混合动力液压挖掘机动力耦合机理及控制策略研究

Based on the hybrid technology,the dynamic coupling mechanism and control strategy were researched.The aim is to find a new type of powertrain that can optimize power,drivability as well as energy-saving. The main research points are as follows: the overall consideration of the coupling relationship of the electro-hydraulic system and the of main and auxiliary power source characteristics, to establish the mathematical model of the hybrid power source and its key components, type of model simulation for different hydraulic system, the key technology of power mix, the degree of mixing excavator power, handling, and energy-saving effect of the law, and the best parameter matching relations; research the main source of the mining operations of the three components of an auxiliary power source and storage unit integrated optimization method; study soil model, master mining the resistance variation of the design load prediction algorithm; power source and an auxiliary power source, power matching techniques, the power source and the load power matching techniques; reveal the power of global new power mode matching mechanism; key breakthroughs strong variable load power source coordination and control technology and high-frequency mutation load simulation technology. Trial powertrain controller least two controller design methods and key manufacturing technology program。

基于混合动力技术的挖掘机节能方案，研究适用于多种液压系统型式，不同工种及复合操作模式下的混合动力总成耦合机理及其控制策略，实现动力性，可操控性以及节能效果的综合优化。主要内容：统筹考虑机电液系统的耦合关系以及主、辅动力源特性，建立混合动力源及其关键部件的数学模型，通过模型仿真获得不同液压系统型式，动力组合模式，混合度等关键技术对挖掘机动力性，操控性和节能效果的影响规律以及最优的参数匹配关系；研究主力源，辅助动力源以及储能单元三大部件的挖掘作业全过程综合寻优方法；研究土壤模型，掌握挖掘阻力变化规律，设计载荷预测算法；研究主动力源与辅助动力源的功率匹配技术，动力源与负载的功率匹配技术；揭示新型动力模式下的全局功率匹配机理；重点突破强变负载下动力源的协调控制技术以及高频突变载荷模拟技术。试制动力总成控制器至少两台，提供控制器设计方法及关键制造技术方案。

摘要：随着非道路移动工程机械环保标准的日益严格，而且能源短缺日趋严重，国际油价逐年上涨，液压挖掘机作为燃油消耗大户，其节能技术面临空前挑战。基于对目前工程机械能耗原因以及节能研究现状的分析发现，因动力源与负载之间的功率不匹配加上工作负载的频繁剧烈波动，动力源的工作点波动巨大，导致发动机的燃油效率低下。在传统的发动机直接驱动液压泵作为动力源的结构中，动力源的效率很难得到有效改善，因此本项目提出了一种液压挖掘机新型油电混合动力技术，通过主动力源（柴油发动机）与辅助动力源（电动机和动力电池）组成并联混合动力系统，两个动力源性能互补，共同驱动挖掘机负载。本项目主要开展了以下工作：①研究了该混合动力系统的节能机理及关键科学问题并建立了并联混合动力系统的动力学模型；②根据双动力源的动力耦合特点，研究了混合动力系统的轴系振动机理，提出了基于软、硬件结合的解耦策略，通过实验验证了该方法对轴系振动的改善效果；③研究了基于遗传算法的动力总成控制策略，通过仿真和实验，验证了该方法在挖掘机负循环载剧烈波动工况下的适应性；④针对混合动力挖掘机多关节协同工作的特点，研究了基于非线性PID与交叉耦合算法相结合的斗齿轨迹精度控制方法，并进行了仿真和试验测试，结果表明该方法能较大提高多关节挖掘机斗齿的轨迹精度；⑤以电驱回转关节为对象，研究了基于混合动力技术与超级电容为储能装置的能量回收方法，并进行了理论仿真，结果表明基于电驱回转能量回收的方法，具有明显的节能效果。. 三年来，本项目研究成果已经在国内外公开发表学术论文7篇，其中SCI 检索期刊3篇（其中一篇录用），EI 检索期刊2 篇，申请国家专利1项。同时还有2篇论文投往一级以上期刊，正在审稿中。