管 成,王 飛,解澤哲,肖 揚

（1.浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計研究所,浙江杭州310027）

功率差值補(bǔ)償式挖掘機(jī)液壓混合動力系統(tǒng)

管 成,王 飛,解澤哲,肖 揚

（1.浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計研究所,浙江杭州310027）

為改善液壓挖掘機(jī)動力系統(tǒng)因負(fù)載波動劇烈而導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)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(bǔ)償式油液混合動力系統(tǒng).輔助動力源實時補(bǔ)償發(fā)動機(jī)目標(biāo)工作點功率與時變工作液壓系統(tǒng)負(fù)載功率差值.針對此系統(tǒng),提出一種結(jié)合負(fù)載預(yù)測和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定PI控制的控制策略；采用一種實用的負(fù)載扭矩計算方法來進(jìn)行負(fù)載預(yù)測,并以蓄能器壓力與工作液壓系統(tǒng)實際狀況為依據(jù)來控制輔助動力源,使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作于高效燃油區(qū).AMESIM仿真與試驗研究表明：相較普通液壓挖掘機(jī)系統(tǒng),帶有此混合動力系統(tǒng)的挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍減小了20%～40%,有效提高了發(fā)動機(jī)的燃油效率.

液壓挖掘機(jī)；混合動力；發(fā)動機(jī)效率；功率補(bǔ)償

近年來,隨著工程機(jī)械領(lǐng)域?qū)δ茉春铜h(huán)保的要求越來越高,越來越多的混合動力技術(shù)研究得到了展開.挖掘機(jī)混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等結(jié)構(gòu).神鋼建機(jī)（Kobelco）開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)電機(jī)串聯(lián)混合動力系統(tǒng)中［1-4］,發(fā)動機(jī)輸出能量全部通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茯?qū)動電動機(jī),進(jìn)而帶動液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu).劉剛等［5-6］則主要研究了并聯(lián)式混合動力系統(tǒng),其中的輔助動力源可起到平衡負(fù)載的作用,使發(fā)動機(jī)工作點穩(wěn)定在高能效區(qū),同時能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較串聯(lián)式少.

上述混合動力系統(tǒng)均采用內(nèi)燃機(jī)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(tǒng)的儲能環(huán)節(jié).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(dāng),還可有效地減少能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié).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(jī)回轉(zhuǎn)制動能量的液壓系統(tǒng),可以達(dá)到16.3%的節(jié)能效果.Lin等［8］將電力元件與液壓蓄能器結(jié)合,這樣的配置可以省略超級電容,節(jié)約成本.

同時,為達(dá)到最佳的控制效果和最優(yōu)的能量效率,學(xué)者們已提出多種控制方法.Xiao等［9］提出動態(tài)工作點的控制策略用于優(yōu)化發(fā)動機(jī)的功率分配, Jin等［10］則在動態(tài)過程控制方面提出了適用于降低挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)動態(tài)過程中振動的滑?？刂品椒?Kwon等［11］提出一種用于發(fā)動機(jī)配合超級電容作為動力源時的能量控制算法,可以達(dá)到減少油耗的目的.

現(xiàn)有的并聯(lián)混合動力系統(tǒng),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(tǒng)和黃中華等［12］提出的系統(tǒng)中,液壓蓄能器僅作為一種能量中轉(zhuǎn)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(jìn)行主輔動力系統(tǒng)的耦合,但存在系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)一步提高節(jié)能效果,減少能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),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(bǔ)償式液壓挖掘機(jī)混合動力系統(tǒng),并研究了結(jié)合負(fù)載預(yù)測和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定PI控制的控制策略.

1 功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)能量損失

傳統(tǒng)挖掘機(jī)系統(tǒng)動力系統(tǒng)為發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動工作液壓系統(tǒng),而挖掘機(jī)工況復(fù)雜,負(fù)載波動大,發(fā)動機(jī)的輸出功率波動也較大.因此,發(fā)動機(jī)工作點較為分散,難以穩(wěn)定集中于高燃油效率區(qū).如何減少這部分能量損失,是功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)的研究目標(biāo).

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以蓄能器為儲能元件的功率差值補(bǔ)償式并聯(lián)式液壓挖掘機(jī)油液混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

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

圖1 功率差值補(bǔ)償式混合動力液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of hybrid hydraulic excavator with differential power compensation system

2 液壓系統(tǒng)模型

2.1 工作液壓泵

系統(tǒng)中使用恒功率負(fù)流量變量泵,泵的排量滿足如下條件：

1）恒功率控制：

2）負(fù)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(qū)主泵出口下限壓力, ppmax為主泵恒功率區(qū)出口上限壓力,pi為主泵負(fù)流量先導(dǎo)壓力,pimin為主泵負(fù)流量先導(dǎo)下限壓力, pimax為主泵負(fù)流量先導(dǎo)上限壓力,const為主泵恒功率區(qū)功率常數(shù).

2.2 蓄能器

系統(tǒng)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(yù)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(nèi)充氣體的多變指數(shù).

同時,蓄能器內(nèi)儲存的最大能量可表示為

設(shè)液壓泵消耗扭矩為Tp,泵進(jìn)出口壓力差為Δpp,則有

式中：pa1、Va1、pa2、Va2分別為蓄能器內(nèi)預(yù)充氣體最小壓力與對應(yīng)體積以及最大壓力與對應(yīng)體積.

應(yīng)當(dāng)指出,當(dāng)蓄能器有最大儲能密度時,應(yīng)滿足

2.3 液壓二次元件

按系統(tǒng)配置情況,液壓二次元件產(chǎn)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(yīng)當(dāng)指出,若忽略管路損失,應(yīng)有

2.4 發(fā)動機(jī)

動力系統(tǒng)利用分動箱連接,因而存在如下扭矩關(guān)系：

當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時,應(yīng)有

式中：nE、TE分別為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和所提供扭矩,JE為發(fā)動機(jī)等效轉(zhuǎn)動慣量,βE為黏性阻尼系數(shù),np、ns分別為主泵與二次元件的轉(zhuǎn)速,需要指出,按照系統(tǒng)原理,Ts符號將有正負(fù)之分,分別代表二次元件處于泵或馬達(dá)狀態(tài),而發(fā)動機(jī)額定功率可表示為

發(fā)動機(jī)扭矩TE是轉(zhuǎn)速nE與油門位置α的函數(shù),具體關(guān)系將由發(fā)動機(jī)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(xiàn)負(fù)載預(yù)測和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制,有必要對試驗用挖掘機(jī)工作周期內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行辨識.液壓挖掘機(jī)的一個典型工作周期為挖掘土方,抬起土方,回轉(zhuǎn)至自卸車,釋放土方,再回轉(zhuǎn)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(jī)元件變動,同時方便安裝混合動力系統(tǒng)考慮,試驗中利用壓力傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器采集2個挖掘周期內(nèi)主泵出口壓力、負(fù)流量先導(dǎo)壓力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),如圖2所示,其中t為時間.

圖2 實驗挖掘機(jī)2個工作周期數(shù)據(jù)Fig.2 Data during two working cycles in original excavator for experiment

3.2 扭矩計算方法

根據(jù)已知的主泵出口壓力、負(fù)流量先導(dǎo)壓力以及壓力與主泵排量的關(guān)系,根據(jù)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(jù)式（10）、圖2數(shù)據(jù)可計算出發(fā)動機(jī)扭矩狀況如圖3所示,在原挖掘機(jī)的一個工作周期內(nèi),發(fā)動機(jī)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(jī)2個工作周期的發(fā)動機(jī)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(bǔ)償發(fā)動機(jī)工作點分布Fig.4 Working points of engine without differential power compensation

3.3 控制策略

發(fā)動機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作在高燃油效率區(qū)域,是控制策略的研究目標(biāo).制定如下控制策略：

1）根據(jù)負(fù)載工況等級確定發(fā)動機(jī)油門位置.

2）在此油門位置確定發(fā)動機(jī)目標(biāo)工作點PE0（設(shè)此時轉(zhuǎn)速為nE0,對應(yīng)扭矩為TE0）,使PE0處于發(fā)動機(jī)高燃油效率的區(qū)域內(nèi),同時考慮使蓄能器儲能收支相抵,應(yīng)使PE0處于系統(tǒng)平均功率附近.

3）根據(jù)負(fù)載狀況設(shè)置換向閥方向,使二次元件分別工作在泵或馬達(dá)狀態(tài),同時利用轉(zhuǎn)速PI控制設(shè)置二次元件排量,補(bǔ)償負(fù)載波動,削峰填谷,保證發(fā)動機(jī)工作點穩(wěn)定于PE0.

4）根據(jù)蓄能器的壓力狀況確定蓄能器充或放.

5）循環(huán)執(zhí)行步驟3）、4）.

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

發(fā)動機(jī)工作在單工作點時,利用轉(zhuǎn)速PI控制調(diào)節(jié)二次元件排量,以實時補(bǔ)償負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動,PI控制排量值為

式中：nEi為控制策略中確定的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo),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(zhuǎn)速變化的原因,在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,排量變化直接引起扭矩變化,但是對轉(zhuǎn)速影響有較大滯后.因此,如果只做轉(zhuǎn)速PI控制的動態(tài)響應(yīng)特性相對較差.根據(jù)實驗挖掘機(jī)情況,在轉(zhuǎn)速PI控制基礎(chǔ)上疊加負(fù)載預(yù)測開環(huán)環(huán)節(jié),將負(fù)載扭矩看作為實際轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的擾動,預(yù)測負(fù)載變化情況,在負(fù)載扭矩變化引起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前估計出差值,并對二次元件排量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償.

根據(jù)3.2節(jié)的扭矩計算方法進(jìn)行負(fù)載預(yù)測,得出負(fù)載扭矩（即主泵扭矩）Tp,則負(fù)載預(yù)測下排量補(bǔ)償值Us_fw可表示為

則二次元件實際扭矩為

發(fā)動機(jī)工作在單工作點處的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制框圖如圖5所示.

圖5 有負(fù)載預(yù)測的轉(zhuǎn)速PI控制示意圖Fig.5 Schematic of rotate speed PI control with load prediction

系統(tǒng)在實際使用中受復(fù)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(dāng)蓄能器壓力達(dá)到上下限后,將二次元件排量置零,并調(diào)整換向閥至中位,停止蓄能器的充能或放能.系統(tǒng)的完整控制策略如圖6所示.

4 仿真與實驗

4.1 參數(shù)匹配

液壓混合動力挖掘機(jī)是在22.8 t的普通挖掘機(jī)上加裝功率差值補(bǔ)償式系統(tǒng)實現(xiàn)的,實際試驗平臺如圖7所示：

試驗平臺發(fā)動機(jī)為康明斯6BTAA5.9,主泵為川崎K3V112DT.在不影響系統(tǒng)功能的情況下,選用與二次元件排量相同的液壓馬達(dá)作為二次元件使用,為林德HMV-02-A2-165N.根據(jù)系統(tǒng)模型和采集到的工況數(shù)據(jù),關(guān)鍵參數(shù)如表1所示,同時,考慮通用蓄能器參數(shù),根據(jù)式（6）設(shè)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(jī)動力系統(tǒng)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(guān)鍵元件參數(shù)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(jù)試驗平臺實測的主泵工作數(shù)據(jù),利用AMESIM進(jìn)行功率差值補(bǔ)償式系統(tǒng)的仿真.模型中輸入實測數(shù)據(jù)作為主泵出口壓力,同時根據(jù)蓄能器壓力、主泵扭矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)構(gòu)建控制器.仿真模型如圖8所示,仿真結(jié)果如圖9～11所示.

圖9為無功率差值補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),與圖2（c）的實際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)比較吻合.

圖10為無負(fù)載預(yù)測的轉(zhuǎn)速PI控制的數(shù)據(jù),其目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 670 r／min,經(jīng)過一段時間后,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在目標(biāo)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(dá)到下限,卻難以達(dá)到上限.當(dāng)蓄能器壓力處于下限時,附加系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制作用減弱.

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在工作周期初始階段仍存在較大波動,達(dá)到穩(wěn)定的時間較長.圖11為結(jié)合轉(zhuǎn)速PI控制與負(fù)載預(yù)測的仿真結(jié)果,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很快就穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 670 r／min,且轉(zhuǎn)速波動較小.

與無負(fù)載預(yù)測的轉(zhuǎn)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(dá)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(dá)到的壓力最大值有明顯的提升.因此,仿真表明：結(jié)合負(fù)載預(yù)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速PI控制方法具有明顯的優(yōu)勢.

4.3 實驗研究

在實驗中,設(shè)定每100 ms采集一組數(shù)據(jù),控制周期為10 ms.

4.3.1 動臂單動作轉(zhuǎn)速控制效果 圖12是在試驗平臺上進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時,做動臂上下單一動作的實測數(shù)據(jù),控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 700 r／min.設(shè)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(bǔ)償式混合動力系統(tǒng),3個周期之后,將功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)通過液壓閥附加至原系統(tǒng)之內(nèi).

圖8 功率差值補(bǔ)償式液壓挖掘機(jī)混合動力系統(tǒng)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(bǔ)償發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.9 Engine rotate speed without differential power compensation

圖10 轉(zhuǎn)速PI控制的仿真數(shù)據(jù)Fig.10 Simulation results with rotate speed PI control

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

在功率差值補(bǔ)償式的轉(zhuǎn)速控制過程中,主泵與二次元件的扭矩之和（為與轉(zhuǎn)速PI控制中的正負(fù)號一致,若二次元件扭矩為負(fù)值則處于泵狀態(tài),正值則為馬達(dá)狀態(tài),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(zhuǎn)速PI控制與負(fù)載預(yù)測結(jié)合的仿真數(shù)據(jù)Fig.11 Simulation results with rotate speed PI control and load prediction

同時可以看出,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時,二次元件處在泵狀態(tài),蓄能器壓力升高,實現(xiàn)了蓄能器充能,轉(zhuǎn)速較低時,泵馬達(dá)處在馬達(dá)狀態(tài),蓄能器壓力減小,蓄能器釋放能量.

4.3.2 動臂復(fù)合動作轉(zhuǎn)速控制效果 動臂做復(fù)合動作的數(shù)據(jù)如圖13所示,分別截取轉(zhuǎn)速控制前后的情況進(jìn)行對比分析.在復(fù)合動作下,轉(zhuǎn)速波動范圍仍減小20%,約為70 r／min.

復(fù)合動作時雖不如單動作那樣具有周期性,但實際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折處轉(zhuǎn)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(dá)在高頻狀態(tài)轉(zhuǎn)換無法保證足夠的響應(yīng)速度；導(dǎo)致了二次元件工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時存在壓力沖擊.

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

圖13 動臂復(fù)合動作時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.13 Engine rotate speed when the boom moves under excavator composite action

4.3.3 實驗數(shù)據(jù)與仿真對比 實際轉(zhuǎn)速控制時轉(zhuǎn)速波動范圍確有減小,但仍然難以達(dá)到仿真中轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)度,主要原因如下.

1）實際系統(tǒng)的復(fù)雜狀況、試驗環(huán)境均可能導(dǎo)致元件最佳參數(shù)與實際所選參數(shù)的偏差,同時為節(jié)省成本,液壓馬達(dá)代替液壓二次元件可能難以達(dá)到足夠的吸油能力,導(dǎo)致實際中蓄能器內(nèi)能量充少放多,蓄能器壓力常常到達(dá)下限,使輔助動力系統(tǒng)有時起不到作用.同時,液壓馬達(dá)在狀態(tài)切換時,其排量變化響應(yīng)速度不夠快,常伴隨沖擊.

2）控制策略仍有改進(jìn)空間,如果可以在蓄能器壓力達(dá)到上下限時合理調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)油門及工作點,使輔助動力源時刻起到作用,將會進(jìn)一步強(qiáng)化控制效果.

但可以看出,功率差值補(bǔ)償式轉(zhuǎn)速PI控制取得了明顯的控制效果,同時,系統(tǒng)可通過不斷改進(jìn),達(dá)到更佳的控制效果.

4.3.4 帶有功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)的工作點分布情況 如圖14所示為功率差值補(bǔ)償式混合動力挖掘機(jī)一個工作周期的發(fā)動機(jī)工作點分布圖,通過功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)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(qū).

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

4.3.5 系統(tǒng)效率 利用系統(tǒng)工作點數(shù)據(jù)結(jié)合發(fā)動機(jī)參數(shù),通過積分可以得到一定時間內(nèi)系統(tǒng)的燃油消耗數(shù)據(jù)：

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(guān)于轉(zhuǎn)速和扭矩的函數(shù),單位g／（kw·h）.

但此積分計算方法實用性較差,原因是相關(guān)函數(shù)表達(dá)式都難以獲取,因此利用以下離散化的實用方式來進(jìn)行E的計算.

系統(tǒng)中每100 ms采集一組數(shù)據(jù),在這100 ms以內(nèi),可認(rèn)為轉(zhuǎn)速扭矩不變,均為采集到的這一數(shù)值.因此在一個時間為20 s的工作周期內(nèi),可采集到200組數(shù)據(jù).

根據(jù)工作點處扭矩轉(zhuǎn)速值,參照發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),即可得出效率提升情況.

利用數(shù)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(jié)果表明,功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)對穩(wěn)定發(fā)動機(jī)工作點分布具有良好效果,可以有效減少發(fā)動機(jī)4%的燃油消耗.

5 結(jié) 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(jī)并聯(lián)式功率差值補(bǔ)償式油液混合動力系統(tǒng),并提出一種結(jié)合負(fù)載預(yù)測控與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速PI控制的動力系統(tǒng)復(fù)合控制方法,使發(fā)動機(jī)工作在高效燃油區(qū).仿真與實驗結(jié)果表明：引入功率差值補(bǔ)償式混合動力系統(tǒng)的挖掘機(jī),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍減少20%～40%,使其更集中于高燃油效率區(qū),減少了4%的燃油消耗,有效提高了整機(jī)的節(jié)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(xué)學(xué)報（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2010AA044401）.

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