并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)參數(shù)匹配方法

1、2009年6月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第40卷第6期并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)參數(shù)匹配方法3林瀟管成潘雙夏王冬云(浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所,杭州310027【摘要】從混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)入手,以系統(tǒng)全局效率優(yōu)化為目標(biāo),提出了并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源單元和能量?jī)?chǔ)存單元的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、約束方程以及整機(jī)的參數(shù)匹配方法,并結(jié)合一臺(tái)5t 混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了部件參數(shù)匹配的實(shí)例研究,通過(guò)Matlab/Simulink 建模分析得到經(jīng)參數(shù)匹配后的系統(tǒng),其各部件具有裝機(jī)功率低、效率高、油耗低的良好特性。 關(guān)鍵詞:液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力部件參數(shù)參數(shù)匹配中圖分類號(hào):TH137;TD42212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AParam

2、eters Matching Method for Parallel H ybrid H ydraulic ExcavatorsLin Xiao Guan Cheng Pan Shuangxia Wang Dongyun(Institute of Mechanical Design ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310027,China AbstractIn order to optimize the efficiency of a parallel hybrid hydraulic excavator (PHHE ,this paper firstly g

3、et started with the analysis of the system s structure ,and then the optimal objective function and constraint equations that depict powertrain unit and energy storage unit for PHHE were put forward along with a parameter matching method for the machine.For the purpose of component sizing and matchi

4、ng in PHHE ,one case was done in a 5ton hybrid excavator ,and the system with the designed parameters of components could reduce components peak power ,increase system efficiency and decrease fuel consumption rate by using Matlab and Simulink toolbox.K ey w ords Hydraulic excavator ,Hybrid power ,Co

5、mponent sizing ,Parameters matching收稿日期:2008206211修回日期:20082092253浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006C11148和浙江省臺(tái)州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(07z ju010作者簡(jiǎn)介:林瀟,博士生,主要從事混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)/汽車控制策略研究,E 2mail :xlinz ju 引言液壓挖掘機(jī)工況復(fù)雜、惡劣,油耗大、尾氣排放嚴(yán)重,因此其節(jié)能研究有很大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。當(dāng)前,混合動(dòng)力設(shè)計(jì)方法逐漸引入到汽車領(lǐng)域13。對(duì)比研究汽車與挖掘機(jī)的工況以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),挖掘機(jī)的工況波動(dòng)頻繁、劇烈,回轉(zhuǎn)制動(dòng)、動(dòng)臂等復(fù)合動(dòng)作勢(shì)能回收等都非常適合采用

6、混合動(dòng)力設(shè)計(jì)方法45。因此可以借鑒混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域研究的經(jīng)驗(yàn)和方法對(duì)混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)進(jìn)行研究,以尋求液壓挖掘機(jī)節(jié)能控制的突破?；旌蟿?dòng)力液壓挖掘機(jī)可以采用并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)的動(dòng)力源連接方式,考慮到整機(jī)系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果,應(yīng)用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)較為適宜。在并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,動(dòng)力源部件參數(shù)確定、匹配是最為關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。其參數(shù)匹配67不僅應(yīng)考慮到特定機(jī)型外負(fù)載的狀況,而且應(yīng)結(jié)合各個(gè)動(dòng)力源之間的特性,優(yōu)化配置動(dòng)力源,從局部?jī)?yōu)化動(dòng)力單元、儲(chǔ)存單元部件效率著手,進(jìn)而達(dá)到全局系統(tǒng)效率最優(yōu)化以及系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)最小化。本文首先分析并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu),進(jìn)而提出動(dòng)力單元、儲(chǔ)存單元參數(shù)匹配的目標(biāo)函

7、數(shù)和約束方程,然后應(yīng)用該匹配方法,結(jié)合5t 液壓挖掘機(jī)進(jìn)行并聯(lián)式混合動(dòng)力參數(shù)匹配的實(shí)例分析,最終通過(guò)Matlab/Simulink 建模仿真得出參數(shù)匹配后的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)部件的工作特性。1混合動(dòng)力概述混合動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)系統(tǒng)相比,最為關(guān)鍵的是對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行了改動(dòng),原先單發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)的參數(shù)匹配,只需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與外負(fù)載需求功率相匹配;而混合動(dòng)力系統(tǒng)由于具備多個(gè)動(dòng)力源以及儲(chǔ)存單元,不僅要對(duì)外負(fù)載狀況進(jìn)行深入分析,而且需要綜合分析動(dòng)力源內(nèi)部參數(shù)的匹配與優(yōu)化問(wèn)題以及儲(chǔ)存裝置的匹配問(wèn)題。如圖1所示,典型的并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)是在動(dòng)力源一側(cè)引入電機(jī)系統(tǒng)以及能量?jī)?chǔ)存裝置,電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)采用

8、同軸連接共同驅(qū)動(dòng)液壓泵。因此對(duì)動(dòng)力源來(lái)說(shuō),相當(dāng)于從1個(gè)自由度變化為2個(gè)自由度,電機(jī)作為一個(gè)靈活的動(dòng)力單元,可以跟隨外負(fù)載的劇烈波動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)單元工作點(diǎn)的穩(wěn)定與高效;在能量回收一側(cè),引入了液壓能量回收單元,可以實(shí)現(xiàn)在動(dòng)臂下降時(shí),吸合離合器,回收動(dòng)臂勢(shì)能,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果 。圖1并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Connection structure of hybrid hydraulic excavators其動(dòng)力源部分工作模式有以下幾種情況:發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式,此模式工作于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩能夠匹配外負(fù)載,并且電池SOC 值過(guò)高,不需要充電,該模式與傳統(tǒng)液

9、壓挖掘機(jī)工作方式相同。發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式,此模式工作于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出一定的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩,電池輸出一定的能量驅(qū)動(dòng)電機(jī),輸出額外的轉(zhuǎn)矩共同匹配外負(fù)載,此時(shí)電池SOC 值下降,電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)受到電池SOC 值的制約。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外負(fù)載和電機(jī),該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩大于外負(fù)載的需求,因而將有一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出能量通過(guò)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電池的內(nèi)能儲(chǔ)存起來(lái),此時(shí)電池的SOC 值上升,并且電機(jī)的發(fā)電容量受到電池容量的限制。動(dòng)臂勢(shì)能回收模式,在挖掘機(jī)處于動(dòng)臂下降階段時(shí),外負(fù)載較小,可以用電機(jī)的發(fā)電功能實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂勢(shì)能的回收,并且將回收的勢(shì)能儲(chǔ)存到電池中。2參數(shù)匹配目標(biāo)并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)需要考慮的參數(shù)匹配單元

10、如表1所示。系統(tǒng)整體優(yōu)化目標(biāo)為:在多工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略下,各部件效率最優(yōu)化(發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效工作區(qū)表1并聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)參數(shù)匹配單元T ab.1P arameters m atching units of hybridhydraulic excavators匹配單元技術(shù)參數(shù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率,標(biāo)定轉(zhuǎn)速,標(biāo)定轉(zhuǎn)矩電機(jī)系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩,額定轉(zhuǎn)速,峰值功率,母線電壓,母線電流儲(chǔ)存裝置額定電壓,峰值電流,峰值功率域,電機(jī)發(fā)電/電動(dòng)效率處于高效區(qū),儲(chǔ)存裝置SOC 值在一定周期內(nèi)平衡且具有一定的波動(dòng)量,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗最小,并且系統(tǒng)整體參數(shù)配置為最經(jīng)濟(jì)、裝機(jī)功率最小的方案。211動(dòng)力單元并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)動(dòng)力

11、單元包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī),其中電機(jī)具備發(fā)電/電動(dòng)功能。目前動(dòng)力單元的配置有2種方案:柴油發(fā)動(dòng)機(jī)+異步電機(jī);柴油發(fā)動(dòng)機(jī)+永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)相比于交流感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等其他電機(jī)控制系統(tǒng),具有以下優(yōu)點(diǎn):高性能永磁材料提供勵(lì)磁,功率密度高;轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁繞組,故無(wú)轉(zhuǎn)子銅耗,電機(jī)效率較高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小,動(dòng)態(tài)性能好;低轉(zhuǎn)速下,效率較高、輸出轉(zhuǎn)矩大。對(duì)于混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)而言,額外增加的部件譬如電機(jī)、電池對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)的空間布置提出了較高要求,在有限的空間內(nèi)部件體積對(duì)整機(jī)的布置具有很大影響,因此電機(jī)的功率密度是選型的重要指標(biāo)。永磁同步電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、功率密度高,現(xiàn)有的永磁同

12、步電機(jī)甚至可以超過(guò)1kW/kg 。因此選擇系統(tǒng)動(dòng)力單元方案為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)+永磁同步電機(jī)。對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī),要求發(fā)動(dòng)機(jī)能提供外負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩的平均值,并且能在整機(jī)多工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略下使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳油耗區(qū)域內(nèi),即發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)。發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為m =mint 0t 0m fuel -rate (T e ,n e 36002T e n e60d t (1發(fā)動(dòng)機(jī)的約束方程為T eN=t 0t 0T load d tt 0-t 0(2式中m fuel -rate (T e ,n e 燃油率T e 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩n e 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速T load 外負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩t 0周期工況起始時(shí)間t 0周期工況終止

13、時(shí)間92第6期林瀟等:并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)參數(shù)匹配方法對(duì)于永磁同步電機(jī),要求其盡可能工作在高效區(qū)間,并且發(fā)動(dòng)機(jī)能提供額外的峰值驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或吸收多余的發(fā)動(dòng)機(jī)能量,即:永磁同步電機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為mm =maxt0tT m2n m60d tt0ti b u b d t(3mg =maxt0ti b u b d tt0tT m2n m60d t(4永磁同步電機(jī)的約束方程為P mN=2n mN 60maxt0tT load d tt0-t0,T load-max-t0tT load d tt0-t0(5式中mm電機(jī)電動(dòng)效率mg電機(jī)發(fā)電效率T m電機(jī)轉(zhuǎn)矩n m電機(jī)轉(zhuǎn)速i b電池電流u b電池電壓P m

14、N電機(jī)額定功率T load-max外負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩最大值n mN電機(jī)額定轉(zhuǎn)速212儲(chǔ)能單元并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的儲(chǔ)能單元目前有2種方案:采用超級(jí)電容或N IMH電池組。超級(jí)電容,體積小,能在瞬間吸收/釋放能量,非常適合混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的工況特點(diǎn),但應(yīng)用超級(jí)電容的技術(shù)還處于起步階段,成本較高;而N IMH電池組,雖然功率體積比較小,體積較大,瞬間吸收/釋放能量的能力較弱,但是能儲(chǔ)存大量的能量,并且技術(shù)成熟,成本較低廉。因此結(jié)合多方面的因素綜合考慮,選擇N IMH電池組作為實(shí)驗(yàn)用的儲(chǔ)能單元。N IMH電池組的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為bc =Ebt0ti bc u bc d t(6bd =t0ti bd

15、u bd d tEb(7N IMH電池組的約束方程為i b-peak=P m-peaku bN(8式中bc電池充電效率bd電池放電效率Eb電池能量變化值i bc電池充電電流u bc電池充電電壓i bd電池放電電流u bd電池放電電壓3參數(shù)匹配方法選取5t液壓挖掘機(jī)作為研究對(duì)象,配上電機(jī)+電池組實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力,力求通過(guò)參數(shù)匹配,降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。目前主要考慮為輕度到中度的混合動(dòng)力配置方案,即中排量發(fā)動(dòng)機(jī)配中等功率的電機(jī)、電池組。(1整機(jī)系統(tǒng)參數(shù)確定一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)5t液壓挖掘機(jī),系統(tǒng)凈重4510kg,裝機(jī)功率34kW,系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)矩需求為152Nm。(2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)選型并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)與液

16、壓泵同軸相連,因此n e=n m=n c。在本例中選擇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為neN=2000r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為液壓泵出口轉(zhuǎn)矩的平均值,即T eN=60T load d t60=8515Nm計(jì)算可得,對(duì)于該種外負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)所需要提供的平均功率為1719kW,考慮到20%的設(shè)計(jì)余量以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)種類,最終選擇的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為22kW。(3永磁同步電機(jī)選型因?yàn)榕c發(fā)動(dòng)機(jī)同軸,所以n mN=n eN=2000r/minT mN=max|T load-111T eN|=56NmP mN=T mN2n mN60=1117kW電機(jī)直流母線的電壓選擇直接關(guān)系到電機(jī)、電池連接線上的損耗以及高

17、壓絕緣問(wèn)題,有2種比較普遍的母線電壓方案,一種是240V,一種是400V。實(shí)例中設(shè)定電機(jī)直流母線額定電壓U dcN=240V,電壓范圍為216360V,則電機(jī)母線電流為I dcN= 1117×103240=50A,考慮到設(shè)計(jì)余量,電機(jī)的額定功率取為15kW。(4N IMH電池組選型參數(shù)選擇如下:額定電壓U bN=U dcN=240V;峰值功率P b-peak=112P m-peak=18kW。最終選擇春蘭QNF G8型高功率型金屬氫化物03農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2009年鎳蓄電池8,單個(gè)電池單元端電壓為112V ,標(biāo)稱容量為8A h ,用200節(jié)電池單元串聯(lián)起來(lái),可以滿足上述儲(chǔ)能單元的性能要求

18、。4結(jié)果分析通過(guò)在Matlab/Simulink 仿真系統(tǒng)中對(duì)液壓挖掘機(jī)負(fù)載、發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、N IMH 電池組的穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模,并應(yīng)用多工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略9,分析了經(jīng)過(guò)參數(shù)匹配之后的混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)各部件的效率以及相關(guān)特性。表2為傳統(tǒng)挖掘機(jī)與混合動(dòng)力挖掘機(jī)的動(dòng)力源部件(柴油發(fā)動(dòng)機(jī),永磁同步電機(jī)和N IMH 電池組裝機(jī)功率對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可見,引入了電機(jī)和電池系統(tǒng),降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率。定義混合度=P engineP engine +P motor×100%則經(jīng)過(guò)本參數(shù)匹配調(diào)整的5t 并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的混合度為5915%。表2傳統(tǒng)挖掘機(jī)與混合動(dòng)力挖掘機(jī)裝機(jī)功率

19、對(duì)比T ab.2Pow er comparisons betw een traditional excavatorsand the hybrid hydraulic excavatorskW 類別發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)電池傳統(tǒng)挖掘機(jī)34混合動(dòng)力挖掘機(jī)221518圖2并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)矩分配曲線Fig.2Torque distribution curve among the required load torque ,the engine s torque and the motor s torque in parallel hybrid hydraulic excavators圖2為經(jīng)過(guò)參數(shù)匹配后

20、的并聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)分配特性曲線,除了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)下輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大的波動(dòng)外,在標(biāo)準(zhǔn)工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩始終保持在80N m 附近,電機(jī)的寬幅轉(zhuǎn)矩輸出抵消了負(fù)載轉(zhuǎn)矩的頻繁劇烈波動(dòng),因此發(fā)動(dòng)機(jī)維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗特性。圖3為電機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下工作點(diǎn)的實(shí)時(shí)曲線。由圖3可見,電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,其大部分工作點(diǎn)位于19502000r/min 這一狹窄的區(qū)域內(nèi),其輸出的轉(zhuǎn)矩值位于-5050N m 之間, 并且正負(fù)轉(zhuǎn)矩值大致相當(dāng),表明電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)與電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間相近,對(duì)電池來(lái)說(shuō)充放電平衡能夠較為容易地維持電池SOC 值的平衡。圖3電機(jī)實(shí)時(shí)工作點(diǎn)曲線Fig.3Curve o

21、f real 2time dynamic workingpoints of the motor如圖4所示,雖然液壓挖掘機(jī)工況惡劣、負(fù)載多變,但電機(jī)響應(yīng)速度快的特性能充分抵消外負(fù)載的波動(dòng),其輸出的功率波動(dòng)幅度在-10 10kW 之間,并且在發(fā)電與電動(dòng)狀態(tài)下頻繁切換。因此有必要考慮電機(jī)、AC/DC 以及電池組充放電的效率。圖4電機(jī)實(shí)時(shí)功率曲線Fig.4Real 2time power curve of the motor圖5為系統(tǒng)部件的效率曲線,可見電池充放電效率能夠維持在019以上,而電機(jī)(包括AC/DC 的效率只能處于016水平附近,尤其是在電機(jī)狀態(tài)切 換過(guò)程中效率會(huì)低于015,在正常運(yùn)行中電

22、機(jī)效率能夠達(dá)到018以上。圖5電機(jī)以及電池的實(shí)時(shí)效率曲線Fig.5Real 2time efficiency curves of themotor and the battery圖6為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工況后電池SOC 值的變化情況。由圖6可見,電池狀態(tài)為凈輸出,其凈輸出能量約為1914kJ 。13第6期林瀟等:并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)參數(shù)匹配方法 圖6N IMH電池組SOC變化值Fig.6Change of SOC of N IMH batteries 5結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)5t液壓挖掘機(jī)的典型工況研究,提出了對(duì)其并聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力源和儲(chǔ)存裝置進(jìn)行參數(shù)匹配、優(yōu)化的方法,從部件的優(yōu)化、約束特性入手,建立了

23、各個(gè)部件的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和約束方程,最終實(shí)現(xiàn)了5t并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配,并且達(dá)到了高效率、低裝機(jī)容量的系統(tǒng)特性。參考文獻(xiàn)1Antonio Sciarretta,Michael Back,Lino Guzzella.Optimal control of parallel hybrid electric vehiclesJ.IEEE Transactions on Control Systems Technology,2004,12(3:352363.2Schouten N J,Salman M A,Kheir N A.Fuzzy logic control for parallel

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