液压挖掘机混合动力系统其控制策略

液压挖掘机混合动力系统及其控制策略研究【摘要】液压挖掘机混合动力技术是降低挖掘机能耗和改善排放的有效技术方案，本文针对混合动力液压挖掘机的动力系统根据其典型工况运用控制策略进行研究，优化了混合动力液压挖掘机动力系统的工作性能和燃油经济性。

【关键词】混合动力；并联式；工作点；控制策略
液压挖掘机是一种典型的工程机械，广泛应用于各种土石方作业。

常见的工程机械如液压挖掘机、推土机、装载机、起重机械以及路面机械中，挖掘机在使用频率和工作量上都居于前列。

然而，随着全球对节能环保的愈加重视，工程机械的能耗和排放已成为国家重点关注的内容，液压挖掘机等工程机械作为耗油大户，为其节能、减排成为一项主要任务。

为实现这个目标，使用混合动力系统是目前行之有效的方法。

混合动力系统由多个动力源组成，通常以发动机作为主动力源，其他装置作为辅动力源，通过主、辅动力源的配合，使发动机工作在高效燃油经济区内，从而在根本上降低油耗，减少废气排放。

目前应用的混合动力系统有混联式、串联式和并联式三种。

混联式混合动力系统较为复杂，对可靠性和控制策略都提出了很高的要求；并联式和串联式混合动力系统相对简单，但串联式系统发动机的能量要经历两次以上的转换环节，期间的能量损失很大；与串联式相比，并联式系统在减少燃油消耗、改善发动机工况、降低装机功率
等方面都更有优势，因此可选择并联式为液压挖掘机混合动力系统的驱动方式。

液压挖掘机混合动力并联式系统中，柴油发动机和电动/发电机共同驱动负载，平衡外负载扭矩。

普通液压挖掘机中，由于外负载波动大，而柴油发动机作为唯一的动力源，其转速和扭矩也不断产生大的波动；并联式混合动力挖掘机中，柴油发动机和电动/发电机都是动力源，其中柴油机是主动力源，电动/发电机是辅动力源。

由于电动/发电机工作效率高，响应速度快，所以电动/发电机主要用于平衡外负载的波动，让柴油机所受负载平稳，工作在高效燃油点，从而达到节能减排的目的。

混合动力并联式系统控制策略主要由动力系统总控制、柴油机控制、电动/发电机控制以及镍氢电池组估算组成，其作用是在外负载扭矩高于柴油机高效工作点扭矩时，控制电动/发电机作为电动机来用，消耗电能来驱动外部过大负载；在外负载扭矩低于柴油机高效工作点扭矩时，控制电动/发电机作为发电机来使用，此时，柴油机过剩能量通过发电机存储于电池组中。

如何实现动力源的转换，解决方案可考虑采用多燃油经济工作点控制策略进行控制。

多燃油经济工作点控制策略的思路是：依据挖掘机的多种典型工况，分别设定柴油机相应三个高效燃油经济点，即重载燃油经济工作点、中载燃油经济工作点和轻载燃油经济工作点。

各工作点根据液压挖掘机工况和柴油发动机万有特性曲线
预先设定好，每个工况工作点对应一个油门大小，各燃油经济点均是在其油门位置下油耗率低的点。

控制策略的目的是让柴油发动机稳定工作在各燃油经济点上。

然而在实际控制过程中发动机的转速必然会有波动，通过分析柴油机的特性曲线可以得知，在定油门位置下，转速的少许波动可能会使发动机的油耗率增大不少，因此在选定重载燃油经济点、中载燃油经济点、轻载燃油经济点时，需预先考虑到转速的波动影响，以柴油机转速波动值选择相应的高效燃油经济区域，再取该区域的中间点作为混合动力系统柴油机的控制目标点，这样的话，在实际控制过程中，尽管发动机转速有少许波动，仍能使其工作在高效区域内。

在柴油发动机各工况高效工作点设定好后，柴油机何时置于哪个高效工作点上，需要由混合动力并联式系统控制策略来判断。

系统控制策略对柴油机高效工作点的判断是基于对镍氢电池组soc的估算（soc反映了镍氢电池组存储能量的多少）：若soc不断增大，则表明柴油发动机功率大于负载，需减小柴油发动机油门；若soc 不断减小，则表明柴油发动机功率小于负载需求，需增大柴油发动机油门。

通过对镍氢电池组soc的估算，判定柴油发动机处于何种工作点，待工作点确定好之后，通过控制电动/发电机来使柴油机稳定在该工作点上，这就是混合动力并联式系统控制策略的实施过程。

多燃油经济工作点控制策略动力系统总控制输入为镍氢电池组
soc、电动/发电机负载扭矩，通过控制达到让柴油发动机稳定工作在目标高效燃油工作点上；柴油机控制采用pid自动控制技术，让柴油机油门准确稳定地工作在指定油门位置上；电动/发电机控制则通过采用空间矢量控制方法，平衡外负载波动。

控制策略有效地针对液压挖掘机的实际工况对发动机进行控制，将发动机的工作状态限于若干经济工作点，既降低了发动机的控制难度，又减小了外负载大功率波动时发动机转速和扭矩的频繁变动，优化了发动机控制性和燃油经济性；通过设定soc状态点，使电池在一定的区间内工作，提高了电池的寿命和效率。

液压挖掘机混合动力技术是降低挖掘机能耗和改善排放的有效技术方案，在工业进程愈加重视节能环保的发展环境中，其重要性尤为突出，而更具体地研究和完善这项技术，也将为整个社会的发展起到积极的作用。

参考文献：
[1]谢迪，混合动力液压挖掘机动力系统研究[d].杭州：浙江大学机械设计及理论，2008.
[2]肖清，王庆丰，张延廷等.液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究[j].浙江大学学报，2007，41（3）：480-483.
[3]孙冬野，秦大同.并联式混合动力车辆动力转换控制策略研究.农业机械学报，2003，34（1）：5—8.。