液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究

第!"卷第#期 $%%&年#月 浙!江!大!学!学!报!工学版" ’()*+,-(./0123,+45+361*7389!:+43+11*3+4;<31+<1" =(->!"?(># @,*>$%%& 收稿日期#$%%A %" "%> 浙江大学学报!工学版"网址#BBB>2()*+,-7>C2)>1D)><+!1+4 作者简介#肖清""F&FG#$男$江西樟树人$博士生$从事动力系统参数匹配与控制策略研究>:HI,3-%\[C2)FO!"A#><(I> 通讯联系人%王庆丰$男$教授>:HI,3-%[.B,+4!C2)>1D)><+ 液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究 肖!清!王庆丰!张彦廷!付!强 "浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室$浙江 杭州#"%%$&# 摘!要#为了使液压挖掘机达到节能的目的$提出了一种应用于并联式混合动力液压挖掘机系统的控制策略> 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了该并联式混合动力液压挖掘机系统的结构$建立了其仿真模型$归纳了其工况的特点$从而确立了以发动机燃油 经济性和电池荷电状态";cU#为优化变量的控制策略>该控制策略设立了多个发动机工作点和;cU工作上&下限$ 在工作中通过比较;cU当前值与其限值来自动切换发动机的工作点或工作段>仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明$该控制策略在挖掘 及平地两种工况下均能使发动机保持较好的燃油经济性$同时电池;cU也能稳定在设定的&$>Ef#OOf范围内$ 有利于系统的高效稳定工作> 关键词#混合动力’液压挖掘机’系统建模’控制策略 中图分类号#KV"#&!!!!!文献标识码#N!!!!!文章编号#"%%O F&#P"$%%&#%# %!O% %! K#027+*%+2)’$*3&*2(+*#.+’/#.&#)37+,471.$2/7/#)% $*472.&0’$()L(&R&#+. PTNcd3+4$SN?Jd3+4H.1+4$/VN?JR,+H83+4$W5d3,+4 "!"#"$%$&’#()*#")*&)+,-./01)2$*3*#456/55/)4#407)4"*)-$89$:/#4;<4/=$*5/"&$>#4;?9).#"%%$&$79/4## 51/#.&(#%K(,<031611+1*497,63+4.(*09D*,)-3<1\<,6,8(*$,<(+8*(-78*,8149,YY-31D3+Y,*,--1-09X*3D09H D*,)-3<1\<,6,8(*79781IB,7D161-(Y1D>;8*)<8)*1(.801Y,*,--1-09X*3D09D*,)-3<1\<,6,8(*79781IB,7 ,+,-9C1D>N.81*80179781I73I)-,83(+I(D1-B,7X)3-8,+D387<0,*,<81*3783<(.B(*]<(+D383(+B,7<(+<-)H D1D$,<(+8*(-78*,8149)73+41+43+1.)1-1<(+(I9,+DX,881*978,81(.<0,*41";cU#,7(Y83I3C,83(+6,*3,H X-17B,7Y*(Y(71D>@)-831+43+1B(*]Y(3+87,+D;cU)YY1*,+D-(B-3I387B1*17183+801<(+8*(-78*,81H 49>S(*]Y(3+87(*B(*]*,+417(.8011+43+1B1*1,)8(I,83<,--97B38<01D,<<(*D3+48(801<(IY,*37(+X1H 8B11+<)**1+8;cU,+D;cU-3I38D)*3+4801B(*]>;3I)-,83(+*17)-873+D3<,8180,8801<(+8*(-78*,8149 <,+]11Y4((D.)1-1<(+(I9(.8011+43+1$,+DI,3+8,3+;cU(.801X,881*978,X-13+718*,+41&$>Ef# OOfX(803+D3443+4(Y1*,83(+,+D-161-3+4(Y1*,83(+>K01<(+8*(-78*,8149<,+X1+1.388011..3<31+8,+D 781,D9(Y1*,83(+(.80179781I> 6)78+.2/%09X*3DY(B1*’09D*,)-3<1\<,6,8(*’79781II(D1-3+4’<(+8*(-78*,8149 !!鉴于混合动力系统在汽车上的成功运用("H#)$在 液压挖掘机上装备混合动力系统成为一种可能$并已 受到许多液压挖掘机制造商和科研机构的重视> 早稻田大学兼澤佳行等人(!)对应用于挖掘机械 的串联式混合动力系统进行了研究$小松研制成功 世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型$神 户制钢和神户建机(EHO)则联合提出了一种混合动力 液压挖掘机系统$并对其进行了仿真和试验研究$此 外日立建机也开展了这方面的研究(F)> 应用于液压挖掘机上的混合动力系统结构主要 有串联式和并联式两种>串联式结构布置灵活$控制 简单$发动机工作不易受到工况的影响$但发动机在 驱动液压泵的过程中!经过了机械能H电能H机械能 两次能量转换!综合效率较低"而在并联式结构中! 直接输出发动机的机械能给液压泵!减少了能量转换 环节>此外电动机可工作于电动或发电状态!减少了 系统的动力总成"发动机与电动机的并联驱动也降低 了这两大动力总成的功率#"%$> 另外!在神户制钢和神户建机所提出的系统中! 发动机的控制为开关式控制!电池和电容的充放电及 充放电的优先级由电池荷电状态%78,81(.<0,*41! ;cU&来确定>在这种控制策略中!由于同时使用了电 池和电容!使得两者的充放电控制比较复杂"而发动 机的控制虽然简单!但由于发动机的频繁启停以及工 作时开启功率大!不利于系统的稳定工作> 因此本文提出了一种并联混合动力液压挖掘机 系统!并根据液压挖掘机的工况特点!制定以发动机 燃油经济性和电池;cU为优化变量的控制策略!以 减少发动机工作功率的变化幅度和简化电池的充放 电控制> 图9!并联式混合动力液压挖掘机结构图 W34>"!;8*)<8)*1(.Y,*,--1-09X*3D09D*,)-3<1\<,6,8(* "!并联式混合动力液压挖掘机系统的 结构及建模 !!图"为并联式混合动力液压挖掘机的结构>该 结构采用发动机与电动’发电机并联驱动液压泵的 形式!控制器通过分析液压系统的功率和电池的 ;cU控制各动力总成的工作状态!发动机提供负载 所需的大部分功率!电动’发电机通过电动(发电状 态的切换来平衡负载功率的波动!系统的动能(势能 或制动能由与执行元件对应的回收马达回收!经发 电机转换为电能后!储存在电池中> 利用@,8-,X建立了图$所示的并联式混合动力 液压挖掘机后向式仿真模型>模型包括液压系统(控 图@!并联式混合动力液压挖掘机仿真模型 W34>$!;3I)-,83(+I(D1-(.Y,*,--1-09X*3D09D*,)-3<1\H <,6,8(* 制器(电池(发动机(发电机及电动’发电机等子模型> 9>9!液压系统子模型 由于采用后向式仿真方式!液压系统由动力系 统的输出变为输入@建立了执行元件(液压泵和控制 阀组成的液压系统模型!其中执行元件包括#个液 压缸和"个液压马达!模型的输入为与时间对应的 执行元件的实测压力值和体积流量值!输出为液压 系统所需要的驱动功率1D 和能够回收的功率1*! 1D的计算式为 1DB$ ! /B" %Q3E$Q3&%GU3E$GU3&’%’I’=&@ 式中)’I(’= 分别为液压泵的机械效率和容积效率! Q3(GU3分别为执行元件驱动时的压力和体积流量! $Q3($GU3分别为执行元件与控制阀处的压力和体积 流量损失@1*的计算式为 1*B$ ! /B" ’KI’K=QK3GKU3@ 式中)’KI(’K= 分别为各液压马达的机械效率和容 积效率!QK3(GKU3分别为执行元件的回油经控制阀后 的压力和体积流量@ 9>@!控制器子模型 控制器的模型主要由动力系统的控制策略构成@ 控制器通过分析当前液压系统的功率和电池的;cU! 确定发动机(发电机和电动’发电机的工作状态@ 9>A!发动机!发电机!电动"发电机子模型 将发动机的转速转矩对应关系的机械特性曲线 转换为数值模型!在仿真时!应用插值原理计算当前 的转矩转速值@使用同样的方法建立发动机万有特性 的数值模型@这两个数值模型构成了发动机的模型@ 发电机(电动’发电机的模型建立与发动机相类 似!不同之处在于二者没有万有特性曲线!取而代之 的是效率曲线@ "O!第#期 肖清!等"液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究 9>U!电池子模型 电池模型的作用在于计算当前状况下电池的 ;cU和电压!电流值>;cU的计算公式为 !_"N(GN#$NI,\a"%%f@ 式中%N(为工作初始时电池的电量&NI,\为电池的 最大电量&N为工作消耗的电量&其计算式为 NB ""CXD"#$#A%%@ 式中%CX为电池电流&其值与电池电压9!工况分析 图#",#!"X#分别为某型液压挖掘机在挖掘工 况下所测得的动力系统输出的驱动功率1D 和可回 收的功率1*@由图#",#可见&液压挖掘机在工作过 程中具有很强的周期性&动力系统1D 波动很大&平 均输出功率大’而图#"X#表明动力系统回收频繁且 功率大’同时由图"可知&功率输出与回收是分开 的&且功率输出与回收可以同时进行@ 图A!挖掘工况下的驱动与可回收功率曲线 W34>#!U)*617(.D*363+4,+D*141+1*,8361Y(B1*3+D3+H 43+4(Y1*,83(+ @>@!控制策略 基于$@"节对液压挖掘机工况的分析&如果采 用简单的发动机开关控制&虽然可以较好地稳定电 池的;cU&但势必使发动机的开启工作功率很大& 不利于系统的稳定工作’而发动机跟踪式的控制策 略则使得发动机工作的范围增大&工作在非高效区 的时间比较长@因此根据液压挖掘机的工况特点&提 出了一种自判断分段式多工作点切换控制策略&该 控制策略的规则为 "#将发动机设为轻!中!高负荷#工作点模式& 分别记为’Y!RY!>Y&均为该功率下的最佳燃油经 济点’设立电池的;cU工作上!下限分别为!I,\! !I3+’初始时发动机工作在RY点’ $#若干工作周期后&由电池;cU的变化自动判 断发动机应工作的工作点或工作段@若;cU不变& 则发动机继续工作在RY 点’若;cU下降&则应工 作在RY#>Y工作段&否则工作在’Y#RY工作段’ ##当电池;cU到达!I,\时&发动机切换到该工 作段的轻负荷工作点’当电池;cU到达!I3+时&发 动机切换到该工作段的高负荷工作点@ 该控制策略利用了液压挖掘机工作周期性强的 特点&通过在第"#步中设立多工作点模式&减小了 输出功率波动大的情况下发动机功率的切换幅度& 而通过设立;cU的工作上!下限&及第$#!##步的 判断和切换作用&在优化发动机燃油经济性的同时& 使电池;cU稳定在一定的区间内&有利于提高电池 的效率和使用寿命@ @>A!仿真研究 在挖掘与平地$种工况下进行仿真&并将燃油 消耗与该模型去除混合动力后的仿真结果进行对 比@挖掘工况仿真时所需1D和1*如图#",#!"X#所 示>;cU 初始值为 O%f’!I3+为 &$@Ef’!I,\为 OOf’’Y点4_"%%%*$I3+&3_$E%?(I’RY 点 4_"A%%*$I3+&3_#E%?(I’>Y 点4_$%%%*$ I3+&3_!%%?(I@ 平地工况仿真时所需1D 和1*如图!",#!"X# 所示@该工况与挖掘工况特点相同&但比较$种工况 下的1D可知&平地工况下工作强度较低&其他仿真 值与挖掘工况时相同@发动机工作段的判断由一个 工作周期后;cU的变化来决定@ 图E",#!"X#为挖掘工况下系统的油耗UW 和电 池荷电状态!变化曲线@从图E",#中可以看出&采 用混合动力系统可以大幅地减少系统的油耗@根据 图E"X#的!变化以及控制策略的第$#!##步&可以 判断发动机应工作在’Y#RY 段&在仿真时间内! $O! 浙!江!大!学!学!报!工学版"!!!!!!!!!! !第!"卷! 图U!挖掘工况下的驱动与可回收功率曲线 W34>!!U)*617(.D*363+4,+D*141+1*,8361Y(B1*3+-16H 1-3+4(Y1*,83(+ 图?!挖掘工况下的油耗和K!I曲线 W34>E!U)*617(..)1-<(+7)IY83(+,+D;cU3+D3443+4 (Y1*,83(+ 没有超出设定范围!因此发动机一直工作在RY 点! 没有切换到’Y!从!的变化趋势来看!若延长仿真 的工作周期!则发动机应在’Y"RY之间切换@ 图A#,$"#X$为平地工况下的仿真结果>图A#,$ 同样表明!混合动力系统具有较好的燃油经济性@从 图A#X$以及控制策略第$$"#$步可以判断出!!到 达!I,\后!发动机切换到’Y!而当;cU降到!I3+时! 发动机又切换为RY!从而使;cU保持在设定的范 围之内@ 图V!平地工况下的油耗和K!I曲线 W34>A!U)*617(..)1-<(+7)IY83(+,+D;cU3+-161-3+4 (Y1*,83(+ #!结!论 #"$分析了串联式与并联式混合动力系统的优 缺点!提出了一种并联式混合动力液压挖掘机系统 并建立了其后向式仿真模型!该系统通过电动%发电 机的平衡作用!能使发动机稳定工作于效率较高的 状态!同时使用液压马达进行能量回收!以提高能量 的利用率> #$$针对液压挖掘机工况的周期性强"波动大等 特点!提出了自判断分段式多工作点切换控制策略> 仿真研究表明!所提出的控制策略在挖掘与平地两 种典型工况下都能使保持发动机较好的燃油经济 性!有助于提高液压挖掘机的节能效果!并且电池 ;cU的波动也在设定的&$>Ef#OO>%f!有利于动 力系统的稳定工作> !下转第?@W页" #O!第#期 肖清!等"液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究 7)*1.-)<8),83(+73+,.-)3D3C1DX1D!’">5DI4EJ+0.*&’# "FO"#$&$#%&#OO #FA> !#"Z:e:^ S>Z181*I3+,83(+(.I3+3I)I.-)3D3C,83(+61H -(<389X9Y*177)*1.-)<8),83(+I1,7)*1I1+8!’">I&*&2& J+0.*&’+,E*3$*)).$*3["FFE#&#&EA$ EAE> !!"WN?QK#VTeNc^ N;#;VT?;V>N+,-9737(.Y*17H 7)*1.-)<8),83(+73+,4,7H7(-3D.-)3D3C1DX1D!’">5DI4E J+0.*&’#"FO!##%$$%&#!A #!F> !E"/VNcJ)3HX3+4#RN?JR(+4H*(+4>@)-837<,-1*17(-)H 83(+(..-)3D3C1DHX1DY*177)*1.-)<8),83(+7!’">5DI4E J+0.*&’#$%%##!F$$%&OAF OO$> !A"e::ZK @#W:?;^ : @ e>:..1<8(.,438,83(+(+4,7 .-)3D3C,83(+(.7(-3D7 !’">D*20/#.$&’&*2 E*3$*)).$*3 I4)%$/#.7#"FEE#!&$$%&$&E $O$> !&"李凡#冯连芳#顾雪萍#等>搅拌流化床的床层压降!’"> 高校化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报#$%%$#"A$!%&#O! #OO> QTW,+#W:?JQ3,+H.,+4#J5 P)1HY3+4#18,->L*17H 7)*1D*(Y3+8014,7H7(-3D783**1D.-)3D3C1DX1D!’">J+0.> *&’+,I4)%$(&’E*3$*)).$*3+,I4$*)/) F*$R)./$#$)/# $%%$#"A$!%&#O! #OO[ !O" N^J:V#TSN;N^ T?#RN@NJ5UVTV#18,->W*1H [)1+<9,+,-9737(.Y*177)*1.-)<8),83(+3+.-)3D3C1DX1D Y-1+)I!’">J+0.*&’+,I4)%$(&’E*3$*)).$*3+,J&"&*# "FFF#E%$!%&!&& !O$> !F"L5?UcUVNe@#Z=N?Vc;’#U:e@N^ ’#18,-> :6,-),83(+(.I3+3I)I.-)3D3C,83(+61-(<3893+4,7.-)3DH 3C1DX1D.*(IY*177)*1.-)<8),83(+!’">I4)%$(&’E*3$> *)).$*3I+%%0*$(&#$+*#"FOE##E$"%&O" O&[ !"%"陈甘棠#王樟茂>多相流反应工程!@">杭州&浙江大 学出版社#"FFA&"% ""> !"""金涌#祝京旭#汪展文#等>流态化工程原理!@">北 京&清华大学出版社#$%%"&AA A&> !"$"LNe^ V;#^ N?JR#^ T@;Z>S,61-188*,+7.(*I ,+,-9737(.Y*177)*1.-)<8),83(+734+,-73+,Y*177)*3C1D X)XX-1<(-)I+ !’">I4)%$(&’ E*3$*)).$*3 K($)*()# $%%"#EA& 0000000000000000000000000000000000000000000000000 A$EF A$AE !上接第UWA页" 参考文献!B),).)*()/"# !""UVN5^K#Sc?JR;>c61*631B(.Y(B1*I,+,41H I1+83+09X*3D1-1<8*3<6103<-17!’">E*).37I+*R)./$+* &*2C&*&3)%)*##$%%$#!#&"FE# "FAO[ !$"N^ TVTec^#K:K;5RNN#;VcTUVT;>Z*361.(*<1 <(+8*(-(.,Y,*,--1-H71*31709X*3D79781I!’">JK5EB)> R$)8#"FFF#$%&##& #!"> !#"MN5@N??M@#SN;VT?JKc?J#JQ:??MU# 18,->@1<0,8*(+3DEEE’5KCE=.&*/&(#$+*+*C)(4&#.+*$(/# $%%%#E$"%&EO &$> !!"兼澤佳行#大聖泰弘#河口正#等>ハイブリツドシステ ムによる掘削機械の高!率化!U"6自動車技術会学術 講演前刷集>東京&社"法人自動車技術会>$%%"#"%%& "& $%> Rc;VTR5^ T^#RN;5VTecZ#KNZN;VT^#18,-> T+<*1,73+41..3<31+<9(.<(+78*)<83(+I,<03+1X909X*3D 79781I!U"6 ;.+())2$*3/+,JK5E[K(]9(&;(<3189(. 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