（机械设计及理论专业论文）混合动力挖掘机动力总成及参数匹配方法研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 节能减排是当前工程机械的发展方向，现有的节能方法遇到瓶颈，很难进一步大幅提 高节能效果。随着混合动力技术在汽车上的成功应用，混合动力驱动液压挖掘机节能方案 也受到国内外研究机构的青睐，但至今在国外只有个别公司推出样机，而国内研究才刚刚 开始。本文围绕液压挖掘机混合动力驱动技术的研究取得了以下主要的初步进展： l 、通过对5 t 液压挖掘机的三种动力复合模式的建模，仿真和比较，选择一种以动力n i m h 电池组为储能单元直接接入直流母线的并联复合结构模式，以期节能效果和成本的综 合优化 2 、提出一种基于混合度优化的挖掘机动力参数匹配方法，并用于5 t 混合动力挖掘机设计， 仿真结果表明能满足挖掘机重载工况的动力需求，实现主、辅动力源的优化匹配。 3 、提出一种基于工况识别和动态混合度优化的并联混合动力液压挖掘机动力总成控制策 略，在实现动力源、液压泵和负载三者功率匹配的同时，优化双动力源的工作点，提 高整机的燃油经济性。 4 、提出一种基于能量守恒和四线法的s o c 预测方法，该方法能够适应混合动力挖掘机大 电流、变电流工况下电池组s o c 估算的准确性，克服了传统s o c 估算策略无法适应大 电流变电流工况的缺点。 5 、研究建立了5 t 并联混合动力液压挖掘机综合实验平台，对论文提出的观点和方法进行 了相关试验验证。 关键词：液压挖掘机，混合动力，节能，动力复合模式，参数匹配，控制策略 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e n e r g ys a v i n ga n de x a u s tr e d u c t i o nh a v eb e c o m et h em a i no b j e c t sf o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y h o w e v e r , i ti sh a r df o rt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d st of u r t h e ri m p r o v ee n e r g ys a v i n g s o n e wt e c h n o l o g yi su r g e n t l yn e e d e d t h eh y b r i dp o w e rt e c h n o l o g yi sp a i dm u c ha t t e n t i o nt ob y e n e r g ys a v i n gr e s e a r c h e r so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yd u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ei nh e v h y b r i d e x c a v a t o ri san e wr e s e a r c hd i r e c t i o n o n l ys e v e r a lf o r e i g nc o m p a n y sh a v ep r o d u c e dp r o t o t y p e so f h y b r i de x c a v a t o ra n dw ej u s ts t a r tr e s e a r c ho ni t t h i st h e s i sm a i n l yc e n t r a l i z e dr e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g i e so fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r a n dt h er e s e a r c hp r o g r e s si sa sf o l l o w s ： i t h r e et y p e so fh y b r i dc o n f i g u r a t i o n sa r es t u d i e db a s e d0 1 1t h es i m u l a t i o nm o d e l a f t e r c o m p a r i n gt h e i rm i a np e r f o r m a n c e s ，t h ep a r a l l e lc o n f i g u r a t i o ni nw h i c ht h en i m hb a t t e r i e s a r ed i r e c t l yc o n n e c t e dw i t ht h ed c a cc o n v e r t e ri sc h o s e nt ob et h eb a s i cc o n f i g u r a t i o nf o r f u r t h e rs t u d y 2 ak i n do fp a r a m e t e rm a t c h i n gm e t h o db a s e do nh y r i df a c t o ro p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e da n di s u s e di nt h ep a r a m e t e rd e s i g no fa5 - t o nh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o lt h es i m u l a t i o nr e s u r s h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a l lr e a l i z ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nb e t w e e nt h em a i np o w e r s o u r c ea n dt h e a u x i l i a r yo n e 3 ac o n t r o ls t r a t e g yb a s e do i ll o a dr e c o g n i t i o na n dd y n a m i ch y b r i df a c t o ro p t i m i z a t i o ni s p r o p o s e d i tr e a l i z e sp o w e rm a t c h i n ga m o n gt h ep o w e rs o u r c e ，t h eh y d r a u l i cp u m pa n dt h e l o a d m e a n w h i l ei to p t i m i z e st h ew o r k i n gp o i n t so ft h et w op o w e rs o u r c e sb yw h i c ht h ef u e l c o n s u m p t i o nc a nb er e d u c e d 4 ak i n do fs o ce s t i m a t i o ns t r a t e g yb a s e do nt h el a wo fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n df o u r - l i n e s m e a s u r e m e n ti sp r o p o s e d t h i ss t r a t e g yc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h es o co ft h eb a t t e r i e s w o r k i n gu n d e rh i g hc h a r g i n g d i s c h a r g i n gr a t e s 5 at e s tb e n c ho f5 - t o nh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o ri sb u i l t a n dt h ek e y t e c h n o l o g i e ss t u d i e di n t h i st h e s i sa r ee x p e r i m e n t e do nt h i st e s tb e n c h k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , h y b r i dp o w e r t r a i n ，e n e r g ys a v i n g ，p o w e r t r a i nh y b r i d i z a t i o n ， p a r a m e t e rm a t c h i n g , c o n t r o ls t r a t e g y n 浙江大学博士学位论文 缩写、符号清单、术语表： i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 除了义中特别加以标注和致谢的地方外，论文中彳i 包含其他人已经发表或撰1 ；过的研究成 果，也彳i 包含为获得浙江盘鲎或其他教育机构的学似或证书而使用过的材料。与我一 同t 作的旧志对本研究所做的任何负献均已在论文中作，叫确的说明井表示谢意。 学位论文作者签名：参云 签字日期： 夕p 口夕年岁月罗h 学位论文版权使用授权书 本学化论文作者完全了解迸姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复目j 件和磁蕊，允许论文被裔阅和借阅。本人授权澎姿态兰可以将学化论文的 全；! l j 或部分内存编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保 存、汇编学化论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多冬云 导师签名： 签字h 期：d 夕年8 月；日 签字同期：年月同 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 本文完稿之际，衷心感谢导师潘双夏教授。本文是在导师的悉心指导下完成的。导师 从研究方向选择、关键内容确定、试验方案设计到试验分析及验证等各个环节都给予了重 要的理论指导在他的严格要求下，我才得以顺利完成所承担的课题任务。潘双夏教授生 前从平时很小的问题着手，在“做学问”和“做人”两方面对我进行谆谆教导，使我受益匪浅。 即使在生病住院期间他仍挂念我的学业，并多次带病指导我的科研工作，这是我人生中感 受到的最大震撼。虽然潘老师已经告别了我们，但是他诲人不倦的高尚品德，扎实勤勉的 工作作风，孜孜以求的研究态度，敏锐深邃的科研洞察力，以及锐意进取的精神给我留下 了深刻的印象，促使我学到了宝贵的科研方法，将时刻激励我在今后的科研道路上奋发向 上 感谢机械设计研究所所长冯培恩教授，给我提供了这么好的实验室条件，让我能够安 心科研。他严谨的作风和高尚的人格魅力给我留下了深刻的印象。 感谢管成老师一直以来对我的指导，我们一起激烈讨论问题的一幕幕，我将终身难忘 他渊博的知识和扎实的理论功底，以及无私的奉献精神让我在科研的道路上少走了很多弯 路。他的帮助让我能够全身心投入科研，使毕业论文得以顺利完成。 感谢实验室高宇老师指导我完成硬件的调试和软件的框架，关心照顾我的生活。他渊 博的知识，敏捷的思维和丰富的经验给我留下了深刻的印象，没有他的帮助我的课题将无 法顺利进行，从他那里学到的知识和解决问题的方法将让我一生受益。 感谢浙江大学机械设计研究所提供的良好科研条件，感谢邱清盈副教授，赵亮副教授， 武建伟老师和王维瑞博士后对我的帮助与支持在课题研究方面给予我无私的帮助，并从 科研态度上给予真诚的指导，这一切都令我终生难忘。他们对科研的执着和热情激励我坚 持走下去，更令我受益匪浅。 非常感谢同课题组的季炳伟博士，李贵海、邵力平、曹志文硕士，胡晓杭、白寒、林 潇、来晓靓博士生，王向炜、张敏杰、庹福幸硕士生，他们无论酷暑寒冬，都一直帮助我 进行了大量的样机试验和调试，给予了课题的后续工作很大的帮助。另外还有很多给予我 帮助的同学，同门，和朋友，虽然在这里无法一一列举你们的名字，但你们的帮助我将永 记于心。 感谢多年来含辛茹苦培养我的父母，感谢疼爱和照顾我的姐姐，是他们的支持和鼓励 浙江大学博士学位论文 致谢 才让我走到今天，希望本人的努力能给他们带去一份安慰 另外要特别感谢过艳萍女士，是她对我的理解和支持给以了我前进的动力，在我感觉 科研枯燥无味时，总能想办法给我带来欢声笑语，是她陪伴着我走完了整个酸甜苦辣的博 士生活，希望本文的完成能够给她带来更大的喜悦和安慰。 i i 王冬云 2 0 0 9 年6 月于求是园 浙江大学博士学位论文绪论 1 绪论 【摘要1 分析了液压挖掘机的节能研究现状，比较了各种节能方案的优缺点。针对传统节能 方法遇到的瓶颈问题，介绍了基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案和研究现状，分析了 该方案的可行性、以及待解决的关键技术问题在此基础上确定了本课题的研究内容 1 1 液压挖掘机能耗分析及节能研究现状 液压挖掘机作为建筑行业的主要土方机械，具有作业方式灵活，可多工种作业的优点， 据统计，世界上6 5 一7 0 的土方工程由液压挖掘机完成。但是在能源和环保问题日益严重 的今天，液压挖掘机能耗大、排放差的缺点也越来越显现，因此对其进行进一步节能研究有 着重大的意义 1 1 1 液压挖掘机能耗分析 由于液压挖掘机动力传递结构的复杂性，能耗分布于各个能量转换环节据统计，液压 挖掘机能耗主要集中在以下3 个方面【1 】【2 1 ： 1 ) 发动机自身的能耗； 2 ) 液压系统的能耗； 3 ) 发动机功率与负载需求功率不匹配造成的能耗。 液压挖掘机能耗如图1 1 所示 1 ) 发动机的能耗 发动机的动力性和经济性指标不仅取决于本身的特性，还与实际工作负载有很大关系 3 1 只有当负载转矩等于发动机的额定转矩时，发动机才能输出额定功率，并工作于高效区域。 在液压挖掘机工况下，载荷波动剧烈且周期性变化，发动机的工作点随着负载波动变化较大， 无法工作于额定功率输出状态，燃油效率较差 拉动机 口0 口- ，蕾篡 觚4 剖“”l _ 图1t 液压挖掘机能量损耗示意图 2 ) 裹压系统的能耗 虽然液压系统效率与液压畚统型式、挖掘工况和驾驶员目惯有关，但能耗方式相似，文 献【4 】对液压挖掘机液压系统能量损耗做7 非常详细的分析，王要集中于三个方面 ( 1 ) 多路阎节流损失 液压挖掘机所采用的多路阀( 一般为三位六通阀) ，相当于旁路节流系统。当系统不工作 时，闻芯处在中位，泵输出的液压油直接流回油箱，由于中位回油i j 的节流作用，回油路存 在压降，造成空流损失当系统工作时，中位回油口逐渐关闭进行节流，造成节流损失。 ( 2 ) 安全阀溢流损失 挖掘机液压系统主油路安装有溢流阔，用于设定系统安全压力。液压泵出口压力随负载 变化，当负栽压力超出系统安全压力时，溢流阎开始溢流，造成溢流损失。此外，上车回转 机构启动、制动时也存在溢流情况，具体溢流情况参见文献【4 5 】。 ( 3 ) 营路阻尼损失 挖掘机中，液压泵通常安装在驾驶室后面，液压油需要流经较长的液压油管，才能输入 到工作装置。管路的阻尼作用使液压系统产生沿程压降，液压油管的直径和走线万式对管路 压阵均有很大影响。文献【4 埘泵出口赴的空流压力进行7 剥量，其中较大部分来自管路阻 尼。 浙江大学博士学位论文 绪论 3 ) 动力源与负载需求功率不匹配造成的能量损耗 液压挖掘机是一种多关节工程机械，液压泵输出的高压液压油经多路阀分配到各工作关 节。由于各关节的动作由驾驶员操作习惯和负载状况决定，为了保证挖掘机的动力性及调速 性，液压泵输出的液压油压力必须高于最高负载关节的压力，且输出的流量必须比关节需求 大，最终多余的流量则经过溢流阀溢流回油缸，造成较大的能量损耗，这里引用文献【l 仲 给出的挖掘机工作过程中功率匹配图作为验证，如图1 2 所示 功 盎 一冷 负载需求功率率v v ” ul j i 率 时间 图1 2 动力源与负载功率匹配情况 1 l 1 1 2 液压挖掘机节能研究现状 为了改善液压挖掘机能量效率不高的状况，工程机械节能研究专家提出了多种节能方法， 分析其原理，这些节能方法主要从以下几个方面做了改进： 1 ) 开发新的发动机技术，提高发动机的燃烧效率 近年来工程机械发动机技术得到了很大进展，在提高燃烧效率及减少污染物排放等方面 取得了较大突破。产生了如涡轮增压【刀，电控燃油喷射t s i ；j , 及高压共轨技术【9 1 等，对液压挖 掘机整机效率的提高发挥了巨大的作用。 2 ) 开发新的液压系统减少液压系统的节流和溢流能耗 如正流量控制系统，负流量控制系统，负载敏感控制系统【1 0 】u 2 】等这些系统在不同厂 家机型中均有应用，如：日立建机的e x - 4 0 0 采用了正流量控制系统；日立建机( h i t a c h ) 的 e x 2 0 0 ，卡特彼勒的c a t 3 0 0 系列挖掘机配置负流量系统；日本小松( k o m a t s u ) 应用于p c - 7 8 o qc l s s ( c l o s ec e n t e rl o a ds e n s i n gs y s t e m ) 系统，以及博世力士乐( b o s c hr e x r o t h ) 开发的 浙江大学博士学位论文绪论 l u d v 阀 1 3 1 则是负载敏感系统的典型应用 3 ) 优化发动机、液压系统和负载的全局功率匹配 为了改善发动机功率与负载需求不匹配造成的能耗，各工程机械厂商及研究机构都在进 行相关研究。随着电子技术的日益成熟及其在挖掘机上的应用，出现了柴油发动机油门电控 技术，液压泵的变排量电控技术，以及电液比例控制技术等，为全局功率匹配控制提供了很 好的技术手段。相继出现了发动机的分工况控制、自动怠速控制以及发动机、液压泵协调控 制技术等 9 3 1 【9 7 l 。 虽然很多专家和研究机构都致力于液压挖掘机节能研究，但由于其复杂结构和作业工况， 要进一步提高节能效果非常困难，原因如下： 1 ) 发动机自身技术已经比较成熟，但在变负荷状态下燃油效率低排放差的问题，尚没有突 破，因此发动机实际作业时的燃油效率仍然不高，排放仍然不理想； 2 ) 液压系统的节能技术也已成熟，要通过液压系统的改进来进一步大幅提高节能效果比较 困难； 3 ) 液压系统的动力特性与发动机的动力特性完全不同，通过相关的功率匹配技术只能改善 但难以彻底解决动力系统与负载之间的功率匹配问题。 从以上分析可知，通过发动机和液压系统的改进已经很难进一步大幅提高挖掘机的节能 效果。而针对发动机与负载的功率匹配，仍有较大提升空间，但又受到现有动力结构的限制， 因此有专家认为要想进一步大幅提高液压挖掘机的节能效果，必须重新审视挖掘机的动力系 统结构。随着混合动力技术在汽车行业的成功应用，工程机械研究者也开始对混合动力技术 进行相关研究，以期开发新的节能方案。 1 2 混合动力技术研究现状 1 2 1 混合动力系统简介 混合动力系统是指由两种或两种以上的动力组合输出动力的系统，并于十九世纪末应用 到汽车领域。混合动力技术在提高汽车的燃油效率和降低排放等方面起到很好的效果 1 4 1 一【1 7 1 目前汽车领域研究的混合动力技术包括两种类型：电混合和液压混合。电混合( e l e c t r i ch y b r i d ) 4 浙江大学博士学位论文 绪论 中主动力由发动机提供，辅助动力由电动机提供，能量存储介质为电池、电容或两者的组合 根据主动力源与辅助动力源的组合方式不同，电混合可以分为串联，并联和混联三种系统1 8 卜 2 0 l ，如图1 3 所示，关于电混合动力研究现状的进一步阐述将在下一节中进行。 ( a ) 串联 ( b ) 并联 ( c ) 混联 图1 3 汽车油电混合动力系统三种结构原理图 液压混合( h y d r a u l i ch y b r i d ) 中主动力源由发动机组成，辅助动力源由液压泵马达组成， 而能量存储单元由液压蓄能器组成。和电混合一样，液压混合也具有三种混合动力结构，如 图1 4 所示美国新能源环保署( e p a ) 将液驱混合动力技术的研究运用在城市的运送卡车、 大型s u v 、皮卡及其他车辆如校车、垃圾运输车上，今后也将应用到轿车上。美国环保署还 e a t o n ( 伊顿) 及f or d ( 福特) 公司合作在2 0 0 4 年推出了一款全尺寸装备柴油动力的液驱混 合动力s u v 样车，据报道节油效果达n 5 5 2 液压混合动力的关键技术主要集中于蓄能 器以及液压泵马达的性能，马里兰大学在液压蓄能器的研究方面做了大量的研究工作，提出 了基于磁致伸缩原理的蓄能器方案并进行了试验验证 2 2 - - 2 6 1 另外国内，学者也已经开始进 行液压混合相关研究【2 7 - - 1 3 1 1 。 虽然两种混合动力技术在汽车上均有研究，但由于电混合技术已经在汽车领域得到成熟 的应用，而且出现7 商品化的混合动力汽车产品，在技术上有许多有价值的参考，所以本课 题主要研究油电混合动力液压挖掘机本文后续章节中出现的混合动力特指油电混合动力。 一章弋l 三7 掣 一_ 謦i il j _ _ t 蓄能器 ? l i i 严孓jl 牛皇纤 圉14 汽车液压混合动力系统结构原理 1 2 2 混合动力技术研究现状 目前混合动力技术主要应用领域有汽车，工程机械等。 1 ) 汽车j 昆合动力技术研究现状 汽车混台动力技术已经在国内外汽车领域掀起7 研究热潮。日本丰田公司在1 9 7 7 年就推 出t 旺“汽抽机和发电机一电动机一蓄电池”混合系统为动力的p r l u s 轿车，经市场验证节能效 果很好，目前丰田公司已经推出两代p r l u s ，销售量已经宪破5 0 万辆，p r i u s 三代也已开始研 究并将在2 0 0 9 年推出除t 日本丰田，其他汽车厂商也均有推出自己品牌的混合动力车辆， 表11 列出7 国外典型的混合动力车型。 我国从八五计划已经开始进行混合动力汽车的研制，国内的汽车厂商和科研机构都已经 开始进行混合动力相关研究，清华大学，华南理工大学，北京理工大学，哈尔滨工业大学， 浙江大学博士学位论文绪论 上海交通大学，长安大学及香港大学都在进行混合动力研究，并已将相关成果应用于公共汽 车、轿车和卡车上另外奇瑞汽车集团推出的a 5 型号的混合动力汽车，配置启动发电一体 机作为辅助动力源，该车型已经在奥运期间投入服务，并推向市场3 2 1 。 表1 1 典型混合动力车型【9 1 1 车型 类型 品牌公司国家 e c c 沃尔沃瑞典 新能级2 0 1 0 福特美国 串联 考斯特c o a s t e r丰田日本 太空s p a c e 三菱 日本 高尔夫大众德国 l s r 福特美国 i n s i g h t 本田日本 并联 道奇一无畏e s x 2克菜斯勒美国 p t h福特美国 下一代n e x t雷诺法国 c i t a d e l 克莱斯勒美国 p r i u s丰田日本 混联p s h e v 福特美国 e f o u r丰田日本 混合动力汽车研究主要集中于动力复合模式、能量存储单元、控制策略和制动能量回收 在动力复合模式方面，串联系统，并联系统，混联系统均有较为深入的研究；在能量存储单 元方面主要采用高性能的存储介质并改进能量存储单体加工工艺来实现寿命的延长及能量、 功率密度的提升；在控制策略方面主要综合优化主动力源与辅助动力源的工作区域，并通过 一定的策略进行扭矩分配；在能量回收方面，主要研究解决制动安全性与能量回收效率的优 化问题。 2 ) 工程机械 混合动力技术在工程机械的应用研究，也拉开了帷幕，并已经在多种机型上开展研究， 如起重机，装载机，叉车以及液压挖掘机等。 上海振华港机的轮胎式集装箱起重机( r t g ) 采用超级电容作为能量存储装置，当起重 机不工作时，超级电容处于准备状态，当提升集装箱时，直流母线电压下降，超级电容器放 浙江大学博士学位论文 绪论 电，反之当集装箱下降时，超级电容器吸收能量 3 4 1 另外武汉理工大学在起重机混合动力方 面也进行了相关研究 3 s j 3 6 1 。 在装载机方面，日立建机在2 0 0 3 年首次开发了基于混合动力驱动的装载机。2 0 0 8 年3 月，沃尔沃公司在拉斯维加斯c o n e x p o c o n a g g 博览会上展出了l 2 2 0 f 型油电混合动力 装载机，当轻载荷或怠速作业时，发电机向蓄电池充电，当需要加速或掘起作业时，蓄电池 向电动机提供动力辅助工作。据报导，这种混合动力系统节省燃料最高可达1 0 。 在叉车方面，2 0 0 7 年小松开始销售混合动力型叉车，采用了蓄电池与电容器组合的混合 动力方案，电容器用于再生能量回收丰田也提出了新型燃料电池混合动力叉车，据报道将 在2 0 0 9 年展出。 在混合动力挖掘机方面，日本小松( k o m a t s u ) 于2 0 0 4 年5 月推出p c 2 0 0 8 型混合动 力挖掘机的试验样机，该样机采用了并联式混合动力系统，并称可节油2 5 。同年日立建机 也研制出了2 0 吨的混合动力挖掘机。2 0 0 6 年4 月在法国巴黎的i n t e r m a t 展上，纽荷兰与 神钢联合研制推出了7 吨混合动力液压挖掘机样机，引起了广泛的关注。本课题主要研究液 压挖掘机混合动力技术，因此需要对混合动力挖掘机研究现状做进一步分析。 1 2 3 挖掘机混合动力技术研究现状 鉴于混合动力技术在混合动力汽车上的成功应用，混合动力技术逐渐受到工程机械研究 者的青睐，尤其对于液压挖掘机这种用量大，能量效率低，排放差的土方机械，应用混合动 力技术将给液压挖掘机节能注入新的生机。小松，神户制钢所、新卡特彼勒三菱以及沃尔沃 集团等各大工程机械制造商，纷纷开展了混合动力系统在工程机械上应用的研究工作。 小松的并联式混合动力液压挖掘机复合模式原理如图1 5 所示，采用了典型的并联结构 发动机，电动机和变量泵通过动力耦合器联结，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动机吸收或补充。该系统采用了分工况恒工作点控制策略【3 7 1 3 8 1 ，该策 略描述如下： 1 ) 设定发动机工作模式，将油门调整到对应位置，确定发动机的目标工作点； 2 ) 通过负载扭矩计算单元得到液压泵的实时吸收扭矩，也即动力源的负载扭矩； 3 ) 当发动机的目标输出大于负载需求时，控制电动机1 进入发电模式，将发动机多余功 率转化为电能，存储到电池中； 浙江大学博士学位论文绪论 4 ) 当发动机的目标输出小于负载需求时，电动机l 进入电动状态，电池组放电，补充不 足的扭矩； 5 ) 根据工况改变发动机的工作模式，改变发动机的目标转速和目标转矩，通过第2 ) 第 3 ) 步的控制方法稳定发动机工作在新的工作点。 小松提出的控制策略能够稳定发动机的工作点、减小发动机的装机额定功率，提高了发 动机的燃油效率，不足在于没有考虑电池的荷电状态及电动机的工作效率当负载需求大于 发动机目标输出而电池s o c 又较低时，将影响系统的动力性能。相反，当负载需求小于发动 机目标输出而电池s o c 又较高时，将无法充分利用发动机的功率这两种情况下都无法实现 控制目标，难以提高燃油效果，甚至损坏电池由于该策略无法协同优化电动机和电池的工 作效率，很难实现最佳燃油效率的目标。 图1 5 小松混合动力液压挖掘机结构原理图 日立建机的混合动力液压挖掘机系统【3 9 】的结构原理如图1 6 ，控制原理如图1 7 所示该 系统同样采用并联式混合动力系统，而且回转部分与行走部分均由电动机驱动。其过程如下： 上车机构与底盘及行走机构分开控制，主控制器根据操作手柄信号( 即驾驶员指令) 控 制液压泵、液压阎、发动机、电动机和逆变器，并获取这些元件的反馈信号，实现准确控制。 子控制器则控制电池和逆变器的工作模式，并监测电池的s o c 及其他工作参数。同时主控制 器与子控制器之间通过c a n 总线交互信息，实现整机的协调控制。 9 浙江大学博士学位论文绪论 图1 6 日立混合动力液压挖掘机复合模式原理图 3 0 l 图1 7 日立混合动力液压挖掘机控制原理图1 3 9 1 日立建机混合动力系统还具有能量回收功能，采用液压马达一发电机回收动臂下降时的 动能和势能，并控制动臂油缸的下降速度。另外回转平台采用电动机减速驱动，回转制动时 能够实现动能回收。此外，该系统采用主从控制模式，控制灵活，在能量回收方面也达到了 较好的效果。不足之处是控制策略没有对不同工况进行控制模式的切换，难以保证多工况适 应性。 i o 浙江大学博士学位论文绪论 新卡特彼勒一三菱的混合动力 4 0 1 系统原理如图1 8 ，为并联系统，其控制原理如图1 9 。 在动力复合模式方面，发动机、电动发电机和变量泵同轴耦合。在控制方面，该系统采用了 集中控制方式，主控制器采集操作手柄，工作模式开关信号，根据驾驶员的操作意图控制液 压泵、多路阀和逆变器的输出，主控制器还同时监测发动机转速，电池的工作参数和液压系 统参数。在能量分配方面，主控制器根据压力传感器和流量传感器的值计算负载扭矩，根据 负载的波动情况以及s o c 的工作范围，确定电动机的工作模式和扭矩大小，实现扭矩的合理 分配。 液上 压压 多 压 司o 路 。叫 司j 阀 司； 图1 8 新卡特彼勒一三菱混合动力系统原理图 图1 9 新卡特彼勒一三菱混合动力液压挖掘机控制原理图 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【4 1 卜【删，该系 统也采用了电动机取代液压马达驱动上车回转机构的方式，而且采用了单泵单关节电液驱动 结构，如图1 1 0 所示。柴油发动机输出的动力全部转化为电能，用于驱动各关节或储存在储 能单元中。储能单元由电池和超级电容组合构成，在一定程度上弥补了电池和电容的不足， 但也增加了系统的复杂程度。 浙江大学博士学位论文 绪论 在控制方面，该系统采用了分散控制，集中管理的方式，整个控制系统由动力总成系统、 能量管理系统，电池管理系统和发动机管理系统组成，其中动力总成系统和能量管理系统是 系统的核心【4 1 1 4 5 1 1 4 6 1 ，功能分述如下- 1 ) 动力总成系统监测发动机转速、电池s o c 、超级电容的电压及直流母线电流等工作 参数，根据这些参数来确定控制模式，进而确定主动力源与辅助动力源的扭矩分配 2 ) 能量管理系统负责能量的分配、并实现对直流母线电压的控制，使其稳定。该系统根 据动力总成系统输出的命令，控制发电机、电动机，电池和电容的工作电流，实现扭 矩的分配。 。r _ 1 一一一j瞰 l 厂m h 闺印f 陌l 一 电动发电机l 二 m 阀一 逆 变频器 液压翟一 液 匿 二硎 电动机山 变变频器液压坠 压 白 工二硎 电动机山 p 卣器阀 变频器 丁1 嗍回转 电动发申i 帆几一- 图1 1 0 串联式混合动力挖掘机结构原理图 在能量回收方面，动臂单元采用泵一马达的驱动方式，动臂下降时，马达将液压能转化 为机械能，并与电动机一起驱动液压泵当回收功率超出液压泵需求时，多余的能量用通过 电动机转化为电能存储到储能系统，从而实现能量回收。 综上分析可知，国外尤其是日本工程机械企业已经对液压挖掘机混合动力技术进行了相 关研究，有的企业还推出了试验样机，取得一定的成果，但在控制策略、动力复合模式和参 数匹配等方面还尚未成熟，而且各家研究相互独立，技术保密，很难获取进一步的研究资料， 因此有必要立项进行液压挖掘机混合动力关键技术的研究。 1 2 浙江大学博士学位论文绪论 1 3 课题的提出及研究内容 1 3 1 课题的提出 工程机械是国家基础建设的主要装备，挖掘机械是最复杂的工程机械之一，高效、节能 环保和机器人化是挖掘机械发展的重要方向 工程机械在我国发展了近六十年，目前进入了高速发展阶段，仅0 8 年1 5 月，工程机械行 业实现了1 1 4 8 0 1 亿元总产值，同比增长4 2 3 ，其中销售产值7 6 3 1 3 亿元，同比增长4 7 7 9 【1 4 0 随着我国基础建设的蓬勃发展，预计在未来十年内，工程机械行业将继续保持快速增长工 程机械市场需求巨大，但其能耗高，排放相对较差的缺点，对我国能源和环保提出了巨大的 挑战因此开发新型节能技术，并应用于未来工程机械产品，不仅具有巨大的市场需求，而 且对于降低能源消耗、实现可持续发展具有重大现实意义，是政策所趋。 由于混合动力技术在混合动力汽车领域表现出较好的节能效果，混合动力技术在液压挖 掘机上的应用开始得到重视。但显然工程机械( 以液压挖掘机为例) 和车辆运行工况和环境 的显著差别，主要表现为以下几个方面： 1 ) 负载工况不同：汽车主要以速度为目标，由于速度无法突变，负载变化相对平缓。而 挖掘机挖掘时，土壤情况影响动力系统的输出扭矩，扭矩的突变特性容易引起动力系 统负载的突变。而且挖掘机循环作业，周期短，单周期中载荷波动剧烈，工况相比汽 车更为复杂。 2 ) 工作模式不同：混合动力汽车的优势主要体现在上坡加速启动时，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个部 分，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。 3 ) 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 包括转台制动动能，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 浙江大学博士学位论文 绪论 输入的能量回收系统。 4 ) 混合动力系统专用元件要求不同：挖掘机相比于汽车工况更为复杂，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。 5 ) 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，必须针对工程 机械的特点，进行动力系统复合模式、动力参数优化匹配、动力总成控制策略和储能技术的 研究，提出一种适用于工程机械的低成本高性能的新型混合动力系统 混合动力挖掘机在国内外研究刚刚开始，各项关键技术尚未成熟，但混合动力的节能优 势已经凸显。本项目针对这一趋势，结合项目组在机电产品的概念创新、广义优化设计、虚 拟设计，智能c a d 、挖掘机械智能化及其节能控制技术等方面的长期研究积累，开展混合动 力液压挖掘机关键技术的研究，为混合动力挖掘机的产业化提供理论、方法和技术支持，不 仅是当前挖掘机械研究和产业发展的前沿课题，而且对打破国外产品的技术壁垒及大幅提高 工程机械企业的核心竞争力和中长期发展潜力都具有重大理论意义。本课题得到浙江省重大 科技攻关项目的支持，项目代码：2 0 0 6 c 1 1 1 4 8 。 1 3 2 研究内容 针对液压挖掘机结构和工况特点，研究适用于液压挖掘机的混合动力复合方式，参数匹 配方法及能量管理系统。并以5 t 液压挖掘机为对象，建立混合动力综合试验平台，开发适合 于5 t 液压挖掘机的动力总成控制策略，建立整机的集成控制系统和关键系统，为样机试制提 供理论和实践基础。具体研究内容和技术方案如下： ( 1 ) 液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 对5 t 液压挖掘机实际工作过程中的载荷数据进行采集，分析和处理，得到液压挖掘机的工 况模型，在此基础上得出能够适应该工况的液压挖掘机动力源结构。采用 m a t l a b s i m u l i n k 建立混合动力关键零部件模型，作为理论分析和仿真验证的基础。 ( 2 ) 混合动力挖掘机复合模式研究 1 4 浙江大学博士学位论文绪论 针对液压挖掘机串联、并联和混联三种混合动力复合模式，设计可行方案并进行对比研 究以混合动力关键零部件模型为基础，建立三种复合模式的系统仿真模型，综合对比三种 复合模式的燃油经济性，动力性和成本增加幅度，得出较适合液压挖掘机的混合动力复合模 式。 ( 3 ) 并联混合动力挖掘机参数匹配方法研究 研究参数匹配对混合动力液压挖掘机综合性能指标的重要性，提出混合度，动态混合度 和动态最佳混合度的概念，研究一套适合并联混合动力挖掘机的参数匹配方法，在并联混合 动力液压挖掘机仿真模型上对参数匹配的结果进行仿真研究 ( 4 ) 并联混合动力挖掘机动力总成控制策略研究 研究基于工况识别和动态混合度优化的动力总成控制策略，给出实现方案，并进行试验 验证 ( 5 ) 并联混合动力挖掘机能量管理系统研究 根据5 t 并联混合动力挖掘机工况对能量存储单元的充放电要求，设计能量储存单元结构， 研究适应大电流、变电流充放电工况的基于能量守恒和四线法的动力n i m h d 巳池组s o c 估算 方法，并通过试验验证其效果 ( 6 ) 并联混合动力挖掘机试验台方案及实现方法研究 研究混合动力挖掘机试验台的整体结构方案及集成管理系统架构，建立发动机油门控制 系统，电机控制系统，能量存储管理系统以及液压模拟加载系统，这些子系统与动力总成控 制系统一起组成了混合动力试验台的测控系统。 浙江大学博士学位论文液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 2 液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 【摘要】分析了普通液压挖掘机结构及工况特点，研究了混合动力液压挖掘机的功能需求， 提出了混合动力液压挖掘机的设计目标。以5 t 液压挖掘机为基础，建立了混合动力关键部件 子模型，为课题研究奠定基础 2 1 传统液压挖掘机结构及工况特点分析 液压挖掘机根据铲斗的安装结构方式不同，分为正铲和反铲两种，它们在作业方式和作 业范围上区别较大。本文主要对应用范围较广，市场占有量较高的反铲液压挖掘机进行研究， 提及的液压挖掘机专指反铲式液压挖掘机 2 1 1 传统液压挖掘机结构及工况特点 1 ) 液压挖掘机结构布局特点 液压挖掘机由回转平台、动臂、斗杆、铲斗、行走马达等工作装置组成，是集机、电、 液和控制于一体的复杂系统，其结构原理如图2 1 和图2 2 所示，各关节动作通过相应多路阎实 现，其中阎控油缸或马达原理如图2 3 ，通过控制多路阀的工位和阀口开度来控制油缸的运动 方向和速度，其中5 个关节由6 个多路阀( 其中左右行走各一个) 单独控制，因而能够实现 挖掘机的各种复合动作不同厂家的挖掘机液压系统型式不同，下面主要介绍液压挖掘机的 典型液压系统型式及先导系统 多路阀控制回路 图2 1 传统液压挖掘机结构原理图 1 6 r 。 w 22 液压挖掘机工作装置结构圉 。先导油口 达 ，一先导油口 囹23 作装置阎拉睬理圉 2 ) 挖掘机液压系统型武 挖掘机液压系统有单泵、双泵和多泵结构。目前典型的液压系统型式有恒功率系统，负 荷敏感系统，正流量系统，负流量系统等，文献h 7 】 4 9 】 s o 【5 2 】对这四种系统进行了比较 详细的原理介绍，本文不再赘述 3 ) 瘕压先导系统 不同型式的液压系统都由相应的先导系统辅助实现，且各若节运动速度及其复合葡作也 需要先导系统调节多路阀完成，因此先导系统在挖掘机液压系统中发挥着重要作用。先导系 统的典型结构有液压先导和电液比例先导两种，如图2 4 所示。液压先导方式采用液压先导 手柄，当操作手柄时，先导压力油输出到相应的多路阀先导油口，驱动阔芯动作，阀口打开， 浙江大学博士学位论文 液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 主油路与工作油腔接通，实现相应动作。电液比例先导通过电手柄产生控制信号，该信号用 于驱动电液比例减压阀的阀芯位移，液压油通过减压阀进入多路阀先导油1 2 1 ，从而接通主油 路，实现相应动作。需要说明的是，图2 4 只画出了一路先导油路，在实际使用中液压手柄 和电手柄都有四个自由度可以独立控制四路先导油路从而控制两个关节的动作 液压手柄 2 1 2 液压挖掘机工况特点 ( a ) 液压先导 油口 ( b ) 电液比例先导 图2 4 多路阀先导控制方式 液压挖掘机是一种多功能工程机械，能够进行多种作业操作，如深沟挖掘，管道填埋， 场地平整并伴随装车操作( 5 3 】1 5 4 ，同时还能适应各种恶劣的操作环境及土壤品质，如沙土， 石子土，硬土等。另外，液压挖掘机不同于轮式机械，在作业过程中只进行周期性的挖掘动 作，通常不行走，因此其作业过程又呈现循环往复的周期性特点 液压挖掘机作业过程主要由挖掘、动臂提升、满斗回转、卸料，动臂下降，空斗回转等 基本动作组成，每个动作又由多个关节复合完成。图2 5 描述了挖掘机一个标准挖掘工作循环 的时间分配，其中黑色阴影表示关节处于工作状态，白色表示停止状态可见每个动作时间 浙江大学博士学位论文液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 短而且循环周期只有1 5 s 。 执行循环时间 元件 012 3 4 5 6 7 891 01 11 21 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 斗j 什化硎 _ 铲斗挖掘 动臂提升 满斗吲转 ， 空斗回转 _斗杆卸料 铲斗卸料 动臂f 降 2 0 1 5 爵 曼1 0 a 一 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 t s ( a ) 重载挖掘 ( b ) 场地平整 图2 65 t 液压挖掘机泵输出压力变化谱 1 9 浙江大学博士学位论文 液压挖掘机工况分析及混合动力建模方法研究 时间洮 ( b ) 场地平整 图2 7 普通5 t 挖掘机重载挖掘工况下发动机的转速波动曲线 由于发动机与液压泵直接机械联接，泵出1 2 压力的波动直接引起发动机工作点的变化， 如图2 8 所示