液压挖掘机混合动力系统优化控制策略.pdf

电气与自动化 敬奇锋， 等 液压挖掘机混合动力系统优化控制策略 液压挖 掘机 混合 动力 系统优化控 制策略 敬奇锋 ， 谭业发 ， 高立 ， 董贵杨 ， 杨 自双 ， 何家周 ， 雷建成 1 ． 解放军理工大学 工程兵工程学院。 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 ； 2 ． 成都军区双流工兵器材仓库。 I／ l Ul l 成都 6 1 0 2 0 0 摘要 通过分析传统混合动力液压挖掘机 动力 结构及工 况模 式 。 确定 了 内燃机 高油耗 区域。 以并联 混合动力 系统为基础 ， 提 出了基 于主 动识别 工况模 式的 自适应调 整动 态最佳 混合 度的 优化控制策略。该控制策略建立了四级动态最佳混合度， 通过分工况控制， 自适应功率匹配， 使 内燃机 始终工作 在最佳经济点附近。 以 MA T L A B ／ S i m u l i n k软件 为基础 ， 建立 了基 于优 化控 制策略和传统混合动力挖掘 机的 内燃机扭 矩、 油耗等模型并进行仿真 。仿 真试验结果表 明 ， 与 传统混合动力挖掘机相 比 ， 基 于该优化控制策略的混合动力 系统能进一 步提 高燃 油效 率 ， 达到 更好的节能效果。 关键词 液压挖掘机 ； 混合动 力； 控 制策略 ； 建模仿真 中图分类号 T D 4 0 2 。 T P 3 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 3 0 3 0 1 8 0 ． 0 4 Op t i ma l Co nt r o l St r a t e g y o f Hy br i d S y s t e m i n Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r J I N G Q i - f e n g ‘ ’ ， T A N Y e - f a ，G A O L i ，D O N G G u i y a n g ， Y A N G Z i - s h u a n g ， H E J i a - z h o u s ，L E I J i a n c h e n g 1 ． E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g Co r p s ，P L A U n iv ． o f S c i ． T e c h ． ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， Ch i n a ； 2 ． S h u a n g li u E n g i n e e r i n g E q u i p me n t D e p o t o f C h e n g d u Mi li t a r y R e g i o n ， C h e n g d u 6 1 0 2 0 0 ， Ch i n a Abs t r a c t Po we r pa t h an d lo ad mo de o f t h e t r a dit i o n al h y b r id h y d rau l ic e x c a v a t or i s a n aly z e d，a n d t h en t h e high f u el c on s u mp t i o n ar e a o f t h e e n g i n e is f o u n d ． A n o p t ima l c o n t r o l s t r a t e g y o f a d a p t iv e l y a d j u s t i n g t h e d y n a mi c o p t i ma l D OH d e g r e e of h y b r i d iz a t io n b y a c t iv ely r ec o g niz i n g t h e lo a d mo d e is p rop o un d e d ba s e d on p a ral le l h y b r id s y s t e m．Und e r t h is o p t i ma l c on t rol s t rat e g y，t he d y n a mic o p t imal h yb r i d i z a t i o n i s d i v id ed in t o f o u r grad es a nd t he en g i n e is a l wa y s ma de wo r k in g aroun d t h e o p t imal ec o n omi c al a r e a b y mult i - c on dit i o n s c o n t rol an d a d a p t iv e p o we r ma t ch ． The f ue l c o n s u mp t ion an d t o r qu e mo d els of t h e e ng i n e in h y b r id e x c a v a t or wit h t h e op t i ma l c o n t r o l s t r a t e g y a n d t r a d it io n a l h y b r i d v e h ic le a r e e s t a b l is h e d a n d s i mu la t e d by MA T U B ／ S i mu I i n k ． T h e s i mu la t io n res u lt s i n d i cat e t h a t ，u n d er t h i s s t r a t e g y，t h e f u e l c o ns u mp t ion is r e du c e d an d t h e en e r g y is s a v e d mor e e ffic i e n t ly i n t h e h y br i d s y s t e m． Ke y wor dsh y d rau l ic e x c a v a t or ；h y b r id p o we r ；c o n t rol s t r a t e g y；mo de l in g an d s i mu l a t i o n 液压挖掘机在工程建设中应用十分广泛 ， 内燃机、 液 压系统能量耗损和功率不匹配等导致动力系统能量损耗 较大， 燃油效率偏低。节能控制技术的应用， 不仅可以提 高液压挖掘机燃油效率， 还能使功率更好匹配。液压挖掘 机的节能控制主要集中在电液比例控制智能化、 负荷传感 控制、 可变参数控制、 现场 总线技术 和嵌入式 系统等 领域 。 2 0 0 4年 5 月小松公 司推出了世界上第 一 台试 验型混 合动力液压挖掘机 ， 此后 ， 国 内外对 液压挖 掘机混合 驱动 技术 的研究越来越 广泛 ， 并 取得 了较大进 展 ， 但 在 内燃 机 和电动机的输出功率优化匹配方面仍需不断深入研究。 本文针对输出功率优化匹配的问题 ， 通过分析混合动力系 统结构及工况能耗， 采用动态最佳混合度动力耦合思路 ， 提出基于主动识别工况模式的自适应调整动态最佳混合 度的优化控制策略， 使内燃机始终位于经济工作区， 从而 进一步提高燃油效率和使用寿命。 1 混合 动力系统 结构与效能分析 1 ． 1 混合动 力系统结构 本文研究对象为某型 6 T级液压挖掘机， 内燃机额定 功率 3 7 ． 4 k W， 额定转速 2 1 0 0 r ／ mi n ， 最大扭矩 2 0 7 N m。 该挖掘机动力 传递 方 向如 图 1 所示 ， 由洋 马 4 N T V 9 4 L内 燃机驱动四泵系统， 四泵系统经过先导操作及多路阀控制 为挖掘机的行驶、 作业提供动力。图 1中 P 1 ， P 2 ， P 3为工 作泵 ， P 4为先导泵。 ④ ④ ⑧ ④ 四泵系统 ▲ 洋马4 NT V 9 4 L 内燃机 图 1 传统挖掘机动 力传递方 向 作者简介 敬奇锋 1 9 8 3 一 ， 男 ， 四川南部县人 ， 博士研究 生， 主要从事机械设计及理论、 新材料技术研究 。 1 8 0 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E m a i l Z Z H D c h a l n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自 动化 电气与自动化 敬奇锋 ， 等 液压挖掘机混合动力系统优化控制策略 按动力源联接 式不同， 混合动力系统可分为串联、 并联和混联系统 J ， 并联混合动力系统具有能量转换环 节少、 油耗较低 、 工作稳定等特点。图2为典型的并联混 合动力系统结构原理， 内燃机和电动机的输出功率并行输 入动力耦合系统， 经动力耦合匹配之后， 沿液压系统驱动 工作装置 。 图 2 并联混合动力系统原理图 动力耦合系统主要功能是根据负载功率对内燃机和 电动机输出功率进行耦合分配。在此引入动力混合度 的概念 ， 所谓动力混合度 ， 是指电动机额定功率占混合动 力系统总额定功率的比值， 用符号 日表示如下 Pe ru 式中 P 为电动机额定功率 ； 尸 为混合动力系统内燃机 额定功率。 其中， 混合动力系统额定功率 P H P P 为定值 ； 当 P 0时 ， 日 0 ， 为燃油 动力挖掘 机 ； 当 P 0时 ， 日 1 ， 为电动挖掘机。 1 ． 2 混合动力系统效能分析 a 内燃机建模及仿真 根据功率计算公式 功率 扭矩 转速／ 9 5 5 0 ， 建立内 燃机 油耗模 型 r D ， Mo g ， n c n g 内燃机扭矩模 型 J Mo u t r ／ ’ 7 。 一 ． ， 3 式中 0 。 为内燃机油耗， Mo ， n 。 的函数 ； Mo 为内燃机输 出扭矩； n 为内燃机转速； 为负载扭矩 ； ．， 为内燃机等 效转动惯量； t o为内燃机飞轮角加速度； 叼 。 为燃油效率 ， 与 和 n e n g 有关； ， 叼 p i p 分别为泵系统和液压 回路传 递效率 。 以上述数学模型为基础， 利用 M A T L A B ／ S i mu l i n k建 立内燃机仿真模型如图 3 所示。 仿真结果如图4所示。 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t i o n ， J u n 2 0 1 3 ， 4 2 3 J 8 D ～ 1 8 3 二 ． 、 誊 、 ． ， ＼ 糕 ＼ ，_ 、 富 、 ＼ 瓣 丑 簿 图 3内燃机仿真模型 转 速 ／ r ／ mi n a 转速一 油耗仿真 转速 ／ r ／ mi n b 转速一 输出功率仿真 c 转速一扭矩仿真 图 4内燃机动力学仿真 b 内燃机工况及油耗分析 内燃机万有特性曲线如图 5所示 ， 曲线 6 d为经济油 耗曲线。曲线从 ， B B ， C C ， D D 分别对应内燃机怠速、 轻 载、 中载和重载四种工况， 与曲线 6 d交点 b ， c ， d为对应工 况下的经济油耗点； 其余横向曲线为油耗曲线。挖掘机作 1 81 电气与 自动化 敬奇锋 ， 等 液压挖掘机混合动 力系统优化控制策略 业时主要处于重载工况 ， 从万有特性曲线分析可知， 此工 况的工作点位于 D， 邻域， 属于高油耗区间。 ／- 、 吕 ● ＼√ ＼ 辑 图 5 4 N T V 9 4 L内燃机 万有特性 曲线 由图 4仿真结果及图 5万有特性曲线进一步分析可 知， 当处于重载工况时， 此转速区间油耗上升很快[ 图4 a ] ， 而输 出功率增加 缓慢 [ 图 5 b ] ， 扭矩 反而呈 轻微 下降趋势 [ 图 4 c ] ， 这充 分说 明重载工况 时 内燃 机燃油 效率不高。 混合动力系统中混合度并不是越高越好， 也不是将其 限定为某一特定值， 而是根据内燃机工况要求， 适时改变 混合度以满足尽量降低内燃机油耗的要求。有学者提出 了动态混合度 J ， 所谓动 态混合度 ， 是 指根据 内燃机不 同 的工况条件 ， 确定不同等级的混合度。为了进一步提高内 燃机燃油效率， 本文采取动态最佳混合度的动力耦合思 路 ， 提出 了基于主动识别工况模式的 自适应调整动态最佳 混合度的优化控制策略， 该优化控制策略根据挖掘机的负 载功率大小 ， 自动调整电动机的动态最佳混合度 下述 ， 使内燃机和电动机输出动力得到最佳耦合 ， 使内燃机始终 保 持在最佳 经济工作区。 2 基于主动识 别工况模 式 的 自适应 调 整 动 态 最 佳 混 合 度 的 优 化 控 制 策 略 目前混合动力挖掘机动力系统控制策略主要有双工 作点控制策略、 动态工作点控制策略 引等， 且都采用了 “ 固定混合度” 的设计策略。它们在一定程度上提高了燃 油效率， 但“ 固定混合度” 的设计思路， 使机械不能根据工 况模式 适 时 调 整 内燃 机 的工 作 点 ， 限 制 了 能 量 的 转 换 效率 。 本 文提 出了基 于主动识别工 况模式 的 自适 应调整 动 态最佳混合度的优化控制策略， 通过主动识别工况模式 ， 自动调整动态混合度和内燃机的输出功率， 在满足负载需 求的前提下， 始终保持内燃机位于最佳经济工作点附近。 图6为基于该优化控制策略的混合动力系统原理图。 2 ． 1 工况模式划分 液压挖掘机负载分 为 I、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ四种模式 模式 I P o ≤1 6 k W ； 模式 1 I 1 6 2 3 k W。其 中 ， 为 内 燃机转速， P 一 。 为内燃机输出功率。 2 ． 2 动态最佳 混合度 根据式 1 、 2 、 3和图 5内燃机万有特性曲线中的扭矩一 油耗关 系 ， 利用 MA T L A B ／ S i m u l i n k对内燃机分工 况油耗 一 混合度关系进行仿真， 结果如图 7所示。 趔 醐 舞 犍 是 赠 H 混合度 图 7 不同工况下混合度与油耗的关 系 由仿真结果分析可得出 重载工况 0 ． 2 8 H 0 ． 3 2 、 中 载工况 0 ． 2 5 H 0 ． 3 3 、 轻载工况 0 ． 2 3 H 0 ． 3 4时油耗低， 怠 速工况内燃机单独 驱动 即可。根据 上述仿真 结果及 挖掘 机工作特性， 经域值加权处理后确定动态混合度域值为 0 ． 2 6≤H≤0 ． 3 4 4 动态最佳混合度定义 混合动力挖掘机四种不同工况 分别对应的不同最佳混合度统称为动态最佳混合度。提 出的动态最佳混合度原理 根据内燃机的四种工况， 适时 调整动态混合度瞬时值 ， 使内燃机始终位于最佳经济工作 点附近 。 怠速最佳混合度 爿 0 ， 怠速工况所需功率较小， 完 全 由内燃机输出动力即可 ； 轻载最佳混合度 。 0 ． 2 5 0 ． o 1 ； 中载最佳混合度 0 ． 2 8 0 ． 0 2 ； 1 8 2h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u m a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 ． n e t ． c a 机械制造与自动化 电气与 自动化 敬奇锋 ， 等 液压挖掘机 混合动 力 系统优化控 制策略 重载最佳混合度 H 。n 。 0 ． 3 1 _ 0 ． 0 1 。 2 ． 3 动力源与负载功率 的匹配 根据式 1 、 混合 系统动 力耦 合 比和动 力传 递效 率 ， 混 合 动力挖掘机动力源与负载功率匹配式为 fP。A p⋯n 。P 一。 j ㈣ I ‰ 矗 式 中 Ho 为动态最佳混合度 ， 根据负载不 同， 分 别取 ， ，碟 ， - or ； A为动力耦合系数； 为动力传递效率； P ～ 。 为电动机输 出功率 ， 根据动力源与负载功率匹配原 则， P o“ m 一 。 也 分为 四个等级 ， 不 同的 Ho ， 自动调 整 P 一 。 和 P 一 。 3 优 化 控 制 策 略 执 行 过 程 及 效 能 验正 该控制策略执行过程 通过判断负载功率 P 确定混 合动力系统的动力输出模式， 调整内燃机及电机的功率输 出 ， 即 1 主动识别负 载功率 P 。 并确定负载模式等级 ； 2 根据负载模式等级确定动态最佳混 合度 Ho 。 ； 3 根据负载模式等级匹配内燃机工况； 当 P ≤1 6 k W 时 ， 内燃机属 怠速 工况 r ≤ 1 1 0 0 r ／mi n JP 一 。 ≤1 6 k W 6 【 一-- n 。D 当 1 6 P 。 ≤2 3 k W 时 ， 内燃机属轻载工况 r 1 1 0 0 N ≤1 4 5 0 r ／ m i n 1 l5 尸 一 。 ≤ 1 9 k W 7 【 日 。 p t 一-- Ⅱ L0 D l 当 2 3 P o ≤3 1 k W 时， 内燃机属 中载工况 r 1 4 H ≤ 1 8 0 0 r ／mi n l 9 2 3 k W 9 【 H op t 一-- Ⅱ H。p t 式 6 - 9中， 内燃机转速 和输出功率 P 一 。 都是负载功率 |P 。 ， 最 佳 混合 度 H ， 电 动 机 转速 Ⅳ 和 输 出功 率 P 一 函数 f NH， r P Ho e n d x- o ,--o pt,“ Ⅳ 。 ‰P ∞ 4 根据 内燃机工况确定电机功率输出等级 ， 由 P ， 。 和 P 一 域值动态调整 P o “ m 一 。 域值， 使内燃机始终位于最 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a ti o n ， d u n 2 0 1 3 ， 4 2 3 1 8 0 - 1 8 3 佳经济工作点附近； 5 识别负载功率 ， 进入下一次循环。 通过对基于本控制策略的挖掘机油耗、 传统混合动力 挖掘机油耗进行仿真分析 可知 ， 经过优化控制策略后 内燃 机转速与转矩能得到更好匹配， 能进一步降低能源消耗， 特别是重载情况下 ， 燃油效率明显提高。 4 结论 1 分 析了混合 动力挖 掘机 工况特 点 ， 测定 了 内燃 机 万有特性曲线 ， 建立 了传 统混 合动力挖 掘机 内燃 机油耗和 扭 矩等模型并进行仿真 ， 确定 了内燃机 的高油耗 区域及 最 佳 经济工作点。 2 提出了动态最佳混合度动力耦合策略， 进一步优 化了内燃机的工作点 ， 使动力系统与负载功率得到更好的 匹配 。 3 提 出了基于主动识别工况模式 的 自适应 调整动态 最佳混合度的优化控制策略。仿真试验结果表明， 与传统 混合动力挖掘机相比， 通过该控制策略能进一步提高燃油 效率 ， 达到更好节能效果 。 参考文献 [ 1 ]D i e t e r B o h n ． H y b r i d s y s t e m a p r o mi s i n g w a y s o l v i n g f u t u r e e n e r g y p r o b l e ms[ J ] ．J o u r n a l o f A e r o s p a c e P o w e r ，2 0 0 7 ，2 2 4 5 6 5 ． 5 7 6． [ 2 ]L I N X i a o ， P A N S h u a n g x i a ， WA N G D o n g y u n ． D y n a m i c S i m u l a t i o n a n d Op t i ma l C o n t r o l S t r a t e gy f o r a Pa r Ml e l Hy b ri d Hy d r a u l ic E x c a v a t o r [ j ] ． Z h e j i a n g U n i v S c i A 2 0 0 8， 9 5 6 2 4 - 6 3 2 ． [ 3 ]尚涛， 赵丁选，肖英奎， 等． 液压挖掘机功率匹配节能控制 系统 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 4 ， 3 4 4 5 9 1 5 9 6 ． [ 4]S U N Hu i ，J I A NG J i h a i ，WAN G X i n ． P a r a me t e r s Ma t c h i n g a n d Co n t r o l Me t h o d o f Hy d r a ul i c Hy b r i d Ve h i c l e s wi t h S e c o n d a r y R e g u l a t i o n T e c h n o l o gy [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f Me c h a n i c a l E n g i - n e e rin g，Vo1 ．2 2，No ． 1 ，2 0 0 95 7 - 6 3 ． [ 5 ]L I U C h e n g z e ，Z HU X i n j i a n ． S i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f e n e r gy o p t i mi z a t i o n fo r P E MF C h y b ri d s y s t e m[ J ] ． Z h i a n g U n i v S c i A， 2 0 0 6 ， 7 1 1 1 8 7 8 ．1 8 8 5 ． [ 6 ]敬奇锋 ， 张琦 ， 苏 凡 囤．工程机 械混 合动 力系统 设计 与仿 真 [ J ] ．中国制造业信息化 ， 2 0 1 0 ，3 9 5 2 9 3 2 ． [ 7 ]张昕，宋建峰 ，田毅 ， 等 ． 基于多 目标遗传算 法 的混 合动力 电动汽车控制策略优 化 [ J ] ．机械 工程学 报，2 0 0 9 ，4 5 2 3 5 ． 4 o． [ 8 ]Z H A NG J i a n lo n g ，YI N C h e n g l i a n g ，Z H A NG J i a n w n ．D e s i g n a n d An a l y s i s o f E l e c t r o me c h a n i c a l Hy b rid An t i l o c k B r a k i n g S y s t e m for Hy b r id E l e c t ric Ve h i c l e Ut il i z i n g Mo t o r Re g e n e r a t i v e B r a k in g[ J ] ．C h i n e s e J o u ma l o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g ．V o 1 ． 2 2，N o ． 1．2 0 0 94 2 4 9 ． 收稿 日期 2 0 1 20 32 8 1 8 3