并联式混合动力液压挖掘机控制方法

摘要

本发明公开了一种并联式混合动力液压挖掘机控制方法，涉及工程机械制造技术领域，这种方法将发动机的与蓄电池的工作状态根据挖掘机液压系统的工作扭矩的需要，结合发动机的高效工作区和蓄电池的高效充放电区域优化选择在混合输出、发动机输出、发动机充电输出和蓄电池输出四种模式中转换，可以解决现有并联式混合动力液压挖掘机的发动机工作效率的发挥与蓄电池能量转换效率以及蓄电池使用寿命不相兼顾的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械制造技术领域，尤其是一种对于并联式混合动力液压挖掘机动力输出的控制方法。

背景技术

液压挖掘机作为建筑机械中的耗能大户，由于其数量多、耗油高、排放差，其节能问题一直是人们关注的重点问题。传统的节能方法，如改进液压系统、发动机与负载的功率匹配等，可以在一定程度上提高节能效果。但由于挖掘机负载变动频繁、剧烈，使柴油发动机经常工作在非高效区，从根本上限制了整机效率的进一步提高。近几年，混合动力技术受到广泛关注，混合动力液压挖掘机的研发已成为其节能降耗的一个重要研究方向。

国外对挖掘机混合动力系统的研究起步较早，一些研究机构和制造商如早稻田大学、小松、神户制钢、卡特彼勒、日立建机、住友建机等对混合动力挖掘机已有不同程度的研究。混合动力系统的结构及其相应控制策略的优劣，直接影响到系统的效率，是混合动力系统研究的重点内容。日本学者Yoshiyuki对混合动力挖掘机械串联式系统进行了相关研究，Masayuki等人提出了发动机的开关控制及电容优先放电的控制策略，Naruse提出了不同工作模式下恒工作点控制策略，国内浙江大学的肖清提出了一种自判断分段式多工作点切换控制策略。这些控制策略虽是根据不同的混合动力系统结构得出的，但其根本出发点都是通过蓄电池或超级电容等储能元件平衡负载的波动，使发动机工作点相对稳定地固定在高效区，以提高其燃油经济性。但是，这些控制策略只考虑了发动机效率的最大化，没有兼顾电动机和储能元件的工作效率以及其使用条件，系统综合效率及整机性能有待进一步优化。

由于发电机对发动机能量的转换、储存效率，蓄电池电能转换效率，以及电动机的效率等因素的影响，使得混合动力系统的效率并不一定就高于发动机单独驱动情况下的效率。况且发动机、发电机/电动机、蓄电池、液压泵等各部件最佳效率运行区各不相同，单纯地考虑发动机效率的最大化，可能会造成发电机、蓄电池等部件工作环境恶劣、工作效率低下，甚至严重缩短蓄电池寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联式混合动力液压挖掘机控制方法，这种方法可以解决发动机工作效率与蓄电池能量转换效率的发挥以及蓄电池使用寿命不相兼顾的问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：这种并联式混合动力液压挖掘机控制方法是通过主控制器让并联式液压挖掘机的混合动力系统在混合输出模式、或者发动机输出模式、或者发动机充电输出模式、或者蓄电池输出模式下工作；在混合输出模式下，所述混合动力系统由蓄电池通过电流电压适配单元驱动电机与发动机联合向液压系统输出动力；在发动机输出模式下，所述混合动力系统由所述发动机独立向液压系统输出动力；在发动机充电输出模式下，所述发动机带动所述电机发电，所述电机发出的电通过电流电压适配单元向所述蓄电池充电，所述发动机同时向所述液压系统提供动力；在蓄电池输出模式下，所述混合动力系统的所述发动机熄火，由所述蓄电池放电，所述蓄电池输出的电能通过所述电流电压适配单元驱动所述电机转动向所述液压系统提供空载动力消耗所需动力；

并联式液压挖掘机的混合动力系统在混合输出模式、发动机输出模式、发动机充电输出模式以及蓄电池输出模式之间的转换条件是：

当所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩大于最小放电转矩值时，如果所述蓄电池的荷电状态数值大于设定的放电最小值，所述混合动力系统按混合输出模式工作；如果所述蓄电池的荷电状态数值等于或小于设定的最小放电转矩值，所述混合动力系统按发动机输出模式工作；

当所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩在等于最小放电转矩值至等于最大充电转矩值之间时，所述混合动力系统按发动机输出模式工作； 

当所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩小于最大充电转矩值，并且所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩大于设定的空载负荷值时，所述混合动力系统按发动机充电输出模式工作；

当所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩小于最大充电转矩值，并且所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩小于设定的空载负荷值，并小于设定的不熄火等待时间时，如果所述蓄电池的荷电状态数值小于设定的充电最大值，所述混合动力系统按发动机充电输出模式工作，如果所述蓄电池的荷电状态数值等于或大于设定的充电最大值，所述混合动力系统按发动机输出模式工作；

当所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩小于最大充电转矩值，并且所述液压系统油泵输入轴的转动扭矩小于设定的空载负荷值，并等于或大于设定的不熄火等待时间时：如果所述蓄电池的荷电状态数值等于或大于设定的放电最小值，所述混合动力系统按蓄电池输出模式工作，如果所述蓄电池的荷电状态数值小于设定的放电最小值，所述混合动力系统按发动机充电输出模式工作；

所述最小放电转矩值为                                                ,

,

所述最大充电转矩值为，

式中为所述液压系统油泵的转动扭矩，为发动机可承受的最大负载，为混合输出模式综合效率, 为发动机输出模式总效率, 为发动机充电输出模式总效率， 是混合输出模式综合效率与所述液压系统油泵的转动扭矩的函数式，是发动机输出模式综合效率与所述液压系统油泵的转动扭矩的函数式，是发动机充电输出模式综合效率与所述液压系统油泵的转动扭矩的函数式。

上述的并联式混合动力液压挖掘机控制方法更具体的方案是：检测挖掘臂的每一个挖掘循环动作完成后所述蓄电池的荷电状态数值，如果当前挖掘循环动作与上一个挖掘循环动作完成后所述蓄电池的荷电状态数值差别大于设定的调整灵敏值，或者检测到当前挖掘循环动作完成后所述蓄电池的荷电状态数值与设定所述蓄电池的原始荷电状态数值大于设定的调整灵敏值，则根据蓄电池荷电数值的差值相应调整充电、放电转换转矩界限数值，以保证蓄电池工作过程中的充放电平衡。

则按下式调整下一次挖掘循环动作的所述最小放电转矩值和所述最大充电转矩值：，=

式中， 为当前挖掘循环动作结束时所述蓄电池的荷电状态数值，为当前挖掘循环动作之前的一个挖掘循环动作结束时所述蓄电池的荷电状态数值，为当前挖掘循环动作后的一个挖掘循环动作中调整了的所述发动机输出模式与发动机充电输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作的所述发动机输出模式与发动机充电输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作后的一个挖掘循环动作中调整了的所述混合输出模式与发动机输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作的所述混合输出模式与发动机输出模式转换扭矩界限值，为所述发动机输出模式与所述发动机充电输出模式之间转换中的转矩界限调整系数；为所述混合输出模式与所述发动机输出模式之间转换中的转矩界限调整系数。 

本发明所称蓄电池的荷电状态数值的缩写为SOC，荷电状态数值为1表示蓄电池处于充满电的状态，荷电状态数值为1表示蓄电池处于完全放电的状态。

本发明所称的电机是指既能将转动的机械能转换成电能，又能将电能转换为转动的机械能的机器，即集发电机和电动机功能为一体的机器。

本发明所称的电流电压适配单元是指集将电机发出的电变换成为适于对蓄电池进行充电的直流电，并能将蓄电池输出的直流电变换为适于驱动电机转动的直流或交流电功能为一体的电器单元。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：以混合动力液压挖掘机系统综合效率确定发动机工作状态，其节能效果优于单纯优化发动机工作点；在实际工况中结合蓄电池荷电状态动态调整发动机工作状态转换界限，确保蓄电池在整个工作过程中的充放电平衡，避免了蓄电池的过充及过放，从而提高了蓄电池的使用寿命，提高了采用本控制方法的混合动力液压挖掘机的性价比。

附图说明

图1是本发明所应用的并联式混合动力液压挖掘机的混合动力系统结构示意图。 

图2是应用本发明的并联式混合动力液压挖掘机工作模式转换转矩界限动态调整控制方法框图。

图3是应用本发明所的并联式混合动力液压挖掘机工作模式转换转矩界限动态调整工作流程图。

图4是应用本发明的并联式混合动力液压挖掘机的一组挖掘循环动作的输出功率时序图。

图5是现有技术中由发动机输出时的发动机的转速与输出转矩关系分布图。

图6是应用本方法的并联式混合动力液压挖掘机的发动机转速与输出转矩关系分布图。

图7是应用本发明的并联式混合动力液压挖掘机与现有并联式混合动力液压挖掘机的蓄电池荷电状态数值的变化曲线对照图。

图8是应用本发明的并联式混合动力液压挖掘机的油耗与现有技术的油耗相比的效果图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详述：

本并联式混合动力液压挖掘机控制方法所控制的并联式液压挖掘机的混合动力系统如图1所示，并联式液压挖掘机的液压系统油泵1的输入轴与发动机3的输出轴和电机4的输出轴通过相互啮合的齿轮组2相连接，电机4是交流电机，电机4发出的电或是驱动电机4转动输出的电源通过导线与电流电压适配单元5的一个接口端连接，电流电压适配单元5的另一个接口端通过导线与蓄电池6连接。电流电压适配单元5在电机4处于发电状态下可将电机4发出的交流电整流成为适合蓄电池6充电的直流电为蓄电池6充电；电流电压适配单元5在蓄电池6处于放电的状态下可将蓄电池6输出的直流电逆变成适合驱动电机4转动的交流电驱动电机4转动，让电机4输出的转动机械能独立或汇同发动机一起向液压系统油泵1的输入轴输出转动能量。电流电压适配单元5和电机4功能的转换由并联式混合动力液压挖掘机的主控制器7控制，发动机3在工作过程中的启动和熄火以及工作过程中的各种状态转换均由并联式混合动力液压挖掘机的主控制器7控制，发动机3的油门大小由驾驶员所控制；主控制器7从油泵1的输入轴中装有扭矩检测装置和与程序控制器电连接的扭矩检测传感器和转速传感器，蓄电池6的输出端连接有检测获取荷电状态数值信号的电压传感器和电流传感器，连接这个电压传感器和电流传感器的主控制器7根据蓄电池6输入和输出的电流及电压以及其时间参数可以计算出蓄电池6的荷电状态数值。

本并联式混合动力液压挖掘机控制方法，其控制原理如图2所示，检测到的系统负载转矩T_L和蓄电池组的荷电状态数值输入到主控制器的工作模式控制模块中，由该模块完成工作模式设置及切换决策，并输出与负载转矩相应的发动机和电机的目标转矩要求。发动机实际转矩与其目标转矩及电机的实际转矩与其目标转矩之间分别组成闭环控制，且电机的运行实际上是蓄电池组的充放电过程，直接影响着蓄电池荷电状态数值的变化，工作模式控制模块根据检测到的荷电状态数值变化值动态调整各工作模式转换条件来维持蓄电池荷电状态数值在工作过程中的平衡。

通过主控制器7并联式液压挖掘机的混合动力系统可以在混合输出模式、或者发动机输出模式、或者发动机充电输出模式、或者蓄电池输出模式下工作；在混合输出模式下，混合动力系统由蓄电池6通过电流电压适配单元5驱动电机4与发动机3联合向液压系统的油泵1输出动力；在发动机输出模式下，混合动力系统由发动机3独立向液压系统的油泵1输出动力；在发动机充电输出模式下，混合动力系统的发动机3带动电机4发电，电机4发出的电通过电流电压适配单元5向蓄电池6充电，发动机3同时还向液压系统的油泵1提供动力；在蓄电池输出模式下，混合动力系统的发动机3熄火，由蓄电池6放电，蓄电池6输出的电能通过电流电压适配单元5驱动电机4转动向液压系统的油泵1提供空载动力消耗所需动力。

并联式液压挖掘机的混合动力系统在混合输出模式、或者发动机输出模式、或者发动机充电输出模式、或者蓄电池输出模式之间的转换条件是：

当液压系统油泵1输入轴的转动扭矩大于最小放电转矩值时，如果蓄电池6的荷电状态数值大于设定的放电最小值，混合动力系统按混合输出模式工作；如果蓄电池6的荷电状态数值等于或小于设定的最小放电转矩值，混合动力系统按发动机输出模式工作；

当液压系统油泵1输入轴的转动扭矩在等于最小放电转矩值至等于最大充电转矩值之间时，混合动力系统按发动机输出模式工作；

当液压系统油泵1输入轴的转动扭矩小于最大充电转矩值，并且液压系统油泵1输入轴的转动扭矩小于设定的空载负荷值9.8，并小于设定的不熄火等待时间时，如果蓄电池6的荷电状态数值小于设定的充电最大值0.8，混合动力系统按发动机充电输出模式工作，如果蓄电池6的荷电状态数值等于或大于设定的充电最大值0.8，混合动力系统按发动机输出模式工作；

当液压系统油泵1输入轴的转动扭矩小于最大充电转矩值，并且液压系统油泵1输入轴的转动扭矩小于设定的空载负荷值9.8，并等于或大于5秒钟（设定的不熄火等待时间）时：如果蓄电池6的荷电状态数值等于或大于设定的放电最小值0.5，混合动力系统按蓄电池输出模式工作，如果蓄电池6的荷电状态数值小于设定的放电最小值0.5，混合动力系统按发动机充电输出模式工作；

上述最小放电转矩值为,

,

上述最大充电转矩值为，

式中为液压系统油泵1输入轴的转动扭矩；为发动机可承受的最大负载；为混合输出模式综合效率； 为发动机3的总效率； 为发动机充电输出模式总效率， 是混合输出模式综合效率与液压系统油泵1输入轴的转动扭矩的函数式，该函数式通过对混合动力系统的运行检测得到；是发动机输出模式发动机效率与液压系统油泵1输入轴的转动扭矩的函数式，该函数式通过对混合动力系统的运行检测得到；是发动机充电输出模式综合效率与液压系统油泵1输入轴的转动扭矩的函数式，该函数式通过对混合动力系统的运行检测得到。

，，

上式中， 为系统放电工况综合效率，为系统充电工况综合效率，、为发动机总效率；、为发动机3实际输出的转矩和转速；、为电机4的输入转矩和转速；、为电机4实际输出的转矩和转速；、为实际负载所需求的转矩和转速；为蓄电池6的放电效率； 为蓄电池6的充电效率；为电机4吸收转矩时的逆变效率；为电机4释放转矩时的逆变效率；为发动机3的燃油原始功率。

混合动力液压挖掘机工作模式转换的动态调整流程如图3所示，首先根据系统综合效率数学模型设置系统工作模式转换的转矩界限及，并设置蓄电池调整灵敏值，再检测挖掘臂循环动作的每一个动作完成后蓄电池6的荷电状态数值，如果当前挖掘循环动作与上一个挖掘循环动作完成后蓄电池6的荷电状态数值差别大于设定的调整灵敏值为0.6%，或者检测到当前挖掘循环动作完成后蓄电池6的荷电状态数值与挖掘循环动作开始前蓄电池6的原始荷电状态数值大于设定的调整灵敏值0.6%，则调整下一次挖掘循环动作的最小放电转矩值和最大充电转矩值，以尽量保证一个挖掘循环动作周期内对蓄电池6的充电和放电量大致相同，接下来根据当前系统工作模式转换的转矩界限判断当前系统的工作模式，将负载转矩按当前工作模式分配给发动机及电机的程序控制器，控制发动机及电机的运行，通过发动机工作点及蓄电池荷电值的双闭环控制，实现系统效率及蓄电池充放电平衡的双优化。系统工作模式转换的转矩界限调整按下式：

=

 式中，为当前挖掘循环动作结束时蓄电池6的荷电状态数值，为当前挖掘循环动作之前的一个挖掘循环动作结束时蓄电池6的荷电状态数值，为作为当前挖掘循环动作之后的一个挖掘循环动作中所用的调整了的发动机输出模式与发动机充电输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作的发动机输出模式与发动机充电输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作之后的一个挖掘循环动作中所用的调整了的混合输出模式与发动机输出模式转换扭矩界限值，为当前挖掘循环动作用的混合输出模式与发动机输出模式转换扭矩界限值，为发动机输出模式与发动机充电输出模式之间转换中的转矩界限调整系数；为混合输出模式与所述发动机输出模式之间转换中的转矩界限调整系数，及取值与蓄电池荷电状态改变大小有关，其模糊取值策略也置于程序控制器的内部程序当中。

本发明的工作过程是：混合动力液压挖掘机系统上电自检，判断动力源各个组件以及控制板状态正常情况下，初始化工作模式设定表、荷电状态数值设定表等系统状态信息，点火启动柴油机，设定默认的发动机工作模式以及默认的电机工作模式 。启动液压系统油泵出口压力检测传感器，将检测到的压力值经数据处理后循环往复地输入到工作模式控制模块中进行工作模式匹配度判断，做出当前工作模式决策，分配发动机及电机的目标转矩给相应的本地程序控制器，控制混合动力挖掘机在最大系统综合效率下工作。同时，电池控制板实时检测镍氢电池组的SOC值，经数据处理后也输入到工作模式控制模块中，对每一挖掘循环动作周期末的蓄电池荷电状态数值值进行比较，根据设定的临界值进行动态调整工作模式切换界限的决策，给出后面挖掘工作中系统工作模式的转换条件，不断地循环往复控制混合动力挖掘机在一个挖掘循环动作循环中的充放电的平衡，确保蓄电池始终工作在高效区，有效避免对其造成过充及过放的伤害。

应用本发明的并联式混合动力液压挖掘机的模拟试验输入及效果如图4-图8所示；

图4为某型号5t普通液压挖掘机在挖掘工况下实测负载功率，其记录的是6个挖掘循环动作液压系统油泵输入轴的功率数值。设定蓄电池6工作的高效区荷电状态数值的下限值为=50%，上限值为=80%；蓄电池每个挖掘循环动作周期的调整灵敏度=0.6%；蓄电池荷电状态数值的初始值为=87%，发动机初始工作点转速=2100，转矩=90；初始最大充电转矩值为=65，初始最小放电转矩值=90。

图5所示为没有应用混合动力的普通液压挖掘机的发动机工作点的分布情况，由于负载的波动，发动机的工作点分散分布在各个效率区。

图6所示为应用本方法并联式混合动力液压挖掘机的发动机工作点分布情况，与图3所示分布情况不同，发动机工作点较为集中地分布在高效区。

图7所示，其中曲线①是本方法并联式混合动力液压挖掘机的的蓄电池SOC变化曲线，蓄电池SOC基本上在第三个周期后调整到高效工作区；曲线②是没有应用本方法的并联式混合动力液压挖掘机的蓄电池SOC变化曲线，由于放电功率超过充电功率，蓄电池SOC循环下降，直到在第四个周结束前达到蓄电池设定极限值并强制充电。

图8所示，曲线①是无混合动力挖掘机油耗；曲线②是应用本方法的并联式混合动力液压挖掘机的油耗；曲线③是采用综合效率最大策略的混合动力挖掘机的油耗。由三条曲线可以看出采用综合效率最大策略的混合动力系统油耗最小，应用本方法的并联式混合动力液压挖掘机与采用综合效率最大策略相比几乎相同。