液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)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(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.成都軍區(qū)雙流工兵器材倉(cāng)庫(kù)，四川 成都 610200）

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

2004年5月小松公司推出了世界上第一臺(tái)試驗(yàn)型混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，此后，國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓挖掘機(jī)混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究越來(lái)越廣泛，并取得了較大進(jìn)展，但在內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出功率優(yōu)化匹配方面仍需不斷深入研究。本文針對(duì)輸出功率優(yōu)化匹配的問(wèn)題，通過(guò)分析混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工況能耗，采用動(dòng)態(tài)最佳混合度動(dòng)力耦合思路，提出基于主動(dòng)識(shí)別工況模式的自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略，使內(nèi)燃機(jī)始終位于經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，從而進(jìn)一步提高燃油效率和使用壽命。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與效能分析

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象為某型6T級(jí)液壓挖掘機(jī)，內(nèi)燃機(jī)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(jī)動(dòng)力傳遞方向如圖1所示，由洋馬4NTV94L內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)四泵系統(tǒng)，四泵系統(tǒng)經(jīng)過(guò)先導(dǎo)操作及多路閥控制為挖掘機(jī)的行駛、作業(yè)提供動(dòng)力。圖1中P1，P2，P3為工作泵，P4為先導(dǎo)泵。

圖1 傳統(tǒng)挖掘機(jī)動(dòng)力傳遞方向

按動(dòng)力源聯(lián)接方式不同，混合動(dòng)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(dòng)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(diǎn)。圖2為典型的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出功率并行輸入動(dòng)力耦合系統(tǒng)，經(jīng)動(dòng)力耦合匹配之后，沿液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作裝置。

圖2 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

動(dòng)力耦合系統(tǒng)主要功能是根據(jù)負(fù)載功率對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行耦合分配。在此引入動(dòng)力混合度［5］的概念，所謂動(dòng)力混合度，是指電動(dòng)機(jī)額定功率占混合動(dòng)力系統(tǒng)總額定功率的比值，用符號(hào)H表示如下:

式中:Pem為電動(dòng)機(jī)額定功率;PHeng為混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)額定功率。

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

1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)效能分析

a）內(nèi)燃機(jī)建模及仿真

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

內(nèi)燃機(jī)扭矩模型［6］:

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

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

仿真結(jié)果如圖4所示。

b）內(nèi)燃機(jī)工況及油耗分析

內(nèi)燃機(jī)萬(wàn)有特性曲線如圖5所示，曲線bd為經(jīng)濟(jì)油耗曲線。曲線AA＇，BB＇，CC＇，DD＇分別對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)怠速、輕載、中載和重載四種工況，與曲線bd交點(diǎn)b，c，d為對(duì)應(yīng)工況下的經(jīng)濟(jì)油耗點(diǎn);其余橫向曲線為油耗曲線。挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)主要處于重載工況，從萬(wàn)有特性曲線分析可知，此工況的工作點(diǎn)位于D＇鄰域，屬于高油耗區(qū)間。

圖5 4NTV94L內(nèi)燃機(jī)萬(wàn)有特性曲線

由圖4仿真結(jié)果及圖5萬(wàn)有特性曲線進(jìn)一步分析可知，當(dāng)處于重載工況時(shí)，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(shì)［圖4（c）］，這充分說(shuō)明重載工況時(shí)內(nèi)燃機(jī)燃油效率不高。

混合動(dòng)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(jī)工況要求，適時(shí)改變混合度以滿足盡量降低內(nèi)燃機(jī)油耗的要求。有學(xué)者提出了動(dòng)態(tài)混合度［5］，所謂動(dòng)態(tài)混合度，是指根據(jù)內(nèi)燃機(jī)不同的工況條件，確定不同等級(jí)的混合度。為了進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)燃油效率，本文采取動(dòng)態(tài)最佳混合度的動(dòng)力耦合思路，提出了基于主動(dòng)識(shí)別工況模式的自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)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(jī)的負(fù)載功率大小，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)最佳混合度（下述），使內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力得到最佳耦合，使內(nèi)燃機(jī)始終保持在最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。

2 基于主動(dòng)識(shí)別工況模式的自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略

目前混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略主要有雙工作點(diǎn)控制策略、動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)控制策略［78］等，且都采用了“固定混合度”的設(shè)計(jì)策略。它們?cè)谝欢ǔ潭壬咸岣吡巳加托剩肮潭ɑ旌隙取钡脑O(shè)計(jì)思路，使機(jī)械不能根據(jù)工況模式適時(shí)調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)，限制了能量的轉(zhuǎn)換效率。

本文提出了基于主動(dòng)識(shí)別工況模式的自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略，通過(guò)主動(dòng)識(shí)別工況模式，自動(dòng)調(diào)整動(dòng)態(tài)混合度和內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，在滿足負(fù)載需求的前提下，始終保持內(nèi)燃機(jī)位于最佳經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)附近。圖6為基于該優(yōu)化控制策略的混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖。

2.1 工況模式劃分

液壓挖掘機(jī)負(fù)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(fù)載功率。

圖6 基于優(yōu)化控制策略的混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

四種負(fù)載模式分別對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)怠速、輕載、中載和重載四種工況:

輕載::1 1001 450 r/min

2.2 動(dòng)態(tài)最佳混合度

根據(jù)式1、2、3和圖5內(nèi)燃機(jī)萬(wàn)有特性曲線中的扭矩－油耗關(guān)系，利用MATLAB/Simulink對(duì)內(nèi)燃機(jī)分工況油耗－混合度關(guān)系進(jìn)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(guān)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(shí)油耗低，怠速工況內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)即可。根據(jù)上述仿真結(jié)果及挖掘機(jī)工作特性，經(jīng)域值加權(quán)處理后確定動(dòng)態(tài)混合度域值為:

動(dòng)態(tài)最佳混合度定義:混合動(dòng)力挖掘機(jī)四種不同工況分別對(duì)應(yīng)的不同最佳混合度統(tǒng)稱為動(dòng)態(tài)最佳混合度。提出的動(dòng)態(tài)最佳混合度原理:根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的四種工況，適時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)混合度瞬時(shí)值，使內(nèi)燃機(jī)始終位于最佳經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)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(jī)輸出動(dòng)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(dòng)力源與負(fù)載功率的匹配

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

式中:Hopt為動(dòng)態(tài)最佳混合度，根據(jù)負(fù)載不同，分別取，;λ為動(dòng)力耦合系數(shù);ζ為動(dòng)力傳遞效率;為電動(dòng)機(jī)輸出功率，根據(jù)動(dòng)力源與負(fù)載功率匹配原則也分為四個(gè)等級(jí)，不同的Hopt，自動(dòng)調(diào)整和

3 優(yōu)化控制策略執(zhí)行過(guò)程及效能驗(yàn)正

該控制策略執(zhí)行過(guò)程:通過(guò)判斷負(fù)載功率Po確定混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力輸出模式，調(diào)整內(nèi)燃機(jī)及電機(jī)的功率輸出，即:

1）主動(dòng)識(shí)別負(fù)載功率Po并確定負(fù)載模式等級(jí);

2）根據(jù)負(fù)載模式等級(jí)確定動(dòng)態(tài)最佳混合度Hopt;

3）根據(jù)負(fù)載模式等級(jí)匹配內(nèi)燃機(jī)工況;

當(dāng)Po≤16 kW時(shí)，內(nèi)燃機(jī)屬怠速工況:

當(dāng)16＜Po≤23 kW時(shí)，內(nèi)燃機(jī)屬輕載工況:

當(dāng)23＜Po≤31 kW時(shí)，內(nèi)燃機(jī)屬中載工況:

當(dāng)Po≥31 kW時(shí)，內(nèi)燃機(jī)屬重載工況:

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

5）識(shí)別負(fù)載功率，進(jìn)入下一次循環(huán)。

通過(guò)對(duì)基于本控制策略的挖掘機(jī)油耗、傳統(tǒng)混合動(dòng)力挖掘機(jī)油耗進(jìn)行仿真分析可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制策略后內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩能得到更好匹配，能進(jìn)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(dòng)力挖掘機(jī)工況特點(diǎn)，測(cè)定了內(nèi)燃機(jī)萬(wàn)有特性曲線，建立了傳統(tǒng)混合動(dòng)力挖掘機(jī)內(nèi)燃機(jī)油耗和扭矩等模型并進(jìn)行仿真，確定了內(nèi)燃機(jī)的高油耗區(qū)域及最佳經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)。

2）提出了動(dòng)態(tài)最佳混合度動(dòng)力耦合策略，進(jìn)一步優(yōu)化了內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)，使動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載功率得到更好的匹配。

3）提出了基于主動(dòng)識(shí)別工況模式的自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)態(tài)最佳混合度的優(yōu)化控制策略。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)混合動(dòng)力挖掘機(jī)相比，通過(guò)該控制策略能進(jìn)一步提高燃油效率，達(dá)到更好節(jié)能效果。

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