通过测量变速箱输入轴和输出轴的转速进行了解决。最终在上述工作的基础上，得到前置式液压混合动力车辆不同制动工况下对应的转矩控制理论表达式。
（3）利用 AMESim 软件建立前置式并联混合动力车辆制动转矩控制模型，并且结合车辆的制动策略对前置式液压混合动力车辆的制动转矩控制以及相关的制动性能进行了仿真分析。
参考文献（略）
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