液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

敬奇鋒，譚業(yè)發(fā)，高立，董貴楊，楊自雙，何家周，雷建成

（1.解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇 南京210007;2.成都軍區(qū)雙流工兵器材倉庫，四川 成都 610200）

液壓挖掘機在工程建設中應用十分廣泛，內(nèi)燃機、液壓系統(tǒng)能量耗損和功率不匹配等導致動力系統(tǒng)能量損耗較大，燃油效率偏低。節(jié)能控制技術的應用，不僅可以提高液壓挖掘機燃油效率，還能使功率更好匹配。液壓挖掘機的節(jié)能控制主要集中在電液比例控制智能化、負荷傳感控制、可變參數(shù)控制、現(xiàn)場總線技術和嵌入式系統(tǒng)等領域［1-3］。

2004年5月小松公司推出了世界上第一臺試驗型混合動力液壓挖掘機，此后，國內(nèi)外對液壓挖掘機混合驅(qū)動技術的研究越來越廣泛，并取得了較大進展，但在內(nèi)燃機和電動機的輸出功率優(yōu)化匹配方面仍需不斷深入研究。本文針對輸出功率優(yōu)化匹配的問題，通過分析混合動力系統(tǒng)結(jié)構及工況能耗，采用動態(tài)最佳混合度動力耦合思路，提出基于主動識別工況模式的自適應調(diào)整動態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略，使內(nèi)燃機始終位于經(jīng)濟工作區(qū)，從而進一步提高燃油效率和使用壽命。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構與效能分析

1.1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構

本文研究對象為某型6T級液壓挖掘機，內(nèi)燃機額定功率37.4 kW，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，最大扭矩207 N·m。該挖掘機動力傳遞方向如圖1所示，由洋馬4NTV94L內(nèi)燃機驅(qū)動四泵系統(tǒng)，四泵系統(tǒng)經(jīng)過先導操作及多路閥控制為挖掘機的行駛、作業(yè)提供動力。圖1中P1，P2，P3為工作泵，P4為先導泵。

圖1 傳統(tǒng)挖掘機動力傳遞方向

按動力源聯(lián)接方式不同，混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)［4］，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、油耗較低、工作穩(wěn)定等特點。圖2為典型的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構原理，內(nèi)燃機和電動機的輸出功率并行輸入動力耦合系統(tǒng)，經(jīng)動力耦合匹配之后，沿液壓系統(tǒng)驅(qū)動工作裝置。

圖2 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)原理圖

動力耦合系統(tǒng)主要功能是根據(jù)負載功率對內(nèi)燃機和電動機輸出功率進行耦合分配。在此引入動力混合度［5］的概念，所謂動力混合度，是指電動機額定功率占混合動力系統(tǒng)總額定功率的比值，用符號H表示如下:

式中:Pem為電動機額定功率;PHeng為混合動力系統(tǒng)內(nèi)燃機額定功率。

其中，混合動力系統(tǒng)額定功率PH=Pem+為定值;當Pem=0時，H=0，為燃油動力挖掘機;當=0時，H=1，為電動挖掘機。

1.2 混合動力系統(tǒng)效能分析

a）內(nèi)燃機建模及仿真

根據(jù)功率計算公式:功率=扭矩×轉(zhuǎn)速/9 550，建立內(nèi)燃機油耗模型:

內(nèi)燃機扭矩模型［6］:

式中:Ooil為內(nèi)燃機油耗，Meng，neng的函數(shù);Meng為內(nèi)燃機輸出扭矩;neng為內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速;Mout為負載扭矩;J為內(nèi)燃機等效轉(zhuǎn)動慣量為內(nèi)燃機飛輪角加速度;ηoil為燃油效率，與Meng和neng有關;ηpum，ηpip分別為泵系統(tǒng)和液壓回路傳遞效率。

以上述數(shù)學模型為基礎，利用MATLAB/Simulink建立內(nèi)燃機仿真模型如圖3所示。

仿真結(jié)果如圖4所示。

b）內(nèi)燃機工況及油耗分析

內(nèi)燃機萬有特性曲線如圖5所示，曲線bd為經(jīng)濟油耗曲線。曲線AA＇，BB＇，CC＇，DD＇分別對應內(nèi)燃機怠速、輕載、中載和重載四種工況，與曲線bd交點b，c，d為對應工況下的經(jīng)濟油耗點;其余橫向曲線為油耗曲線。挖掘機作業(yè)時主要處于重載工況，從萬有特性曲線分析可知，此工況的工作點位于D＇鄰域，屬于高油耗區(qū)間。

圖5 4NTV94L內(nèi)燃機萬有特性曲線

由圖4仿真結(jié)果及圖5萬有特性曲線進一步分析可知，當處于重載工況時，此轉(zhuǎn)速區(qū)間油耗上升很快［圖4（a）］，而輸出功率增加緩慢［圖5（b）］，扭矩反而呈輕微下降趨勢［圖4（c）］，這充分說明重載工況時內(nèi)燃機燃油效率不高。

混合動力系統(tǒng)中混合度并不是越高越好，也不是將其限定為某一特定值，而是根據(jù)內(nèi)燃機工況要求，適時改變混合度以滿足盡量降低內(nèi)燃機油耗的要求。有學者提出了動態(tài)混合度［5］，所謂動態(tài)混合度，是指根據(jù)內(nèi)燃機不同的工況條件，確定不同等級的混合度。為了進一步提高內(nèi)燃機燃油效率，本文采取動態(tài)最佳混合度的動力耦合思路，提出了基于主動識別工況模式的自適應調(diào)整動態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略，該優(yōu)化控制策略根據(jù)挖掘機的負載功率大小，自動調(diào)整電動機的動態(tài)最佳混合度（下述），使內(nèi)燃機和電動機輸出動力得到最佳耦合，使內(nèi)燃機始終保持在最佳經(jīng)濟工作區(qū)。

2 基于主動識別工況模式的自適應調(diào)整動態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略

目前混合動力挖掘機動力系統(tǒng)控制策略主要有雙工作點控制策略、動態(tài)工作點控制策略［78］等，且都采用了“固定混合度”的設計策略。它們在一定程度上提高了燃油效率，但“固定混合度”的設計思路，使機械不能根據(jù)工況模式適時調(diào)整內(nèi)燃機的工作點，限制了能量的轉(zhuǎn)換效率。

本文提出了基于主動識別工況模式的自適應調(diào)整動態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略，通過主動識別工況模式，自動調(diào)整動態(tài)混合度和內(nèi)燃機的輸出功率，在滿足負載需求的前提下，始終保持內(nèi)燃機位于最佳經(jīng)濟工作點附近。圖6為基于該優(yōu)化控制策略的混合動力系統(tǒng)原理圖。

2.1 工況模式劃分

液壓挖掘機負載分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種模式:模式Ⅰ:Po≤16 kW;模式Ⅱ:16 ＜Po≤23 kW;模式Ⅲ:23＜Po≤31 kW;模式Ⅳ:Po＞31 kW。其中，Po為負載功率。

圖6 基于優(yōu)化控制策略的混合動力系統(tǒng)原理圖

四種負載模式分別對應內(nèi)燃機怠速、輕載、中載和重載四種工況:

輕載::1 1001 450 r/min

2.2 動態(tài)最佳混合度

根據(jù)式1、2、3和圖5內(nèi)燃機萬有特性曲線中的扭矩－油耗關系，利用MATLAB/Simulink對內(nèi)燃機分工況油耗－混合度關系進行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同工況下混合度與油耗的關系

由仿真結(jié)果分析可得出:重載工況0.28＜H＜0.32、中載工況0.25＜H＜0.33、輕載工況0.23＜H＜0.34時油耗低，怠速工況內(nèi)燃機單獨驅(qū)動即可。根據(jù)上述仿真結(jié)果及挖掘機工作特性，經(jīng)域值加權處理后確定動態(tài)混合度域值為:

動態(tài)最佳混合度定義:混合動力挖掘機四種不同工況分別對應的不同最佳混合度統(tǒng)稱為動態(tài)最佳混合度。提出的動態(tài)最佳混合度原理:根據(jù)內(nèi)燃機的四種工況，適時調(diào)整動態(tài)混合度瞬時值，使內(nèi)燃機始終位于最佳經(jīng)濟工作點附近。

怠速最佳混合度=0，怠速工況所需功率較小，完全由內(nèi)燃機輸出動力即可;

輕載最佳混合度=0.25 ±0.01;

中載最佳混合度=0.28 ±0.02;

重載最佳混合度=0.31 ±0.01。

2.3 動力源與負載功率的匹配

根據(jù)式1、混合系統(tǒng)動力耦合比和動力傳遞效率，混合動力挖掘機動力源與負載功率匹配式為:

式中:Hopt為動態(tài)最佳混合度，根據(jù)負載不同，分別取，;λ為動力耦合系數(shù);ζ為動力傳遞效率;為電動機輸出功率，根據(jù)動力源與負載功率匹配原則也分為四個等級，不同的Hopt，自動調(diào)整和

3 優(yōu)化控制策略執(zhí)行過程及效能驗正

該控制策略執(zhí)行過程:通過判斷負載功率Po確定混合動力系統(tǒng)的動力輸出模式，調(diào)整內(nèi)燃機及電機的功率輸出，即:

1）主動識別負載功率Po并確定負載模式等級;

2）根據(jù)負載模式等級確定動態(tài)最佳混合度Hopt;

3）根據(jù)負載模式等級匹配內(nèi)燃機工況;

當Po≤16 kW時，內(nèi)燃機屬怠速工況:

當16＜Po≤23 kW時，內(nèi)燃機屬輕載工況:

當23＜Po≤31 kW時，內(nèi)燃機屬中載工況:

當Po≥31 kW時，內(nèi)燃機屬重載工況:

式6－9中，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和輸出功率都是負載功率Po，最佳混合度Hopt，電動機轉(zhuǎn)速和輸出功率函數(shù):

5）識別負載功率，進入下一次循環(huán)。

通過對基于本控制策略的挖掘機油耗、傳統(tǒng)混合動力挖掘機油耗進行仿真分析可知，經(jīng)過優(yōu)化控制策略后內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩能得到更好匹配，能進一步降低能源消耗，特別是重載情況下，燃油效率明顯提高。

4 結(jié)論

1）分析了混合動力挖掘機工況特點，測定了內(nèi)燃機萬有特性曲線，建立了傳統(tǒng)混合動力挖掘機內(nèi)燃機油耗和扭矩等模型并進行仿真，確定了內(nèi)燃機的高油耗區(qū)域及最佳經(jīng)濟工作點。

2）提出了動態(tài)最佳混合度動力耦合策略，進一步優(yōu)化了內(nèi)燃機的工作點，使動力系統(tǒng)與負載功率得到更好的匹配。

3）提出了基于主動識別工況模式的自適應調(diào)整動態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略。仿真試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)混合動力挖掘機相比，通過該控制策略能進一步提高燃油效率，達到更好節(jié)能效果。

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