起重機混合動力系統控制策略的研究

周新民 周東祥

（華中科技大學電子科學與技術系 武漢 430074）

0 引 言

混合動力系統利用儲能裝置與不同能源的混合使得動力源整體滿足系統能量需求，系統效率優化，同時可以吸收回饋能源并再利用，從而實現系統的節能.混合動力技術在汽車領域的研究和應用已有20多年的歷史，其動力源驅動的對象一般為一個機構.混合動力的結構方式有多種，包括串聯式結構，并聯式、混聯式混合動力方式［1］.

近年來，隨著化石能源日趨緊張，在工程機械，包括流動式起重機的混合動力技術研究方興未艾［2］.起重機具有起升、變幅、回轉、行走等4大機構，各機構單獨工作或組合進行聯合動作.因此采用并聯式結構構成混合動力系統存在一定的困難.目前起重機混合動力系統采用的結構一般均為串聯結構［3－6］，原因就在于動力源需要驅動的機構較多.混合動力系統的基本形式為發動機帶動發電機，由發電機供給母線電壓，統一向各機構供電，各機構分別采用變頻器進行調速控制.

汽車和起重機的運行工況有很大的區別.汽車除了啟動過程，制動過程等暫態過程外，還有較長時間的穩定運行工況，所以儲能器一般采用能量密度較高的器件，如蓄電池.而起重機的工況有短時、循環的特點，每個工作循環時間不長，約在2 min以內.因此在控制策略及實現上可以借鑒混合動力汽車的控制策略，但又有自身特點.本文結合電動輪胎式起重機混合動力系統研究其控制策略.

1 串聯結構混合動力的控制策略

串聯式混合動力系統的基本結構是由發動機到發電機，然后由發電機把電能傳遞給電機控制器，或是儲能裝備（動力電池組或超級電容組），電機控制器再把電能傳遞給驅動電機，由驅動電機機械連接傳動系進行工作.

串聯式結構的控制策略包括恒溫器式控制策略，功率跟隨型控制策略以及恒溫器＋功率跟隨控制策略.

在恒溫器式控制策略中，控制策略允許發動機在電池的荷電狀態（SOC）高于SOCmax之前按設定的高效區域恒功率運轉，此時發動機關閉，汽車為零排放、純電動行駛.當SOC降到低于SOCmin值時，發動機再次啟動并輸出恒功率，這與溫室的溫度控制相似.發動機只為儲能裝置如蓄電池充電，工作效率高.這種方式對發動機有利，而對儲能裝置不利，儲能裝置將頻繁的充放電，使用壽命存在問題.

功率跟隨型控制策略則是電池只在純電動模式和回饋狀態式使用，平時均有發動機帶發電機發電供給電動機能量.功率跟隨型控制策略要求發動機的輸出功率跟蹤負載要求，這樣發動機總保持運轉，僅當純電動模式運行時才停機.使用這種策略，減少了動力電池充放電循環，與充放電有關的功率損失也就相應減少.然而，由于必須滿足續駛里程內的所有功率要求且要做出快速響應，所以導致發動機頻繁起停，影響了發動機的效率和排放特性.這種控制策略對動力電池有利而對發動機不利.

恒溫器＋功率跟隨控制策略則是發電機輸出電流可以同時流向電池和電動機，此時電池能夠起到能量緩沖器的作用，彌補發電機與電動機之間的功率差異.

“功率跟隨＋恒溫器”的綜合控制方式.發動機在SOC較低或負載功率較大時均會起動，當負載功率較小且SOC高于預設的上限值SOCmax時，發動機被關閉，在發動機關和開之間設定了一定范圍的狀態保持區域，這樣可以避免發動機的頻繁起停.發動機一旦起動便在相對經濟的區域內對電動機的負載功率進行跟蹤，當負載功率大于或小于發動機經濟區域所能輸出的功率時，電池組可以通過充放電對該功率差進行緩沖和補償.

2 起重機混合動力系統結構和控制策略分析

起重機的工作模式是間歇、循環式的工作模式，工作循環時間較短.機構的啟、停頻繁.啟動和停止的動態響應要求快，啟動時電機的電流比較大.電機功率在幾十k W到幾百k W之間.

由于發動機的啟動時間使得由發動機直接啟動不同機構的電機延遲較大，不利于起重機工作效率提高.起重機混合動力系統工作狀態變化時，電動功率需求或回饋功率較大，要求儲能裝置充放電電流大.在目前可選的儲能器中，常見的有蓄電池、超級電容.相比而言，蓄電池的能量密度大，但充放電電流較小，超級電容能量密度小于蓄電池，但充放電電流可以很大.另一方面，在系統工作過程中超級電容充放電雖比較頻繁，但超級電容額定的充放電次數（壽命）一般可以達到50萬次以上，由于工作循環中需要存儲的能量少，儲能器可選較小的儲能容量，節省相當大的初次投入成本費用.因此超級電容適合作為起重機混合動力系統的儲能器.由于驅動機構多，一般采用串聯式混合動力系統的結構.所討論的系統為用于散貨作業的輪胎式起重機，其系統結構如圖1所示.圖中，F為直流發電機，起升、變幅、回轉電機采用直流電動機.Csc為超級電容，Cdc為濾波電容.

系統采用恒溫器模式存在成本問題.恒溫器模式由于超級電容能量密度相對較小，系統若采用恒溫器模式則需要超級電容儲能較多，容量需求大，成本會急劇增加.若超級電容容量小，則發動機的啟動將十分頻繁，沒有恒溫模式的優勢.

圖1 混合動力系統的結構圖

系統采用功率跟隨模式也存在問題.由于發動機怠速和額定速（空載）工作狀態下，油耗差別很大（約為1∶5），起重機空閑時間比較長（人工輔助作業時間），發動機一直處于額定速運行顯然不經濟.在起重機空閑時間應使發動機處于怠速狀態是節油的一個關鍵.而在起重機工作時又需要機構快速響應.發動機由怠速轉為額定速的時間延遲將大大降低起重作業的運行效率.

采用恒溫器＋功率跟隨控制策略則比較適合系統的特點.超級電容的容量選擇應滿足一個工作循環需要的能量或稍多一點即可，這樣超級電容容量不大.其基本的控制策略描述如下：

啟動過程：之前的空閑狀態時，發動機處于怠速運行狀態.得到啟動指令后，發動機啟動，發電機電壓逐步上升.此過程中由超級電容通過雙向變換器（見圖1）放電并建立母線電壓，電機可即時啟動.發動機逐步升速到額定速，電壓高于超級電容單獨啟動供電的母線電壓，此時由發動機作為主能源供給系統，進入運行過程.動態響應快.

運行過程：若發動機功率大于總負載所需功率，則超級電容停止放電，或吸收部分發動機功率（SOC降到低于SOCmin值時），以保證發動機運行效率較高.若發動機（設定運行）功率低于總負載所需功率，則超級電容放電提供部分功率.當系統處于回饋狀態時，則發動機停止，超級電容通過母線吸收起重機下放重物時的勢能回饋能量.

3 起重機混合動力系統工作狀態與控制策略實現

從系統節能（油）、成本和性能角度看，超級電容放電主要是要支持發動機－發電機組，短時提供功率、大電流，以保證系統負載短時的大功率需求，從而降低發動機的配置功率.同時，發動機在空閑時應處于怠速狀態，以最大限度地節能、節油.而系統機構隨時會啟動運行，發動機轉速由怠速升至額定速需要幾秒鐘，因此，超級電容應在發動機啟動的這段時間提供機構的啟動電壓和電流，以提高系統快速響應.

由于起重機工作機構多，儲能器何時停止工作，何時釋放功率，何時吸收功率是需要研究的問題.一般來講，儲能器釋放和吸收功率的大小可以通過母線電壓的高低來確定.由于起重機系統多機構同時工作的特點，系統需要提供電動能還是需要回收回饋能量是由多機構工作時的綜合效應決定的，其狀態變化頻繁.直流母線側濾波電容對能量緩沖的作用很小，主要是高頻濾波.因此在狀態變化過程，雙向DC－DC控制超級電容參與能量交換，并引起母線電壓的波動.若僅由母線電壓來決定儲能器的工作狀態，容易引起儲能器充放電狀態切換及頻繁工作，對其壽命不利，對成本回收產生不利影響.為此對混合動力系統的工作狀態預先需要有個基本判斷，并在此基礎上，根據母線電壓狀態決定儲能器的工作狀態.

混合動力系統工作時，存在3種工作狀態.第一種為電動工作狀態.在這種工作狀態時，起升、變幅、回轉3個機構總的需求功率為電動功率，即母線側向負載側提供功率.第二種為回饋工作狀態，在這種工作狀態時，起升、變幅、回轉3個機構總的功率效應為回饋功率，即負載側向母線側回饋功率.第三種為空閑工作狀態，此時負載側（電機）總的功率需求為零.

混合動力系統根據檢測到的系統參數自動判斷系統處于何種狀態.具體判斷與控制如下.

第一工作狀態的控制 當起升機構沒有下降動作且變幅機構沒有增幅動作時，但存在起升或變幅或回轉動作，此時系統處于電動工作狀態.超級電容根據其儲能狀態和系統狀態決定是否或以何種方式釋放電能，與發動機－發電機組聯合向負載供電.

若為啟動階段，發動機初始狀態為怠速.控制系統將立即啟動發動機至額定速度，此過程約持續5 s.在發動機到達額定速之前，實際上是不向系統供能的.為保證系統快速響應，在發動機起動過程中，超級電容儲能系統將單獨通過雙向DCDC變換器給系統供電，使母線電壓維持在400 V.此時超級電容儲能裝置的工作模式為電壓模式.在電壓模式下，超級電容的放電目標是保證母線電壓為額定電壓.

若檢測到發電機電壓達到額定電壓，超級電容儲能裝置將采取功率模式放電.其放電電流視超級電容的儲能及負載功率需求而定.當超級電容儲能足夠，放電電流可大一些，以釋放部分回收的功率；若超級電容儲能減小到一定程度，將減少功率釋放.若負載需要功率較大，超過發動機輸出額定功率，超級電容儲能足夠，將加大超級電容的功率釋放.

第二工作狀態的控制 當起升機構有下放動作，或變幅機構有增幅動作時，實際上機構是否回饋電能是不定的.因為在某些情況下，其他機構在聯合動作，可能處于電動狀態，將直接吸收回饋的功率.而兩者量的大小難以預先判斷.當然可根據母線電壓的變化進行判斷，但系統邏輯則過于復雜.實際上，當某一機構有回饋能量時，即使整個系統需要發動機供給電能，其功率也不會很大.鑒于此，凡是起升機構有下放動作，或變幅機構有增幅動作時，超級電容部分的控制策略為等待吸收狀態，若母線電壓高于發電機電壓，則開始吸收功率，否則就等待，且不進入第一種狀態（放電狀態）.母線電壓在負載有能量回饋時要保持穩定.此時不一定要求母線電壓恒定不變，但電壓必須限制在一定的范圍.超級電容吸收電流的大小根據母線電壓進行調節.母線電壓Udcf高，則說明回饋功率大，需要加大超級電容吸收的功率；母線電壓Udcf低，則說明回饋功率小，需要減少超級電容吸收的功率.

第三種狀態的控制 此為空閑狀態，比較容易判斷.當系統無機構動作指令時，超級電容不進入放電狀態，而處于等待吸收狀態.此時的一個問題就是停車瞬間制動功率回饋的吸收.其控制方式已在同第二種工作狀態的描述.

空閑狀態下，發動機應回到怠速，以最大限度的節油.在空閑狀態，發動機在怠速和額定速運行是油耗差別很大.實驗結果表明，同系列的138 k W發動機和90 k W發動機的油耗比約為5∶1.其節油效果是十分明顯的.

在系統空閑狀態下，發動機是否回怠速還取決于儲能裝置的儲能.若超級電容電壓低于一定值（本系統設置為350 V），則發動機不回怠速.此時控制系統應使發動機繼續以額定速運行，通過發動機－發電機組給超級電容充電.充電方式采用恒流充電.當超級電容電壓高于設定值（350 V）時，若仍無機構動作，則發動機由控制系統控制，自動回怠速，系統處于待機狀態.

除了斬波器的軟啟動、常規的電氣控制外，超級電容的充放電控制是系統控制策略中最重要的部分.其控制系統框圖如圖2所示.這里控制調節器采用DSP數值式調節器.虛框部分由DSP控制.超級電容的充放電采用模糊控制器，由電壓外環（Udcf直流母線電壓反饋）、電流內環（Iscf超級電容電流反饋）進行雙環調節.圖2中Uscf為超級電容電壓反饋值，為控制器使用的控制參量.

圖2 控制系統框圖

4 系統實驗與節能效果

針對輪胎式起重機進行了系統實驗.圖3反映了系統啟動過程中母線電壓的波形.啟動前，超級電容已充電，發動機處于怠速狀態，發電機電壓低于母線電壓，母線電壓啟動前在360 V左右.此時起升機構帶100 k N負載，發出起升指令.發動機由怠速啟動到額定速約需3 s（橫軸1 s／格），此時由超級電容放電供給電機電能，母線電壓有所波動.3 s后，發電機轉速到達額定速，電壓達到400 V，超級電容停止放電，由發動機－發電機組給負載供電.

圖3 發動機啟動過程母線電壓波形

在穩定電動運行過程中，超級電容存在較多能量，需適當釋放，以便在下放或減幅過程中吸收回饋能量.圖4為帶25T負載起升穩定運行過程中的母線電壓（Udc，CH3，100 V／格）及超級電容放電電流（Isc，CH2，100 A／格）.圖中橫軸100 ms／格.

圖4 電動狀態下母線電壓與超級電容電流波形

圖5 反映帶250 k N負載下放過程中能量回饋狀態的波形，其中母線電壓（Udc，CH3，100 V／格）基本維持不變.超級電容電流（Isc，CH2，100 A／格）方向與電動狀態時中相反，吸收回饋功率.圖中橫軸100 ms／格.

圖5 回饋過程中的母線電壓和超級電容電流波形

系統實驗還進行了油耗對比試驗.以同等型號（250 k N）輪胎式起重機原機型和采用混合動力技術新機型進行比較.原機型采用138 k W發動機，新機型采用90 k W發動機.新機型相對原機型節省油耗31.7%.

5 結束語

實驗證明對于多機構運行的起重機械系統工作狀態判斷方法及恒溫器＋功率跟隨控制策略是可行的.由于發動機怠速和啟動較為頻繁，如何確保發動機啟動時效率最優，例如延長發動機啟動時間以保證燃油充分燃燒以提高效率，等問題有待今后進一步研究.

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