功率差值補償式挖掘機液壓混合動力系統

管 成,王 飛,解澤哲,肖 揚

（1.浙江大學機械設計研究所,浙江杭州310027）

功率差值補償式挖掘機液壓混合動力系統

管 成,王 飛,解澤哲,肖 揚

（1.浙江大學機械設計研究所,浙江杭州310027）

為改善液壓挖掘機動力系統因負載波動劇烈而導致的發動機效率低下,提出一種以蓄能器為儲能裝置,配合液壓二次元件為輔助動力源的功率差值補償式油液混合動力系統.輔助動力源實時補償發動機目標工作點功率與時變工作液壓系統負載功率差值.針對此系統,提出一種結合負載預測和發動機轉速穩定PI控制的控制策略；采用一種實用的負載扭矩計算方法來進行負載預測,并以蓄能器壓力與工作液壓系統實際狀況為依據來控制輔助動力源,使發動機穩定工作于高效燃油區.AMESIM仿真與試驗研究表明：相較普通液壓挖掘機系統,帶有此混合動力系統的挖掘機發動機轉速波動范圍減小了20%～40%,有效提高了發動機的燃油效率.

液壓挖掘機；混合動力；發動機效率；功率補償

近年來,隨著工程機械領域對能源和環保的要求越來越高,越來越多的混合動力技術研究得到了展開.挖掘機混合動力系統可分為串聯式、并聯式和混聯式等結構.神鋼建機（Kobelco）開發的內燃機電機串聯混合動力系統中［1-4］,發動機輸出能量全部通過發電機轉變為電能驅動電動機,進而帶動液壓執行機構.劉剛等［5-6］則主要研究了并聯式混合動力系統,其中的輔助動力源可起到平衡負載的作用,使發動機工作點穩定在高能效區,同時能量轉化環節較串聯式少.

上述混合動力系統均采用內燃機與電力元件的主輔動力源配置,以超級電容或電池為儲能元件,而液壓蓄能器同樣可用于混合動力系統的儲能環節.與電力儲能元件相比,液壓蓄能器有更高的功率體積比和更低的成本；同時,若配置得當,還可有效地減少能量轉化環節.管成等［7］提出一種僅利用蓄能器作為輔助動力源回收挖掘機回轉制動能量的液壓系統,可以達到16.3%的節能效果.Lin等［8］將電力元件與液壓蓄能器結合,這樣的配置可以省略超級電容,節約成本.

同時,為達到最佳的控制效果和最優的能量效率,學者們已提出多種控制方法.Xiao等［9］提出動態工作點的控制策略用于優化發動機的功率分配, Jin等［10］則在動態過程控制方面提出了適用于降低挖掘機回轉動態過程中振動的滑模控制方法.Kwon等［11］提出一種用于發動機配合超級電容作為動力源時的能量控制算法,可以達到減少油耗的目的.

現有的并聯混合動力系統,多為油電混合模式［5-6,8］,沒有液壓蓄能器；而 Lin等［8］研究的AMGERS系統和黃中華等［12］提出的系統中,液壓蓄能器僅作為一種能量中轉或緩沖裝置,而非獨立的輔助動力源.管成等［7］利用蓄能器作為輔助動力源的研究,直接利用流量進行主輔動力系統的耦合,但存在系統內壓力分布不理想以及壓力問題引起的能量回收困難問題.

為了進一步提高節能效果,減少能量轉化環節,本文提出了利用液壓二次元件配合蓄能器作為輔助動力源的功率差值補償式液壓挖掘機混合動力系統,并研究了結合負載預測和發動機轉速穩定PI控制的控制策略.

1 功率差值補償式混合動力系統

1.1 傳統液壓挖掘機能量損失

傳統挖掘機系統動力系統為發動機單獨驅動工作液壓系統,而挖掘機工況復雜,負載波動大,發動機的輸出功率波動也較大.因此,發動機工作點較為分散,難以穩定集中于高燃油效率區.如何減少這部分能量損失,是功率差值補償式混合動力系統的研究目標.

1.2 系統結構

以蓄能器為儲能元件的功率差值補償式并聯式液壓挖掘機油液混合動力系統的結構如圖1所示.

液壓泵和液壓二次元件利用分動箱以并聯方式與發動機相連.二次元件可分別工作在泵或馬達狀態,補償發動機輸出功率與負載所需功率的差值,以維持發動機輸出功率恒定：當負載功率小于發動機輸出時,二次元件工作于泵狀態向蓄能器充能以儲存能量,作為額外負載補充負載功率不足；當負載功率大于發動機輸出時,二次元件工作于馬達狀態釋放蓄能器中存儲的能量,作為額外動力源補充發動機功率輸出不足.研究以一臺22.8 t的挖掘機為基礎.

圖1 功率差值補償式混合動力液壓挖掘機結構Fig.1 Schematic of hybrid hydraulic excavator with differential power compensation system

2 液壓系統模型

2.1 工作液壓泵

系統中使用恒功率負流量變量泵,泵的排量滿足如下條件：

1）恒功率控制：

2）負流量控制：

式中：Uh為恒功率下的泵排量,Up為泵的實際排量,Umax為泵最大排量,Umin為泵最小排量,pp為主泵出口壓力,ppmin為恒功區主泵出口下限壓力, ppmax為主泵恒功率區出口上限壓力,pi為主泵負流量先導壓力,pimin為主泵負流量先導下限壓力, pimax為主泵負流量先導上限壓力,const為主泵恒功率區功率常數.

2.2 蓄能器

系統中的液壓蓄能器采用氣囊式蓄能器,其充放能過程可看作理想氣體的絕熱過程,即

式中：pa0、Va0、pai、Vai分別為蓄能器預充氣體初始時刻壓力、體積與任意時刻壓力、體積,γ為蓄能器內充氣體的多變指數.

同時,蓄能器內儲存的最大能量可表示為

設液壓泵消耗扭矩為Tp,泵進出口壓力差為Δpp,則有

式中：pa1、Va1、pa2、Va2分別為蓄能器內預充氣體最小壓力與對應體積以及最大壓力與對應體積.

應當指出,當蓄能器有最大儲能密度時,應滿足

2.3 液壓二次元件

按系統配置情況,液壓二次元件產生扭矩Ts可表示為

式中：Us為液壓二次元件排量,Δps為兩端壓差,其排量將由控制器按控制方法給出.

應當指出,若忽略管路損失,應有

2.4 發動機

動力系統利用分動箱連接,因而存在如下扭矩關系：

當轉速穩定時,應有

式中：nE、TE分別為發動機轉速和所提供扭矩,JE為發動機等效轉動慣量,βE為黏性阻尼系數,np、ns分別為主泵與二次元件的轉速,需要指出,按照系統原理,Ts符號將有正負之分,分別代表二次元件處于泵或馬達狀態,而發動機額定功率可表示為

發動機扭矩TE是轉速nE與油門位置α的函數,具體關系將由發動機特性曲線給出：

3 控制策略研究

3.1 工況辨識

為了更好地實現負載預測和轉速穩定控制,有必要對試驗用挖掘機工作周期內的系統參數進行辨識.液壓挖掘機的一個典型工作周期為挖掘土方,抬起土方,回轉至自卸車,釋放土方,再回轉至初始位置.一個工作周期歷時約20 s.出于減少原實驗挖掘機元件變動,同時方便安裝混合動力系統考慮,試驗中利用壓力傳感器與轉速傳感器采集2個挖掘周期內主泵出口壓力、負流量先導壓力與發動機轉速數據,如圖2所示,其中t為時間.

圖2 實驗挖掘機2個工作周期數據Fig.2 Data during two working cycles in original excavator for experiment

3.2 扭矩計算方法

根據已知的主泵出口壓力、負流量先導壓力以及壓力與主泵排量的關系,根據式（3）可以計算出主泵扭矩.以二次元件排量為控制量,由式（7）可計算出二次元件的控制輸出扭矩值.因此,根據式（10）、圖2數據可計算出發動機扭矩狀況如圖3所示,在原挖掘機的一個工作周期內,發動機在其特性曲線上的工作點分布圖,如圖4所示.

圖3 實驗挖掘機2個工作周期的發動機扭矩Fig.3 Data of engine torque during two working cycles in original excavator for experiment

圖4 無功率差值補償發動機工作點分布Fig.4 Working points of engine without differential power compensation

3.3 控制策略

發動機工作在不同的轉速與輸出扭矩下具有不同的燃油效率（如圖4所示）,如何使發動機穩定工作在高燃油效率區域,是控制策略的研究目標.制定如下控制策略：

1）根據負載工況等級確定發動機油門位置.

2）在此油門位置確定發動機目標工作點PE0（設此時轉速為nE0,對應扭矩為TE0）,使PE0處于發動機高燃油效率的區域內,同時考慮使蓄能器儲能收支相抵,應使PE0處于系統平均功率附近.

3）根據負載狀況設置換向閥方向,使二次元件分別工作在泵或馬達狀態,同時利用轉速PI控制設置二次元件排量,補償負載波動,削峰填谷,保證發動機工作點穩定于PE0.

4）根據蓄能器的壓力狀況確定蓄能器充或放.

5）循環執行步驟3）、4）.

此外,挖掘機負載工況等級可分為輕載、中載、重載,通過對泵出口壓力進行低通濾波可以獲得等級反饋［6］.發動機油門位置的選擇應考慮到實際工況,由圖4可以看出：低轉速區域的扭矩變化對轉速變化的影響較小,發動機工作在該區域具有較高的燃油效率.

發動機工作在單工作點時,利用轉速PI控制調節二次元件排量,以實時補償負載轉矩波動,PI控制排量值為

式中：nEi為控制策略中確定的發動機轉速控制目標,Kp為排量控制的比例增益,KI為積分增益.

由于扭矩是引起轉速變化的原因,在轉速穩定后,排量變化直接引起扭矩變化,但是對轉速影響有較大滯后.因此,如果只做轉速PI控制的動態響應特性相對較差.根據實驗挖掘機情況,在轉速PI控制基礎上疊加負載預測開環環節,將負載扭矩看作為實際轉速控制系統的擾動,預測負載變化情況,在負載扭矩變化引起發動機轉速變化之前估計出差值,并對二次元件排量進行調節進行補償.

根據3.2節的扭矩計算方法進行負載預測,得出負載扭矩（即主泵扭矩）Tp,則負載預測下排量補償值Us_fw可表示為

則二次元件實際扭矩為

發動機工作在單工作點處的轉速穩定控制框圖如圖5所示.

圖5 有負載預測的轉速PI控制示意圖Fig.5 Schematic of rotate speed PI control with load prediction

系統在實際使用中受復雜工況影響,蓄能器無法滿足所有充放能量的需求.為防止蓄能器的過充過排,當蓄能器壓力達到上下限后,將二次元件排量置零,并調整換向閥至中位,停止蓄能器的充能或放能.系統的完整控制策略如圖6所示.

4 仿真與實驗

4.1 參數匹配

液壓混合動力挖掘機是在22.8 t的普通挖掘機上加裝功率差值補償式系統實現的,實際試驗平臺如圖7所示：

試驗平臺發動機為康明斯6BTAA5.9,主泵為川崎K3V112DT.在不影響系統功能的情況下,選用與二次元件排量相同的液壓馬達作為二次元件使用,為林德HMV-02-A2-165N.根據系統模型和采集到的工況數據,關鍵參數如表1所示,同時,考慮通用蓄能器參數,根據式（6）設定蓄能器壓力上下限為10、33 MPa.

圖6 控制策略流程圖Fig.6 Flow diagram of control strategy

圖7 實驗挖掘機動力系統及儲能裝置安裝圖Fig.7 Installation diagram of power system and energystorage device in excavator for experiment

表1 關鍵元件參數Tab.1 Key parameters of system

表中：Usmax為液壓二次元件最大排量,pamax為蓄能器最大壓力.

4.2 仿真

根據試驗平臺實測的主泵工作數據,利用AMESIM進行功率差值補償式系統的仿真.模型中輸入實測數據作為主泵出口壓力,同時根據蓄能器壓力、主泵扭矩和發動機轉速數據構建控制器.仿真模型如圖8所示,仿真結果如圖9～11所示.

圖9為無功率差值補償的系統的發動機轉速數據,與圖2（c）的實際轉速數據比較吻合.

圖10為無負載預測的轉速PI控制的數據,其目標轉速為1 670 r／min,經過一段時間后,發動機轉速逐漸穩定在目標值.蓄能器壓力顯示出明顯的充放能過程,但具有充少放多的特點,壓力有時達到下限,卻難以達到上限.當蓄能器壓力處于下限時,附加系統對發動機轉速的控制作用減弱.

發動機轉速在工作周期初始階段仍存在較大波動,達到穩定的時間較長.圖11為結合轉速PI控制與負載預測的仿真結果,發動機轉速很快就穩定到目標轉速1 670 r／min,且轉速波動較小.

與無負載預測的轉速PI控制相比,控制效果有較大改善.蓄能器的壓力狀況顯示了充放能情況,且每次充能可完全滿足放能所需,蓄能器壓力不會達到下限.蓄能器壓力雖然不斷上升,但上升幅度較小.同時,首次充能蓄能器所達到的壓力最大值有明顯的提升.因此,仿真表明：結合負載預的發動機轉速PI控制方法具有明顯的優勢.

4.3 實驗研究

在實驗中,設定每100 ms采集一組數據,控制周期為10 ms.

4.3.1 動臂單動作轉速控制效果 圖12是在試驗平臺上進行轉速控制時,做動臂上下單一動作的實測數據,控制目標轉速為1 700 r／min.設每完成一個上升下降動為一個周期,前3個周期中并沒有使用功率差值補償式混合動力系統,3個周期之后,將功率差值補償式混合動力系統通過液壓閥附加至原系統之內.

圖8 功率差值補償式液壓挖掘機混合動力系統的仿真模型Fig.8 Simulation model of hydraulic excavator hybrid system based on differential power compensation

圖9 無功率差值補償發動機轉速Fig.9 Engine rotate speed without differential power compensation

圖10 轉速PI控制的仿真數據Fig.10 Simulation results with rotate speed PI control

從圖中對比可以看出,功率差值補償式的轉速控制過程中轉速的波動范圍明顯較小.根據實測數據,波動范圍減小40%,從無轉速控制的約200 r／min減小至功率差值補償式的轉速控制的約120 r／min.

在功率差值補償式的轉速控制過程中,主泵與二次元件的扭矩之和（為與轉速PI控制中的正負號一致,若二次元件扭矩為負值則處于泵狀態,正值則為馬達狀態,因此計算扭矩之和即為圖中扭矩差）的波動范圍亦有明顯減小.

圖11 轉速PI控制與負載預測結合的仿真數據Fig.11 Simulation results with rotate speed PI control and load prediction

同時可以看出,當發動機轉速較高時,二次元件處在泵狀態,蓄能器壓力升高,實現了蓄能器充能,轉速較低時,泵馬達處在馬達狀態,蓄能器壓力減小,蓄能器釋放能量.

4.3.2 動臂復合動作轉速控制效果 動臂做復合動作的數據如圖13所示,分別截取轉速控制前后的情況進行對比分析.在復合動作下,轉速波動范圍仍減小20%,約為70 r／min.

復合動作時雖不如單動作那樣具有周期性,但實際轉速控制效果仍有較為明顯的上升與下降的變化趨勢.但在每一次上升與下降的轉折處轉速都有較大的波動,其原因是：由于三位換向閥難以提供過渡時較好的緩沖；同時實驗中代替二次元件的馬達在高頻狀態轉換無法保證足夠的響應速度；導致了二次元件工作狀態轉換時存在壓力沖擊.

圖12 動臂單一上下動作時采集的數據Fig.12 Sample data when boom moves up and down only

圖13 動臂復合動作時發動機轉速Fig.13 Engine rotate speed when the boom moves under excavator composite action

4.3.3 實驗數據與仿真對比 實際轉速控制時轉速波動范圍確有減小,但仍然難以達到仿真中轉速的平穩度,主要原因如下.

1）實際系統的復雜狀況、試驗環境均可能導致元件最佳參數與實際所選參數的偏差,同時為節省成本,液壓馬達代替液壓二次元件可能難以達到足夠的吸油能力,導致實際中蓄能器內能量充少放多,蓄能器壓力常常到達下限,使輔助動力系統有時起不到作用.同時,液壓馬達在狀態切換時,其排量變化響應速度不夠快,常伴隨沖擊.

2）控制策略仍有改進空間,如果可以在蓄能器壓力達到上下限時合理調節發動機油門及工作點,使輔助動力源時刻起到作用,將會進一步強化控制效果.

但可以看出,功率差值補償式轉速PI控制取得了明顯的控制效果,同時,系統可通過不斷改進,達到更佳的控制效果.

4.3.4 帶有功率差值補償式混合動力系統的工作點分布情況 如圖14所示為功率差值補償式混合動力挖掘機一個工作周期的發動機工作點分布圖,通過功率差值補償式混合動力系統以及所提出的控制策略,與原工作點分布圖（圖4）相比,可以看出工作點更為集中分布在高能效區.

圖14 功率差值補償式混合動力系統的工作點分布Fig.14 Working point of engine with differential power compensation

4.3.5 系統效率 利用系統工作點數據結合發動機參數,通過積分可以得到一定時間內系統的燃油消耗數據：

式中：E為燃油消耗量,單位為g,T為工作點扭矩值,單位為N·m,h為燃油消耗率是關于轉速和扭矩的函數,單位g／（kw·h）.

但此積分計算方法實用性較差,原因是相關函數表達式都難以獲取,因此利用以下離散化的實用方式來進行E的計算.

系統中每100 ms采集一組數據,在這100 ms以內,可認為轉速扭矩不變,均為采集到的這一數值.因此在一個時間為20 s的工作周期內,可采集到200組數據.

根據工作點處扭矩轉速值,參照發動機技術數據,確定該工作點的燃油消耗率.因此在每個工作點處,可獲得100 ms的燃油消耗量.

最后將200個工作點處的燃油消耗量數據求和,即可得到一個工作周期燃油消耗量值.對比控制前后的數據,即可得出效率提升情況.

利用數值計算軟件,可得出控制前一個周期燃油消耗量E1＝148.48 g,控制后燃油消耗量E2為142.51 g,則燃油消耗減少：

該結果表明,功率差值補償式混合動力系統對穩定發動機工作點分布具有良好效果,可以有效減少發動機4%的燃油消耗.

5 結 語

本文提出一種使用液壓蓄能器為儲能元件、以液壓二次元件為輔助動力源的液壓挖掘機并聯式功率差值補償式油液混合動力系統,并提出一種結合負載預測控與發動機轉速PI控制的動力系統復合控制方法,使發動機工作在高效燃油區.仿真與實驗結果表明：引入功率差值補償式混合動力系統的挖掘機,發動機轉速波動范圍減少20%～40%,使其更集中于高燃油效率區,減少了4%的燃油消耗,有效提高了整機的節能性.

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Excavator hydraulic hybrid system based on differential power compensation

GUAN Cheng,WANG Fei,XIE Ze-zhe,XIAO Yang
（1.Institute of Mechanical Design,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

In hydraulic excavator,in order to improve the low energy efficiency caused by complex working conditions and load fluctuation,a kind of parallel hydraulic hybrid system with power compensation is proposed.This hydraulic hybrid system utilizes hydraulic accumulator as the energy storage device and hydraulic pumpmotor as secondary component,to compensate the power difference between target engine power and load power fluctuation online.Based on the proposed system,a control method consists of PI control and load prediction was introduced to stabilize the engine working point in high fuel efficiency area.A practical torque calculation method for load prediction was applied,as well as a strategy to adjust engine working points via assistant power source based on accumulator pressure and realistic working condition.Simulation in AMESIM and experiments are carried out in this paper.The results show that,compared with traditional hydraulic excavator,the engine speed fluctuation is decreased by 20%-40%,and the fuel economy is improved.

hydraulic excavator；hybrid power；engine efficiency；power compensation

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.001

TH 137

A

1008-973X（2015）05-0813-08

2014-10-17. 浙江大學學報（工學版）網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家“863”高技術研究發展計劃資助項目（2010AA044401）.

管成（1968－）,男,副教授,從事機械工程動力節能控制等方向研究.E-mail：guan＠zju.edu.cn