（机械电子工程专业论文）液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究.pdf

原创性声明 iifr f ri i i ifl t f fi tl tiii y 1914 6 0 9 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：址嗍剑年上月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名丝日期：丝年月三日 中南人学硕一卜学位论文 摘要 摘要 液压挖掘机由于用量大、油耗高、排放差，己逐渐成为节能研究 的主要对象之一。改善动力系统功率匹配是开展液压挖掘机节能研究 的一个重要方向。传统的功率匹配研究对挖掘机的节能起了一定促进 的作用，但由于挖掘机负载的剧烈波动，现有的动力系统匹配技术不 能从根本上解决发动机燃油效率低和排放性能差的问题。混合动力技 术在汽车上的成功应用为传统液压挖掘机的功率匹配节能研究打开 新的思路。本论文重点研究的液压挖掘机混合动力系统的控制策略问 题。 本论文首先在分析研究现有混合动力驱动与能量回收系统结构 的基础上，确立一种适应于挖掘机工况特点的液压挖掘机混合动力系 统结构。并以此为基础建立了液压挖掘机混合动力系统仿真模型，进 行了动力耦合特性与动力元件参数分析。通过仿真，验证了本文所提 出的液压挖掘机混合动力系统的有效性与可行性。 随后，对现有混合动力挖掘机控制策略进行了综述性分析。针对 目前这些控制策略的不足，并结合挖掘机的工况特点，提出了基于工 况预测的准定工作点控制策略与全局变量瞬时优化控制策略：前者与 文献中提出的诸多控制策略一样都是基于经验规则的；后者则采用全 局瞬时优化的思路，这在混合动力挖掘机控制策略研究中尚属首次。 仿真结果表明，上述两种控制策略在稳定发动机工作点、保持超级电 容合理荷电状态、获得较好的燃油经济性等方面均有一定优势。为进 一步研究混合动力挖掘机动力系统结构与控制策略提供了一定的理 论与试验依据。 最后，对仿真中用到的数据与模型中提出的一些假设进行了试验 验证。 关键词液压挖掘机，节能，功率匹配，混合动力，能量回收， 控制策略，瞬时优化 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o r s ( h e ) h a v eb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n i nt h e f i e l do fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，f o rt h er e a s o n so ft h e i r w i d e s p r e a du s a g e ，h i g ho i l c o n s u m p t i o na n db a de m i s s i o n i m p r o v i n g t h eg l o b a lp o w e rm a t c ho ft h ed r i v ec h a i no ft h ee h a ( e n g i n e h y d r a u l i c s y s t e m a c t u a t o r ) i so n eo ft h em a i no r i e n t a t i o nf o rd e v e l o p i n ge n e r g y s a v i n gr e s e a r c ho ft h ee x c a v a t o r t h er e s e a r c h e so ft h e c o n v e n t i o n a l p o w e rm a t c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l e si nt h ee n e r g ys a v i n go f t h ee x c a v a t o r h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ea c u t e l yv a r i a t i o n a ll o a d ，t h ep r o b l e m sa b o u tt h e p o o re f f i c i e n c ya n db a de m i s s i o no fe n g i n e a r en o ta b l et ob es o l v e d r a d i c a l l yb yt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y an e ww a yo ft h i n k i n ga b o u tt h e r e s e a r c h e so ft h ee n e r g ys a v i n gi sp r o p o s e d f o rt h ec o n v e n t i o n a l h y d r a u l i ce x c a v a t o rp o w e rm a t c hd u et ot h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n so f h y b r i da u t o m o b i l e s t h ec o n t r o ls t r a t e g eo fp o w e rm a t c hb a s e do nt h e h y b r i ds y s t e mo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o r s i ss t u d i e dp r i m a r i l yi nt h i s p a p e r f i r s t l y , ah y b r i ds y s t e m s t r u c t u r eb a s e do nt h ea n a l y s e sa n d r e s e a r c h e so ft h ee x i s t i n gh y b r i dd r i v ea n de n e r g yr e c o v e r ys y s t e m s t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d ，a n di ti ss u i t a b l ef o r t h ef e a t u r e so ft h ee x c a v a t o r w o r kc o n d i t i o n o nt h eb a s i so ft h i ss y s t e m ，t h eh y b r i de x c a v a t o rs y s t e m s i m u l a t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ，b e s i d e s ，t h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dp o w e re l e m e n tp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h ee f f e c t i v e n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dh y b r i de x c a v a t o rs y s t e ma r ep r o v e db yt h e s i m u l a t i o n s s u b s e q u e n t l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g i e s w h i c hh a v eb e e na p p l i e df o r h y b r i de x c a v a t o r sa r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y a i m i n ga tt h e c u r r e n t s h o r t c o m i n g s o ft h e s es t r a t e g i e s ，aq u a s i s t a b l ew o r kp o i n tc o n t r o l s t r a t e g yb a s i n go nt h ep r e d i c t i o no f w o r kc o n d i t i o na n dag l o b a lv a r i a b l e i n s t a n t a n e o u so p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g ya r ep r o p o s e di na c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fe x c a v a t o rw o r k i n gc o n d i t i o n t h ef o r m e r , w h i c hi st h es a m ea s m a n yc o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e di nt h el i t e r a t u r e s ，i sb a s e do nt h er u l e s o fe x p e r i e n c e ；t h el a t t e ri st h ei d e ao ft a k i n ga d v a n t a g eo ft h eg l o b a l i n s t a n t a n e o u so p t i m i z a t i o n ，w h i c hi st h ef i r s tt i m ei nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s o ft l l eh y b r i de x c a v a t o r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e r ei sa c e r t a i na d v a n t a g ei nt e r m so fs t a b i l i z i n gt h ee n g i n eo p e r a t i n gp o i n t ， m a i n t a i n i n gar e a s o n a b l ec h a r g es t a t ef o ras u p e rc a p a c i t o r a n do b t a i n i n g b e t t e rf u e le c o n o m y s o m et h e o r e t i c a la n de m p i r i c a lt h e o r i e s a r ep u t f o r w a r df o rt h ef u r t h e rs t u d yo fh y b r i dp o w e rs y s t e m s t r u c t u r ea n d e x c a v a t o rc o n t r o ls t r a t e g yi nt h i sp a p e r a tl a s t s o m ee x p e r i e n c e si sa d a p t e di no r d e rt og a i ns o m ed a t a w h i c hi sr e q u i r e di nt h es i m u l a t i o na n dv a l i d a t es o m eh y p o t h e s i z e sw h i c h a r ep u tf o r w a r di nm o d e l k e yw o r d sh y d r a u l i ce x c a v a t o r ，e n e r g ys a v i n g ，p o w e rm a t c h ， h y b r i dp o w e r ，e n e r g yr e c o v e r y ，c o n t r o ls t r a t e g y ，i n s t a n t a n e o u s o p t i m i z a t i o n ； 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 液压挖掘机动力系统匹配研究的意义l 1 2 国内外液压挖掘机动力系统匹配及节能研究概况1 1 2 1 自动怠速控制2 1 2 2 转速感应控制2 1 2 3 压力切断控制2 1 2 4 负载自适应控制3 1 2 5 恒功率控制3 1 2 6 分工况控制4 1 2 7 恒压网络二次调节控制4 1 3 混合动力技术的研究现状5 1 3 1 混合动力技术在汽车领域的研究现状及发展趋势5 1 3 2 混合动力技术在工程机械领域的研究现状及发展趋势6 1 4 课题的提出与本文主要研究内容1 0 1 4 1 课题的提出1 0 1 4 2 本文的研究内容1 1 第二章液压挖掘机混合动力系统结构分析与设计1 3 2 1 驱动系统结构分析1 3 2 1 1 并联式混合动力液压挖掘机驱动结构分析1 3 2 1 2 串联式混合动力液压挖掘机驱动结构分析1 4 2 1 3 混联式混合动力液压挖掘机驱动结构分析1 5 2 1 4 对比分析1 6 2 2 能量回收系统结构分析1 8 2 2 1 回转动能回收系统1 8 2 2 2 动臂势能回收系统2 0 2 3 液压挖掘机混合动力系统方案设计2 2 2 4 本章小结2 3 第三章液压挖掘机混合动力系统建模分析2 4 3 1 液压挖掘机混合动力系统各元件数学模型分析2 4 3 1 1 发动机模型2 4 3 1 2 电机模型2 7 3 1 3 超级电容模型3 0 3 1 4 负载模型3 2 3 2 液压挖掘机混合动力系统仿真模型3 3 中南大学硕士学位论文目录 3 3 仿真分析3 4 3 3 1 动力耦合特性分析3 5 3 3 2 发动机参数分析3 6 3 3 3 驱动电机参数分析3 8 3 3 4 回转电机参数分析3 9 3 3 5 超级电容参数分析4 0 3 4 本章小结4 1 第四章液压挖掘机混合动力系统控制策略研究4 2 4 1 液压挖掘机混合动力系统控制策略综述4 2 4 1 1 定工作点控制策略4 2 4 1 2 多工作点控制策略4 3 4 1 3 动态工作点控制策略4 4 4 2 基于工况预测的准定工作点控制策略4 5 4 2 1 控制策略结构4 5 4 2 2 控制规则4 5 4 2 3 控制策略仿真研究4 7 4 3 全局变量瞬时优化控制策略4 8 4 3 1 混合动力挖掘机能量流分析4 9 4 3 2 全局优化函数5 l 4 3 3 控制策略仿真研究5 6 4 4 本章小结6 1 第五章液压挖掘机混合动力系统试验研究6 3 5 1 负载模型输入信号的试验获取6 3 5 1 1 试验目的6 3 5 1 2 试验内容与结果6 3 5 2 永磁同步电机转矩响应特性测试6 5 5 2 1 试验目的6 5 5 2 2 试验内容与结果6 5 5 3 本章小结6 8 第六章总结与展望6 9 6 1 论文总结6 9 6 1 1 论文的工作总结6 9 6 1 2 论文的创新性7 0 6 2 工作展望7 0 参考文献7 2 致谢7 6 攻读学位期间主要的研究成果7 7 攻读硕士学位期间发表及录用论文情况7 7 中南人学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 液压挖掘机动力系统匹配研究的意义 随着世界范围内经济与科技的迅猛发展，能源短缺和环境污染问题日趋严 重，节能与环保是高竞争力产品发展的必然趋势。液压挖掘机作为工程机械的排 头兵，具有适应范围广与作业灵活方便的优点。据相关报道，世界上有约6 5 7 0 的土方施工量是通过液压挖掘机来完成的【l j 。 作为一种需求与应用都如此广泛的大功率作业机械，液压挖掘机的节能研究 必将具有显著的社会和经济效益。但由于挖掘作业工况复杂，负载变化频繁，变 化范围大，因而存在着不少环节的能量损失。其中动力系统的能量转换效率只有 约4 0 2 1 ，是效率最低的环节之一。因此提高动力系统的效率对于液压挖掘机的 节能研究具有重要的意义。 提高动力系统效率的主要途径是进行动力系统匹配研究，具体的有：采用合 理的驱动结构、系统整体优化为目标进行参数匹配以及与工况相适用的控制策略 等。动力系统的参数匹配是在满足所设计的负载工况条件下，选择合理的系统各 元件参数，使系统工作时能够达到最佳的工作状态，从而达到提高系统局部和整 体的效率，达到较好节能效果的目的。另外，合理的动力系统参数匹配还可以降 低动力系统的装机功率和元件成本。控制策略研究主要包括能量管理与功率分 配，具体的内容是以系统最小燃油消耗为优化控制目标，监控动力系统各元件的 工作状态，对发动机输出的能量进行有效的管理及对负载的需求功率进行合理的 分配，使动力系统各元件都能处在最佳的工作状态，从而使系统达到较高的综合 效率。因此，进行动力系统匹配研究对于动力系统的节能效果和成本降低都有重 要的意义。 1 2 国内外液压挖掘机动力系统匹配及节能研究概况 目前所生产的绝大部分液压挖掘机，其动力系统都采用由发动机驱动液压泵 的方式，发动机的输出功率随着负载的变化波动很大，经常偏离其理想的经济区， 从而导致发动机的排放差，油耗高。在这种传统的驱动方式中，为减小发动机的 油耗和降低发动机的排放，通常采用的技术手段是对动力系统进行功率匹配。目 前，常用的功率匹配控制方法有：自动怠速控制、转速感应控制、压力切断控制、 发动机负载自适应控制、恒功率控制、分工况控制和恒压网络调节等i j j 。 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 2 1 自动怠速控制 在实际的液压挖掘机操作过程中，往往会根据工作的需要使挖掘机处于短暂 的停机待命状态。为了减少发动机不必要的能量消耗，系统会自动转为怠速状态 运行，使油耗降到最低。当接到操作指令后，发动机会迅速恢复到怠速前的工作 状态 4 1 。 1 2 2 转速感应控制 发动机在不同环境与工况其工作特性( 比如调速特性、外特性等) 存在一定 的差别。影响其工作特性的主要因素有：海拔高度、环境温度、气压、燃油质量 和标号等。在最大功率点附近，发动机输出特性的变化可能导致输出能力下降造 成发动机过载，引起转速快速下降直至熄火的现象。为避免这种情况，一般液压 挖掘机在动力系统设计时会给发动机预留1 0 0 o , - - 1 5 的功率储备。但即便如此， 当外部环境变化较大时，仍然无法避免发动机的过载熄火现象。针对这种情况， 不少液压挖掘机采用的有效措施就是进行发动机的转速感应控制，当监测到发动 机有明显掉速，就减小液压泵排量以降低其吸收转矩，以避免发动机过载熄火。 这种方法可以减小或取消发动机的功率储备，充分利用发动机的额定功率，同时 有效地防止发动机在各种情况下的过载【5 】。 1 2 3 压力切断控制 压力切断( c u t o f f ) 控制的目的是减小系统的溢流损失。压力切断通常通过 设立在液压泵出口的压力切断阀( c o 阀) 来实现。当液压泵的出口压力超过压 力切断阀的调定压力，该阀输出一个与液压泵出口压力成比例的信号给液压泵， q “。 p 图1 - 1 压力切断控制的节能效果 控制液压泵的流量降低到液压泵正常工作所需的最小流量，而输出压力不变。此 时，尽管液压泵输出压力很高，但由于其实际输出流量很小甚至接近零，因此其 输出功率较小，从而达到了减小溢流损失的目的。图1 1 为压力切断控制的节能 示意副6 j 。 2 第一章绪论 发动机负载自适应控制即根据液压泵输出压力来对挖掘机工况进行归纳与 识别，以此为依据来调整发动机的输出，同时调节液压泵的排量来改变其吸收扭 矩，从而不仅实现发动机的工作点与挖掘机负载工况相适应，同时使发动机工作 在相对经济的区域，获得较高的燃油经济性能。图1 2 为发动机负载自适应控制 的原理图。由于根据液压泵的输出压力来分析识别工况存在较大的误差，识别结 果不能完全反应挖掘机的实际工况，因此如何提高工况识别能力成为这种控制方 法的关键f7 1 。 鹱羹懂喀l k 1 卜囊蘑蠢戢箍张1 n 一囊番锵鼍 n e 一寰蘑羲馨塞礴睾c 一囊五l 曩簟薹謦 图1 - 2 发动机负载自适应控制 1 2 5 恒功率控制 在挖掘机实际工作过程中，操作人员不可能根据工况实时调节发动机的调速 拉杆，相反的，只能根据经验对当前工作的作出合理判断以选择某一调速档位， 来完成当前的工作任务。而对于某一确定的调速档位，发动机只有存在一个最大 功率点。为了尽可能充分地利用发动机的最大输出功率，则需要对液压泵采用相 应的恒功率控制。恒功率控制通常采用双泵系统。包括全功率控制、分功率控制 以及交叉功率控制三种。 在全功率控制中，两个液压泵功率总和始终保持恒定，不超过发动机的功率， 但每个液压泵的功率与其工作压力成正比。在分功率控制中，有两个恒功率调节 器，分别独立地对两个液压泵进行功率调节，使每个液压泵流量只与其本身的出 口压力有关。分功率控制可以认为是两个恒功率液压泵简单地将组合在一起，其 中任一个液压泵最多吸收发动机一半的额定功率。交叉功率控制中，每个泵的输 出特性不仅与自身的出口压力有关，还与另外一个泵的输出压力相关。即就是说， 两个液压泵的出口压力相互作用在对方功率调节器上，形成交叉控制【8 】【9 】。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 6 分工况控制 液压挖掘机是一种多用途的工程机械，作业内容较多：挖掘、挖沟、平地、 装土、搬运、装修、填埋和破碎等。其作业对象土质变化较大，如软性粘土、紧 密沙质土、松砂质土、较紧密砂砾混合土、软岩和砂砾原石等。另外，使用方式 和作业要求也有所不同，有时着重强调燃料经济性，对生产率要求不突出，比如 进行一般性的挖掘和装车作业，有时则安全性能和重视精度，如在场地受限的狭 小空间工作，则对微调作业和精细化工作提出了更高的要求。因此，需要进行分 工况控制来适应不同使用工况和作业要求，即根据使用工况和作业要求来对发动 机和液压泵进行有针对性的优化控制，同时调节液压泵排量和发动机油门开度。 而且，不同的作业工况对液压马达和液压缸的动作速度的要求是不同的，因此还 需要根据作业要求的不同，对阀和马达进行相应的优化控制【l o 】。 1 2 7 恒压网络二次调节控制 恒压网络二次调节是上世纪8 0 年代初提出的一种压力偶联系统，该系统从 能量回收与再利用的角度出发的节能系统，能量利用率高，具有广泛的应用前景。 其基本组成为动力源、二次元件、恒压网络、蓄能器和负载，如图1 3 所示。其 基本的工作原理是，通过二次元件的双向压力变换( 升压与降压) ，实现恒压网 络上的各个负载独立工作，同时可以实现负载在具备可回收动能或势能时对恒压 网络进行液压能量回馈。对于多执行机构的挖掘机，由于恒压网络二次调节不仅 能实现执行机构的能量回收，同时可以通过不同执行机构的复合作业，实现回收 的能量以合理的形式按一定规律地得以利用。因此通过合理的参数设计，系统完 全可以按平均功率装机，使发动机始终工作在高效区域里，提高整个系统的工作 效率。目前效率较高的二次调节元件主要有两类，一类是双向变量马达泵。另 一类是液压变压器1 1 1 h 1 2 j 。 图i - 3 恒压网络二次调节系统基本组成 4 第一章绪论 上节提到的动力系统匹配控制方法对动力系统的节能起了一定促进的作用， 并已被挖掘机制造商和终端用户所接受。特别是随着计算机技术的迅速发展，电 子控制系统在液压挖掘机领域也得到了越来越多的应用。这不仅提高了挖掘的工 作效率，同时也在一定程度上降低了挖掘机的耗油量。但是这些功率匹配方法无 法使发动机的工作点维持在其经济区，从而不能从根本上解决发动机燃油效率低 下和排放性能较差的问题。而且随着控制技术的日渐成熟，这些控制方法的节能 效果很难有质的突破。 混合动力技术产生于上世纪九十年代，这种系统通过两个及以上不同类型的 动力源与储能装置，共同配合驱动负载工作。目前应用较多的混合动系统中，动 力源一般为发动机与电动机，储能装置一般为电池或超级电容。 混合动力系统作为一种有别于传统挖掘机动力系统的新型驱动方式，目前其 在汽车的应用日趋成熟，装备有混合动力系统的汽车能使发动机大部分的工作都 处于燃油经济性较高的区域，同时能有效回收制动能量使整车大幅地节油降耗。 混合动力在汽车上的成功应用给传统液压挖掘机的节能研究打开新的思路。许多 科研机构与液压挖掘机生产制造厂商都相继开展了相关理论及应用研究。混合动 力系统运用于液压挖掘机后，其功率匹配控制的思路与方法将发生较大的改变。 1 3 1 混合动力技术在汽车领域的研究现状及发展趋势 混合动力电动汽车h e v 首先在欧洲出现，为了减少对石油进口的依赖，改 善对大气环境的污染，自1 9 9 5 年起，混合动力汽车的研究开发已成为世界各大 汽车生产厂商研究的热点之一。目前，日本丰田汽车等公司开发的混合动力汽车 已达到实用化水平。最近有报告指出，预计在未来的几年间，混合动力汽车的成 本将会大幅下降。预测全球汽车市场的混合动力车型在未来的十年间有望达到年 销售9 6 0 万辆的水平，在全球汽车市场份额将达到1 0 2 1 1 3 】。 从“八五开始，我国有计划地开展了混合动力汽车的关键技术攻关和整车 研制。“九五末期我国在电动汽车的三大关键技术领域( 电池、电机、电控系 统) 取得突破，科技部已将电动汽车产业化列为“十五 国家8 6 3 重大科技攻关 项目。“十五”期间，8 6 3 计划将继续瞄准世界高技术发展前沿，加强创新，实 现从重点跟踪到突出跨越的战略转变。目前，国内的上汽、一汽、东风、奇瑞、 长安、吉利、华普、比亚迪等多家国内汽车企业也先后推出了混合动力汽车。东 风电动汽车公司推出的i s g 型混合动力客车已在试运行，广州市电车公司开发了 混合动力城市客车，华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一款中巴混合 动力汽车。一汽已引进日本丰田公司的p r i u s 混合动力轿车，并直接在我国销售。 5 一 - 中南大学硕士学位论文第一章绪论 上海通用汽车也开始销售b s g 形式的混合动力汽车【1 3 h 1 5 1 。 1 3 2 混合动力技术在工程机械领域的研究现状及发展趋势 混合动力技术在汽车上的成功应用为传统工程机械的节能研究打开了新的 思路。在国外，多家研究机构和制造厂商已经开展了一系列有关混合动力技术的 研究工作。日本的小松、神钢、日立建机、住友、早稻田大学、德国的利渤海尔、 美国的卡特比勒、韩国的现代等都已经开展了混合动力在工程机械上应用研究工 作并取得了阶段性成果。在国内，主要有浙江大学、中南大学、湖南山河智能、 贵州詹阳动力重工、三一重工、柳工、中联重科等科研机构及厂商开始了该技术 的研究。 由于工程机械( 以液压挖掘机为例) 和车辆运行工况和环境的显著差别，车 辆混合动力系统的负载工况变化较平缓，且无明显的周期性，而挖掘机的负载变 化剧烈，周期性强，且周期大概只有2 0 秒，二者混合动力系统有以下区别： ( 1 ) 工作模式不同：车辆混合动力系统的优势主要是体现在上坡a n 速启动时， 由辅助电机提供动力，而下坡刹车制动时，由辅助电机回收能量。工程机械包 括行走和作业两大系统，如挖掘机主要能量消耗在作业系统，其负载和工况变化 频繁且具有周期性，因而可以采用混合动力驱动方式的目的主要是降低作业系统 的能量消耗。 ( 2 ) 能量回收模式不同：车辆混合动力系统的回收能量主要是车辆制动时的 动能，且回收和驱动为同一套系统，混合动力系统的电动发电机和能量回收系 统的发电机可共用一个电机，为单能源单输入的能量回收系统；液压挖掘机混合 动力系统的回收能量既包括回转平台制动动能，还包括动臂、斗杆等的势能，且 回收和驱动为不同的系统，一般混合动力系统的电动发电机和能量回收系统的 发电机为两个电机，是一个多能源多输入的能量回收系统。 ( 3 ) 混合动力系统专用元件要求不同：相对于汽车，挖掘机的工况更加复杂、 负载变化剧烈、运行环境更加恶劣，对混合动力系统及其各主要部件有更高的动 态响应和脉冲过载能力要求，车辆混合动力系统对辅助电机、电量储存装置等的 比功率、快速充放电、循环充放电次数等要求低于挖掘机混合动力系统。 ( 4 ) 集成控制系统不同：由于上述多方面的不同以及液压挖掘机的操控更加 复杂，对集成控制系统的架构和控制策略均提出了不同的要求。 因此，汽车领域的混合动力系统相关共性技术不能直接移植到工程机械领 域，必须针对工程机械的特点，开展混合动力系统的动力复合模式、机电耦合动 力学、系统参数优化匹配、控制策略和能量回收技术等的专项研究，发展一种适 用于工程机械的低成本高性能新型混合动力系统。 2 0 0 3 年，日立建机首次开发了能够节省大量燃油消耗的混合动力驱动的装 6 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 载机。在2 0 0 8 年3 月的美国拉斯维加斯c o n e x p o c o n a g g 博览会上，沃尔 沃公司展出了一台l 2 2 0 f 型油电混合动力装载机。该机混合动力的基本原理是 当装载机在轻载荷或怠速作业时，发电机向蓄电池充电，当装载机在需要加速或 掘起作业时，蓄电池反过来向电动机提供动力辅助工作，增加动力。据报告，这 种混合动力系统节省燃料最高可达1 0 。混合动力部件将增加设备整机的质量， 增加油耗。但是像装载机、挖掘机等工程机械产品都需要有专门的配重，如果将 混合动力部件作为配重的一部分，则不会增大整机重量l l 6 。 在混合动力挖掘机方面，2 0 0 4 年5 月，小松研制成功了世界上第一台 p c 2 0 0 8 中型混合动力液压挖掘机的试验机型，该样机采用了并联式混合动力系 统，并称可节油2 5 。小松研制的并联式混合动力液压挖掘机，在动力复合模 式方面，发动机、电动机和变量泵同轴相连，发动机输出的能量主要用于驱动液 压泵，多余或不足的部分由电机通过发电、电动状态的切换来吸收或补充，该系 统采用了一种分工况恒工作点的控制策略：在某种工作模式下，发动机的转速 与转矩保持不变；当液压泵所需的转矩小于发动机的转矩时，控制器控制与发 图l 一4 小松混合动力挖掘机 动机相连的电动机处于发电状态，吸收剩余的转矩，转化为电能存储在电池中； 当液压泵所需的转矩大于发动机的转矩时，控制器控制与发动机相连的电动机 处于电动状态，电池放电，补充不足的转矩；改变工作模式时，控制器改变发 动机的转速，同时改变电动机电动、发电状态切换时的吸收和补充转矩。这种控 制策略的主要目的是减小发动机的装机功率，稳定发动机的工作点，没有充分考 虑电池的荷电状态，因此当发动机需要补充转矩而电池电量不足或发动机转矩剩 余而电池已饱和时，系统将无法正常工作，该控制策略没有给出相应的解决方案。 同时该系统在能量回收方面，采用了单独的液压马达一发电机来回收动臂下落时 的动能和势能。动臂上升过程中，由控制阀控制动臂油缸的动作，而下放时则由 液压马达一发电机在能量回收的同时控制动臂的下落。该回收方法较为简单独 立，但由于液压马达是并联在油路中，因此在动臂上升过程中控制阀处仍有较大 7 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 的节流损失【1 9 h 2 0 1 。 日立建机的混合动力液压挖掘机系统。该系统采用了并联式混合动力系统， 回转部分与行走部分分别由主控制器和子控制器控制，主控制器根据操作信号和 反馈信号控制发动机、液压泵、控制阀、发电机和整流逆变器，同时与子控制 器进行信号交互。子控制器接收主控制器的信号、监测电池的s o c 状态，以控 制电池的充放电和整流逆变器。通过两个控制器之间的协调，达到提高系统整 体效率的目的。在能量回收方面，采用液压马达一发电机来回收动臂下落时的动 能和势能，并控制动臂油缸下降的速度。同时对回转平台采取电动机驱动的方式， 对回转平台回转制动时的动能进行回收利用。 新卡特彼勒三菱的并联式混合动力液压挖掘机，在动力复合模式方面，发 动机、电动发电机和变量泵通过变速箱耦合在一起，为双轴模式。其工作原理 是：工作时，通过操作手柄打开主控阀组，液压泵驱动执行元件动作，控制器通 过压力传感器和泵斜盘倾角检测器反馈的压力和泵斜盘倾角信号计算液压泵的 输出，并将它分为非波动部分和波动部分，根据液压泵输出的波动部分设置与发 动机转速相关的电动机发电电动状态切换值，从而控制电动机发电电动状态的切 换。当电池的电量超出设定范围时，电动机通过修改过的切换值来改变原来的工 作状态，以使电池的电量在设定值之内。 串联式混合动力系统比较有代表性的是神户制钢所提出的液压挖掘机系统， 柴油发动机输出的动力完全用于驱动发电机发电，电能以直流电的形式储存在电 池和电容当中。与日立和小松研制的系统相同，该系统也采用了电动机取代液压 马达驱动旋转体的方式。另外，该系统采用了电池和电容同时蓄能的方式，在一 定程度上弥补了电池和电容各自的不足，但也使系统变得复杂。该系统的控制由 混合控制器、能量控制器、整流器、电池监测器和发动机控制器构成，其中最主 要的是混合控制器和能量控制器。( 1 ) 混合控制器监测电池的s o c 、发动机的 转速、电容的开启电压和直流电能，经运算后输出电池的充放电请求功率、发电 机的最低和最高功率、发动机的启制动和控制模式信号。其中控制模式根据电池 s o c 的低中高分为三种，在三种模式下，电池的充电能来源均为发电机输出的 电能，电容的充电能为发电机输出的电能和回收的能量，放电时，当电池的s o c 为低和中的情况下，电容优先放电，只有电池s o c 高时，电池优先放电，这种 充放电的控制策略利用了电容寿命长的特点。( 2 ) 能量控制器包括能量分配控 制、直流电电压控制和电容电压控制。它根据混合控制器输出的控制模式、电池 的充放电请求功率、发电机的最低和最高功率以及直流电电压和电容的充放电功 率控制发电机、电池和电容的目标电流。在能量回收方面，由于动臂单元采用泵 一马达的驱动方式，在动臂下降时，马达将回油的液压能转化为机械能直接用来 8 中南人学硕： 学位论文 第一章绪论 图1 - 5 神户制钢的串联式混合动力液压挖掘机样机 与电动机共同驱动泵，若回收功率超出了泵的需求，则多余的机械能通过电动机 ( 此时工作于发电状态) 转化为电能存储在蓄能装置中，从而实现了动能和重力 势能的回收。该回收方法的优点是采用泵一马达的驱动方式，缩短了能量回收流 程，但对系统元件的要求较高，并且增加了控制的复杂度i z 。 在国内，混合动力挖掘机技术的研究主要集中于高校与相关工程机械生产企 业，尽管在产业化方面不及国外的知名企业，但研究工作起步并不晚。 浙江大学是国内最早进行混合动力技术研究的科研机构之一。主要进行了混 合动力挖掘机台架试验和仿真分析等相关研究工作。在台架试验方面，建立了混 合动力液压挖掘机试验系统，并对混合动力系统结构、参数匹配、控制策略及能 量回收等进行了试验研究。在仿真分析方面，通过实测数据建立了混合动力挖掘 机系统整机仿真模型。对串联式、并联式系统的节能效果进行了仿真评价；对动 臂能量回收、回转电驱动方式进行了可行性与有效性分析。浙江大学张彦廷在其 博士学位论文中对混合动力系统的节能效果、控制策略和马达能量回收等方面进 行了仿真和相关试验研究【3 6 】；浙江大学肖清在其博士论文中对混合动力系统的控 制策略及参数匹配进行了建模与试验研裂引。 湖南山河智能机械股份有限公司自2 0 0 6 年开始就一直致力于工程机械代表 性产品挖掘机混合动力节能技术的研究工作，于2 0 1 0 年8 月初正式完成国内首 台自主研发的商品化混合动力挖掘机s w e 2 3 0 sh y b r i d ( 见图1 - 6 ) 的研制。 s w e 2 3 0 sh y b r i d 是在普通挖掘机原有动力系统中，引入了并联混合动力系统， 开发了可靠高效的能量管理系统，动态分配主从动力源能量，使发动机处于最优 的工作点或定工作区，提高燃油经济性的同时有效改善排放；突破传统的回转驱 动方式，采用电动发电机作为动力源，开发基于电机再生制动原理的能量回收 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜6 山河智能混合动力挖掘机s w e 2 3 0 s h y b r i d 系统；克服了传统挖掘机复合动作时难以按需分配的的流量耦合难题，提升了整 机操作协调性及流畅性；开发了具有山河版权的混合动力挖掘机智能监控系统， 以能量流的形式实时反映混合动力系统能量分配、传递及工作模式。试验表明， 所开发混合动力挖掘机节能效果明显：典型的定点挖掘并回转9 0 度装车的工况 中，回转制动回收的能量高达回转所需4 0 ；整机节能效果在2 0 以上，并可 有效的提高工作效率。 贵州詹阳动力重工在2 0 0 7 年1 0 月北京国际工程机械展上，推出了j y l 6 2 1 h 混合动力环保型挖掘机样机，如图1 7 所示。其系统采用并联式混合动力系统， 可以减少能量消耗2 0 f 2 2 j 。 图1 - 7 詹阳动力重工j y l 6 2 1 h 混合动力挖掘机样机及其结构图 此外，在2 0 1 0 年上海b a u m a 展上，三一重工、柳工、中联重科等知名企业 均推出了混合动力挖掘机产品。 1 4 课题的提出与本文主要研究内容 1 4 1 课题的提出 综上所述，在液压挖掘机工作过程中，其动力系统能量损失是引起整机的能 量转换较低的主要原因之一，改进动力系统的结构与提高动力系统的匹配性能是 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 提高整机能量利用率的关键。 在采用发动机作为单一动力源的传统挖掘机系统中，尽管通过采取各种控制 与匹配策略来提高动力系统效率，但因为发动机不可避免地受到挖掘机强变工况 的影响，这将导致这些基于单一动力源的功率匹配方法无法保证发动机稳定工作 在高效区域，从而无法从根本上来解决发动机效率低下的问题。 混合动力系统作为一种有别于传统挖掘机动力系统的新型驱动方式，目前在 汽车的应用日趋成熟，装备有混合动力系统的汽车能使发动机大部分的工作都处 于燃油经济性较高的区域，同时能有效回收制动能量使整车大幅地节油降耗。混 合动力在汽车上的成功应用给传统液压挖掘机的节能研究打开新的思路。许多科 研机构与液压挖掘机生产制造厂商都相继开展了相关理论及应用研究，并取得了 阶级性成果。 本课题以提高液压挖掘燃油经济性为目的，通过理论分析、仿真建模与试验 研究的方法，探索出与液压挖掘机强变工况相适用的液压挖掘机混合动力系统结 构，进行相关控制策略研究。希望通过课题的研究，得出有价值的理论与实用的 方法，为深入地研究液压挖掘机混合动力系统打下基础。 本课题来源于国家8 6 3 高技术研究发展计划项目“新型混合动力工程机械关 键技术及系统开发与示范应用 ，课题编号为2 0 10 a a 0 4 4 4 0 1 。 1 4 2 本文的研究内容 本文在分析研究现有的混合动力驱动与能量回收系统的基础上，确立一种适 应于液压挖掘机工况特点的混合动力系统结构。并以此为基础建立混合动力系统 仿真模型，并进行动