一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略-.pdf

第 9卷第 1期 2 0 1 1 年 3月 中国工程机械学报 C HI NE SE J OURNAL OF C0 NS 『 r RUC T1 0N MACHI NER Y Vo I ． 9 No ． 1 Ma r ．2 01 1 一 种液压挖掘机并联式 混合动力 系统结构及控制策略 何清华 ， 刘昌盛 ， 龚 俊 ， 张大庆 ， 赵喻明 1 ． 中南大学 机电工程学 院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 湖南 山河智能机械股份有限公 司， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 摘要 为了能够从理论上对混合动力液压挖掘机进行研究 ， 并从中找出有利于系统节能和降低排放的有效途 径， 以山河智能 S WE 2 3 0液压挖掘机为原型， 分析其动力系统各元件特性， 并利用 A ME s i m软件建立并联式混合 动力挖掘机系统的整机仿真模型． 通过试验采集挖掘机在典型工况下的功率谱． 根据挖掘机的工况特点， 提出 1 种基于工况预测的准定工作点控制策略， 并应用于仿真模型． 仿真结果表明， 所提出的控制策略能有效减小超级 电容荷状态 S O C 波动， 稳定发动机工作点， 提高燃油经济性． 关键词 混合动力； 液压挖掘机； A ME s i m软件 ； 控制策略 中图分类号 T P 3 1 9 ； T P 2 1 2 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 1 0 1 0 0 4 8 0 6 Re s e ar c h on s t r uc t ur e and c o nt r o l s t r at e g y o f a pa r a l l e l hyb r i d s ys t e m i n hy dr a ul i c e x c a v at o r H E Q i n g - h u a ， L I U C h a n g - s h e n g ，G O NG J u n ， Z H A NG Da q i n g ， Z H AO Y u - mi n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ce n tra l S o u t h Un i v e r s i t y，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3，C h i n a； 2． Hu n a n S u n wa r d I n t e l l i g e n t Ma c h i n e r y Co ．，Lt d． ，C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t To s t u d y o n t h e h y b r i d s y s t e m i n t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r i n t h e o r y a n d f i n d o u t t h e e f f e c t i v e a p p r o a c h wh i c h c a n b e u s e d t o a c h i e v e e n e r g y s a v i n g a n d l o we r e mi s s i o n s ， a S UNWARD S WE 2 3 0 e x c a v a t o r wa s a n a l y z e d a n d t h e h y b r i d s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l o f i t wa s b u i l t b a s e o n A MEs i m． Th e p o we r c h a r t i n t h e t y p i c a l d i g g i n g o p e r a t i o n wa s wo r k e d o u t b y e x p e r i me n t ． Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f i t s wo r k c o n d i t i o n， a q u a s i - s t a b l e wo r k po i n t c o n t r o l s t r a t e g y b a s i n g o n t h e p r e d i c t i o n o f wo r k c o n d i t i o n wa s p r o po s e d， wh i c h wa s a p p l i e d t o t h e s i mu l a t i o n mo d e 1 ． S i mu l a t i o n r e s u l t i n d i ca t e t h a t t h e c o n t r o l s t r a t e g y c a n e f f e c t i v e l y r e s t r a i n t h e v a r i a t i o n r a n g e o f t h e c a p a c i t o r S 0C。 k e e p t h e s t a b l e wo r k po i n t o f e n g i n e a n d i m p r o v e t h e f ue l e c o no my o f t he e ng i n e． Ke y wo r d s h y b r i d p o we r ；h y d r a u l i c e x c a v a t o r ；AME s i m ；c o n t r o l s t r a t e g y 近年来 ， 各汽车厂商和研究机构在节能研究领域广泛采用混合动力的设计方法口 ] ， 并已经生产出商品 化 的混合动力汽车． 混合动力技术在汽车上的成功应用给传统液压挖掘机 的节能研究打开了新的思路 ， 国 外各大挖掘机研究机构和制造厂商已经开展了一系列有关混合动力挖掘机的研究， 日本的小松、 日 立建 机 、 德国的利渤海尔、 美 国的卡特 比勒等都已经开展 了混合动力液压挖掘机 的研究工作 ， 并在系统结构和 控制策略等方面取得了阶段性成果_ 2 ] ． 国内湖南 山河智能机械股份有限公司已开始对混合动力挖掘机进 行 了研究 ， 并展开 了样机研制工作 ． 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进行了仿真和相关试验研究[ 3 ] ． 基金项 目国家“ 八六三” 高技术发展计划资助项 目 2 0 1 0 A A 4 4 4 0 1 ； 湖南省科技厅科技计划重点项 目 2 0 1 0 G K 2 0 0 7 作者简介 何清华 1 9 4 6一 ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ． E - ma i l h q h ma i l ． C g U ． e d u ． a n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 何清华 ， 等 一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及 控制 策略 4 9 本文提出 1 种并联式混合动力液压挖掘机系统结构 ， 建立其动力系统数学模型． 根据液压挖掘机的工 况特点 ， 提出 1种基于工况预测 的准定工作点控制策略， 利用 A ME s i m软件建立并联式混合动力液压挖掘 机动力系统的仿真模型． 通过试验采集湖南山河智能机械股份有 限公司 S WE 2 3 0液压挖掘机在典型挖掘 工况下的功率谱 ， 并应用于仿真模型． 仿真结果表 明， 该控制策略能有效减小 电容荷 电状态 S O C波动 ， 稳 定发动机工作点 ， 提高燃油经济性． 1 混合动力挖掘机 系统 结构及建模 1 ． 1 混合动力挖掘机 系统结构 并联式混合动力液压挖掘机的动力系统结构如 图 1所示 ， 该 系统 由发动机、 电动／ 发 电机 、 超级 电 容、 液压系统等组成． 采用发动机与电动／ 发电机并 联驱动液压泵的结构形式 ， 发动机 的机械能直接输 出给液压泵 ， 液压泵驱动动臂液压缸 、 斗杆液压缸 、 铲斗液压缸 、 回转马达 以及行走马达． 在这种动力系统结构 中， 发动机输 出负载所需 的平均功率 ， 多余的或不足的部分 由电动／ 发电机来 吸收或补充 ， 这样由于电动／ 发 电机的“ 削峰填谷” 作 用 ， 使发动机能工作在定工作点或定工作区， 提高发 动机的燃油经济性和改善排放 ． 在 能量储存装置的 选择上采用超级 电容代替传统 的电池． 超级电容与 传统的电池相 比具有充放 电速度快 ， 充放 电电流、 功 率较大等特点． 1 ． 2 混合动力挖掘机的动力系统建模 首先分析动力系统的数学模 型， 它是 A ME s i m 模型动力传递关系的基础． 1 ． 2 ． 1 发动机子模 型 由于本仿真系统主要是考察发动机在各工况下 的动力性能及燃油消耗 ， 其动态响应特性 的影 响不 大 ． 为简化模型， 这里主要考虑发动机的调速特性及 油耗． 工程机械所用的发动机大部分装有全程式调速 器 ， 其调速特性可用式 1 表示 T _厂 n ， d 1 式中 丁 。 为发动机 的输 出转 矩； n。 为发 动机 的转 速； a为调速手柄位置． 从式 1 中可 以看 出， 对于某一确定 的外载荷 T， 可以通过调整调速手柄位置来得到需要的转速 ． 燃油消耗计算 的关键是根据发动机的万有特性 转速、 转矩与燃油消耗率的关 系 制取燃油 消耗率 的数据表 ， 对于在外特性模型 中计算得到 的 丁。 与 通过查表插值得 到燃油 消耗率 。 ． 图 2为柴油 机万有曲线． N 。 为发动机额定功率． 因此发动机的 燃油消耗量 G 可用式 2 得到 动 臂油缸 斗杆油缸 铲斗油缸 口 l 控制 网 I I t 控 ．’_ 一 制 器 ／ 蟒 图 1 并联式混合动力挖掘机系统结构 Fi g ． 1 St r u c t u r e o f p a r a l l e l h y b r i d s y s t e m i n h y d r a u l i c e x c a v a t o r 经济工作线 图 2 柴油机万有曲线 Fi g ． 2 Uni v e r s a l c u r v e o f e n g i ne 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 r G l 9 P d t √ 0 式中 P 为发动机输出功率 ． 1 ． 2 ． 2 电动机／ 发电机子模型 对于电机模型， 这里主要考虑其外特性 ． 图 3为某型额定功 率为3 5 k W 的电机在电动状态时的外特性曲线． 电机输出转矩 T、 转速 竹与电枢 电流 的关系为 T _厂 n， J 3 电机在发电状态时 的外特性 与其在 电动状态时类似 ， 只是 转矩为负值 ， 电枢电流与电动时的方 向相反 ， 这时 电机为 1个负 载 ， 输 出反电动势向电池或 电容充 电． 在 图 1所示 的混合动力系 统中， 电机的作用是用来平衡负载波动 ， 由式 3 及 图 3可知 ， 当 发动机 的转速一定 时， 可通过调节电机 的电枢电流来改变其 向 2 ＼ 臻 脚 1 ． 2 ． 3 超级电容子模型 竹 。 m m 超级电容的等值模型如图 4所示 ， C为超级 电容的电容 ， RL 图3 电动机特性曲线 为绝缘材料 的漏 电阻， Rs为 串联 电阻 ， V 为超 级 电容开路 电 F i g 3 C h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f mo t o r 压， 为超级电容工作电压 ， i 为充放电电流， i 为漏电电流． 它们有如下数学关系 V V 一 i R。 4 dt 一 C 5 ＼ ／ 嵩 一dVc 一三 7 dt L 由 4 ～ 7 可得超级 电容的端 电压为 [ V 艨e c／啄 一 。 8 式中 为初始开路电压 ； t 为时间． 通过超级电容充电至某一确定电压值所需的能功量 ， 可得知其储存的能量 E ， 即 E L d t 』 c V d V0 0 丢 9 I I C 9 J J Z 由此可得 超级 电容荷 电 ． 状态 ， 即 s 0 5 1 0 ． 式 中 为超级 电容额定 电压 ； I 为流经电容 的电流 ， 它是随实际 运行时间变化的函数． 1 ． 3 混合动力挖掘机动力系统 AME s i m模型 通过前面对各个元件的特性分析， 在 A ME s i m环境下建立 了混 合动力挖掘机系统仿真模型， 如图 5所示 ． 建立该仿真模型的 目的 是研究并联式混合动力系统控制策略的性能 ， 为使仿真系统更符合 液压挖掘机的工况 ， 采 取 比例溢流阀控制变量泵的出 口压力 ， 实现 液压挖掘机负载压力的模拟 ； 通过调节变量泵 的排量和发动机 的转 速实现变量泵的输出流量 ， 实现负载流量的模拟． 图 5中， P ， q 分 别为泵 1的压力 、 流量数据 ； P z ， q z为泵 2的压力 、 流量数据． 图 4 超级电容等值电路 Fi g ． 4 Eq ui v a l e n t c i r c u i t o f s u p e r - c a p a c i t o r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 何清华， 等 一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略 5 1 一 ‘堡 垒。 ， 一 超级 电容 2 控 制策略研 究 Ql 图 5 混合 动力挖掘 机系统 A MEs i m 仿真模型 Fi g ． 5 Si mu l a t i o n mo d e l o f e x c a v a t o r h y b r i d s y s t e m i n AMEs i m 混合动力挖掘机的一般工作模式为发动机输出负载的平均功率 ， 电动／ 发电机吸收或补充负载需求功 率与发动机输出功率的差值 ， 即用电动／ 发 电机对负载的“ 削峰填谷” 来实现发动机工作点的稳定． 同时 ， 从 储能元件效率和使用寿命考虑 ， 要保证储能设备 的荷 电状态 S在一定的安全范 围， 防止电池或电容的“ 过 充” 和“ 过放” ， 因此 ， 研究混合动力挖掘机控制策略的 目的主要是两方面 1 使发动机尽可能稳定地工作在经济工况． 2 减小电池或电容的 S波动 ， 防止 S超 出许可范围． 由于挖掘机的作业对象复杂 ， 发动机实际输出的平均功率不可能完全等于负载所需的平均功率 ， 因 此 ， 如果发动机的工作点不作调整 ， 必然会引起储能元件的 S持续升高或 降低 ， 直至超出许可范围． 另一 方面， 如果发动机的输出功率实时地跟随负载所需平均功率的变化而变化 ， 这样做虽然可有效地减少储能 元件 S的波动， 防止 S超出许可范围， 但却牺牲 了发动机的稳定性 ． 因此 ， 保持发 动机工作点 的稳定与减 小储能元件 S的波动在一定程度上是矛盾 的， 二者是不可兼得的． 所以， 在兼顾效率与元件寿命的条件下 找到二者的折衷统一是研究混合动力挖掘机控制策略的主要任务． 基于此 ， 提 出了 1 种基于工况预测的准 定工作点控制策略． 该控制策略的内容为 1 控制器采集挖掘机前 n 个周期液压泵出 口的压力、 流量信号， 得到前 n 个周期负载所需 的平 均功率 P ， 以此来预测第 1 个周期负载所需的平均功率． 2 设定超级电容的 S上下限分别为 S 一 ， S ， 电容初始 S为 S ， 由此计算超级电容 S从 S 上升 到 S 所需的充电能量 E S 一S E ， 其 中 E 为电容满荷 电时的能量 ； 电容 的 S从 S 一 下降到 S 所能提供 的放 电能量 Ez S 一 一S E ． 电容 的 S达到下限S 时 ， 发动机在第 1周期应输 出的平 均功率为 P ／ ～ E ／ T 其 中 】 7 ～ 为主泵效率， T 为挖掘周期 ； 电容的 S达到上限 S 一时， 发动 机在第 n 1周期应输出的平均功率为 P ／ 一 一 Ez ／ T ． 3 由发动机的万有曲线与等功率线得到发动机 的经济 曲线． 在该经济 曲线上， 对于任一 的转速 n 对应唯一的转矩 T， 将二者的关系离散成二维数表 ， 存储在控制器 中． T与 的关系可用 T厂 n 表示 ． 再根据预测的负载所需平均功率 P ， 由 P n T／ 9 5 4 9 ， 可得到 对 于任一负载工况 ， 都能确定 1 个经济工况下的工作点 n， T ． 该控制策略利用 了液压挖掘机工作周期性强 的特点 ， 任一工作周期负载所需的平均功率通过采集 到 0土 一 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 的前 n 个周期的负载平均功率来预测 ， 这样做一方面能使发动机的输 出尽可能与负载所需相 同， 极大程 度地减小了电容 的 S的波动． 另一方面 ， 因为第 n 1个周期 的负载预测与第 n 2个周期的负载预 测相差很小 ， 发动机的工作点的调整是缓变的， 实现了发动机的准定工作点工作． 最后通过 S上下限的设 定 ， 采用“ 功率补偿” 的方法使负载预测功率的误差得到修正 ， 保证 S的安全范围． 3 仿真研 究 通过实测湖南山河智能机械股份有限公司 S WE 2 3 0挖掘机 采用双泵系统 在 1 5个典型工况周期下 动臂下放一挖掘一提升一旋转 9 0 。 一卸土一旋转 回位 下的泵 1与泵 2的压力流量数据 P ， q 与 P z ， Q z ， 并应用于仿真模型进行仿真． 图 6 ， 7为实测泵 1出 口的流量压力值 ． 设定 S初始值 为 8 5 ％， S 一 为 9 5 ％， S 为 7 5 ％． 发动机初始工作转速 1 7 0 0 r rai n ～， 输出转矩 T4 0 0 N M． 功率采样周期 取为 3个工作循环． 2 5 0 2 0 0 邑1 5 0 o 1 0 0 5 0 t| S 图 6 典型挖掘工况下泵 1出 口的流量 Fi g． 6 Fl o w o f p u mp 1 i n t y pi c a l d i g g i ng o p e r a t i o n 3 5 3 0 2 5 日 垒 2 0 1 5 1 0 D 0 l 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 t| S 图 7 典型挖掘 工况 下泵 1出口的压力 F i g ． 7 P r e s s u r e o f p u mp l i n t ypi cal d i g gin go per a t i o n 图 8为发动机的工作点分布散点图， 从图中可以看出发动机工作点沿所设定的经济曲线平稳调整， 保 证了发动机始终工作在高效 区． 图 9为在 1 5个仿真周期内 5 个 中载 ， 1 0个重载 S的变化情况． 从图中可以看 出， 当负载从 中载变化 到重载时 ， S从 中载的平衡可平稳地过渡到重载的平衡 ， 这表明通过对负载的预测可以使发动机的工作 状态与负载相匹配． 图 8 发动机工作点分布 Fi g ． 8 Op e r a t i n g p o i n t s d i s t r i b ut i o n o f e n g i ne 图 9 S O C变化 曲线 Fi g ． 9 Cu r v e s o f S OC 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 何清华， 等 一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略 图 1 0为发动机在 l 5个挖掘周期 内燃油消耗 的仿 真结果 ， 与液压挖掘机实 际挖土测试所得 的燃 油消耗 量 1 3 5 5 g 相比下降了2 5 ． 9 8 ％． 仿真结果表明， 基于工 况预测 的准定工作点控制策略是可行、 有效的． 4 结语 通过分析混 合动力 挖掘机 动力 系统各元 件 的特 性 ， 建立 了整个动力系统的 A ME s i m仿真模型． 根据挖 掘机的工况特点提出 1种基于工况预测的准定工作点 控制策 略． 通过实际试 验测得 山河智 能 S WE 2 3 0挖掘 机的功率谱 ， 并应用于仿真模型进行仿真． 仿真结果表 明 在这一控制策略下 ， 发动机工作点能根据负载变化 在经济工作线上作调整 ， 输出与负载相适应 的平均功率 系统具有较高效率． 参考文献 图 1 0 发动机的燃油消耗 Fi g ． 1 0 Fu e l c o n s u mp t i o n o f e n g i n e 同时， 电容 S能保持在一定的安全范围内， 整个 [ 1 ] 徐小东 ， 张炳力 ． 混合动力技术与未来汽车的发展 [ J ] ． 安徽建筑工业学院学报 自然科 学版 ， 2 0 0 8 ， 1 6 3 9 49 6 ． X U X i a o d o n g ， Z H A NG Bi n g l i ． H E V t e c h n o l o g y a n d t h e d e v e l o p me n t o f f u t u r e a u t o m o b i l e s [ J ] ． J o u r n a l o f A n h u i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e I n d u s t r y Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 0 8， 1 6 3 9 49 6． [ 2 ] 刘 昌盛 ， 张大庆 ， 蒋苹 ， 等 ． 工程机械混合动力技术 的发展与应用 口] ． 建筑机 械， 2 0 0 9 2 5 96 3 ． L I U C h a n g s h e n g ， Z HA NG D a q i n g ， J I A NG P i n g ， e t a 1 ． D e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f h y b r i d p o w e r t e c h n o lo g y o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y [ J ] ． C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 9 2 5 9 6 3 ． [ 3 ] 张彦廷． 基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究E D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 6 ． Z H A N G Y a n t i n g ． R e s e a r c h o n e n e r g y s a v i n g f o r h y d r a u l i c e x c a v a t o r s b a s e d o n h y b r i d a n d r e g e n e r a t i o n[ D] ． H a n g z h o u Z h e j i a n g Uni v e r s i t y ， 2 0 0 6． [ 4 ] E H S A NI M， G A O Y i mi n ， E MA D I A． Mo d e r n e l e c t r i c ， h y b r i d e l e c tr i c ， a n d f u e l c e l l v e h i c le s f u n d a me n t a l s t h e o r y a n d d e s i g n[ M] ． B o c a Ra ton C RC P r e s s ， 2 0 05 ． E 5 ] 王庆丰， 张彦廷， 肖 清． 混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能的仿真研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 5 ， 4 1 1 2 1 3 5 1 4 0 ． WA NG Qi n g f e n g ． Z H A N G Y a n t i n g ， XI A 0 Q i n g ． E v a l u a t i o n f o r e n e r g y s a v i n g e f f e c t a n d s i mu la t i o n r e s e a r c h o n e n e r gy s a v i n g o f h y d r a u l ic s y s t e mi n h y b r i d c o n s tr u c t i o nm a c h i n e r y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 4 1 1 2 1 3 5 1 4 0 ． [ 6 3 浦金欢 ， 严隽琪 ， 殷承 良， 等 ． 并联式混合动力汽车控制策略的仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 7 4 1 4 31 4 6 ． P U J i n h u a n ， Y AN J u n q i ， Y I N C h e n g l i a n g ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n t o s i mu l a t i o n o f c o n t r o l s tra t e g y o f p a r a l l e l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s [ J ] ． J o u r n a l o f S y s t e m S i mu l a t i o n ， 2 0 0 5， 1 7 4 1 4 31 4 6 ． [ 7 ] WA N G Do n g y u n ， G U A N C h e n g ， P A N S h u a n g x i a ， e t a 1 ． P e r f o r ma n c e a n a l y s i c o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r p o w e r t r a i n h y b r i d d i z a i t o n[ J ] ． Au t o ma t i o ni nC o n s truc t i o n ， 2 0 0 9， 1 8 3 2 4 92 5 7． ＼ 删攥 涎粲饕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m