挖掘机混合动力系统控制器设计

第2 3卷第 4期 2 0 1 3年 1 2月

湖

南工

程

学

院

学报

Vo 1 . 2 3 . NO . 4 De c . 2 O13

J o u r n a l o f Hu n a n I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g

挖掘机混合动力系统控制器设计 谢雅。黄中华

( 1 .湖南工程学院计算机与通信学院，湘潭 4 1 1 1 0 4;2 .湖南丁程学院机械工程学院，湘潭 4¨1 0 1 )

摘要：以减小柴油机转速波动为目标，设计了挖掘机混合动力系统控制器 .该控制器以液压泵需求扭

矩、液压泵转速和蓄电池 s Oc为输入参数，以柴油机转速、柴油机扭矩和电动机扭矩为输出参数.提出 了基于模糊控制的柴油机油门开度控制方法 .建立了基于 MATL AB的混合动力系统控制器性能仿真

模型.对挖掘工况和平整工况下的控制器性能进行了仿真分析.仿真结果表明：控制器能实现柴油机和电动机的协调控制；在整个工作过程中，柴油机的转速基本不变. 关键词：混合动力挖掘机；动力系统；控制器

中图分类号：TH1 1 3 . 1 T U3 2 1

文献标识码：A

文章编号： 1 6 7 1—1 l 9 X( 2 O 1 3 ) 0 4—0 0 2 0—0 4

节能是挖掘机必须面对的现实问题 .传统的挖掘机节能技术主要集中在提高相关元件的性能、改进液压系统及提高动力系统与液压系统的功率匹

示意图如图 1所示，柴油机和电动机共轴连接共同

驱动液压泵 .电动机在控制器的控制下可以处于电 动、空转和发电三种状态 .控制器根据液压泵的需求

配.传统的节能方法在一定程度上降低了挖掘机的 油耗和排放，但仍不能较大幅度的改善节能效 果[= l] . 2 0 0 8年日本小松公司向日本市场推出了 2 0 t混合动力液压挖掘机，实验测试结果表明：与传统机型相比，该混合动力液压挖掘机动力系统的平

功率实时控制柴油机和电动机的工作状态 .当液压

泵的需求功率大于柴油机稳态输出功率时，蓄电池 给电动机供电，电动机处于电动状态 .当柴油机稳态输出功率大于液压泵的需求功

率时，电动机给蓄电 池充电，电动机处于发电状态 .

均油耗可以降低 2 5左右，节能效果明显. 当前，混合动力挖掘机已成为世界主要挖掘机制 一

造企业的重要研究对象.在混合动力挖掘机涉及的众 多关键技术中，动力系统控制器设计具有重要作用， 它直接影响到动力系统的动力性能和工作能耗 . 混合动力挖掘机动力系统有串联式、并联式和

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1并联式混合动力系统结构不意图

混合式三种典型结构，研究表明，并联式混合动力挖掘机在结构布局和能耗方面具有优势] .论文以 并联式混合动力系统为研究对象，以提高柴油机燃

2混合动力系统控制器设计 2 . 1柴油机油门控制方法

油效率为目标，以液压泵的平均需求功率和蓄电池 的 S 0C ( S t a t e o f C h a r g e )为输入变量，以柴油机转速、柴油机输出扭矩和电动机输出扭矩为输出变量，

挖掘机工作时负载变化幅度大，根据液压泵的 瞬时需求功率判断动力系统的负载等级容易产生误 差.为此，论文提出通过对液压泵在一段时间内的平

开展混合动力系统控制器设计研究.

均需求功率来预测动力系统的负载等级.

1 混合动力系统结构 论文所研究的并联式挖掘机混合动力系统结构

由并联式混合动力系统的工作原理可知，柴油机油门控制涉及动力系统负载等级和蓄电池 S O C 两个变量 .柴油机油门控制涉及多个变量，且存在非

收稿日期： 2 O 1 3 0 7—0 1

基金项目：湖南省科技计划资助项目( 2 O l 3 GK3 0 3 0 );教育部科学技术研究重点资助项目 ( 2 1 2 1 2 3 ) 作者简介：谢雅( 1 9 8 2一),女，讲师，研究方向：计算机控制 .