CN106351280B - 基于前馈补偿的混合动力工程机械节能方法 - Google Patents

基于前馈补偿的混合动力工程机械节能方法 Download PDF

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Abstract

具有定转速及变排量柴油机的混合动力工程机械控制方法，属于工程机械节能领域，包括（1）、在控制器中增加基于前馈补偿的柴油机负载预测，实时将负载所需功率反馈到整车控制器上，由整车控制器计算负载所需扭矩值；（2）、定转速n1 r/min条件下，选柴油机全部气缸工作时最佳燃油点；选柴油机小于50％气缸停缸的最佳燃油点；选柴油机50%气缸停缸的最佳燃油点；（3）、分别根据最佳燃油点所对应的输出扭矩大小对应4个区间；（4）、根据负载所需扭矩以及电荷量大小确定变排量柴油机工作方式与电动机工作模式。（5）、为了消除混合动力调速偏差，通过前馈对柴油机转速进行提前补偿，使柴油机转速保持恒定。本发明能降低燃油消耗。

Description

基于前馈补偿的混合动力工程机械节能方法
技术领域
本发明属于工程机械节能领域，特别是具有柴油机定转速工作的混合动力工程机械，具体涉及具有柴油机定转速工作的混合动力挖掘机。
背景技术
液压挖掘机作为一种主要工程机械设备其应用越来越广泛，但由于其负载变化大、柴油机工作点波动严重，造成柴油机燃油消耗恶劣。混合动力技术对工程机械的开发有着重要意义，可缩小工作点波动范围，使转速波动幅值下降，现有柴油机的多工作点控制策略利用电池“削峰填谷”作用，将柴油机的工作模式分为低、中、高功率三种工作点模式，有效控制工作点波动，但也存在如下缺点：柴油机不能实时与负载匹配，存在滞后；在中、低功率工作点时，柴油机工作在非经济区；柴油机转速还是存在小范围波动。
专利内容
本发明目的是解决混合动力挖掘机柴油机与发电/电动机不能实时与负载匹配，存在滞后，在中、低负载工作点时燃油消耗率较经济区大大增加以及混合动力柴油机转速小范围波动的技术问题。
本发明的技术方案：具有定转速及变排量柴油机的混合动力工程机械控制方法，所述混合动力工程机械包括具有柴油机定转速工作的混合动力挖掘机，其特征是包括下述：
（1）、在控制器中增加基于前馈补偿的柴油机负载预测，实时将负载所需功率反馈到整车控制器上，由整车控制器计算负载所需扭矩值；
（2）、在定转速n1 r/min条件下，根据柴油机全部气缸工作时的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为a点，所对应的输出扭矩为Ta；根据柴油机停小于50％气缸后的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为b点，所对应的输出扭矩为Tb；根据柴油机停一半缸后的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为c点，所对应的输出扭矩为Tc；
（3）、根据a、b、c三点所对应的扭矩大小Ta、Tb、Tc划分四个区间，扭矩区间[0，Tc]对应小负载，扭矩区间[Tc，Tb]对应中小负载，扭矩区间[Tb，Ta]对应中大负载，扭矩大于Ta对应大负载；
（4）、根据负载所需扭矩以及电荷量（即SOC值）大小确定控制策略即变排量柴油机工作方式（不停缸或一个或几个气缸停止工作）与电动机工作模式；
（5）、为了消除混合动力调速偏差，通过前馈对柴油机转速进行提前补偿，使柴油机转速保持恒定。
控制策略：
若负载在大负载区间时，柴油机气缸不停缸，工作在最佳燃油点a点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在中大负载区间且电荷量小于40％时，柴油机气缸不停缸，工作在最佳燃油点a点，柴油机提供功率=负载所需功率+发电机功率；
若负载在中大负载区间且电荷量大于40％时，柴油机气缸停缸数小于50%气缸，工作在对应的最佳燃油点b点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在中小负载区间且电荷量小于40％时，柴油机气缸停缸数小于50%气缸，工作在对应的最佳燃油点b点，柴油机提供功率=负载所需功率+发电机功率；
若负载在中小负载区间且电荷量大于40％时，柴油机50%气缸停缸，工作在对应的最佳燃油点c点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在小负载区间时，柴油机50%气缸停缸，工作在对应的最佳燃油点c点；
所述定转速前馈补偿的方法，是在柴油机处加一个电机，可微调油门开度，控制器根据前馈的负载信号以及SOC值决定柴油机工作点，然后根据柴油机工作点求出为了消除混合动力调速偏差，柴油机所需输出的额外功率，得出节气门的补偿转角，给电机信号，驱动控制电机使节气门达到最佳开度位置，提前补偿，使柴油机转速保持恒定。
本发明采用压力传感器、流量计测量液压泵位置的压力和流量，实现基于前馈补偿的柴油机负载预测，及时反馈到整车控制器得出负载所需功率，减缓滞后。
在中、小负载时，采用柴油机变排量，即一个或几个气缸停止工作，通过减少工作气缸的数目，提高工作气缸的负荷率，使柴油机工作在（或接近）经济高效区。
在定转速n1 r/min条件下，根据柴油机全部气缸工作时柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为a点，根据柴油机停小于50％气缸后柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为b点，根据柴油机停50％缸后柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为c点。
负载所需扭矩区间（大扭矩、中大扭矩、中小扭矩、小扭矩）是根据a、b、c三点确定后进行划分。
带前馈补偿的混合动力***可以缩小柴油机转速波动区间，但是还会有一个小范围波动△n，在柴油机处加一个电机，可微调油门开度，控制器根据前馈的负载信号以及SOC值决定柴油机工作点，然后根据柴油机工作点求出为了消除混合动力调速偏差，柴油机所需输出的额外功率，得出节气门的补偿转角，给电机信号，驱动控制电机使节气门达到最佳开度位置，提前补偿，使柴油机转速保持恒定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、带前馈补偿的***可以使控制策略与负载变化及时匹配；
2、中、小负载采用变排量技术（一个或几个气缸停止工作），并在变排量技术基础上确定柴油机最佳燃油点可有效降低燃油消耗；
3、对混合动力转速波动进行前馈补偿，可使柴油机转速基本保持恒定。
附图说明
图1为柴油机调速特性曲线；
图2为混合动力柴油机调速特性曲线；
图3为带前馈补偿的混合动力柴油机在n1 r/min时的调速特性曲线；
图4为本发明的控制原理图；
图5为带前馈补偿的双闭环调速控制框图。
图中，1表示挖掘机回转机构，2表示动臂，3表示斗杆，4表示铲斗，5表示多路阀及阀组，6表示流量计，7表示压力计，8表示动力耦合器，9表示电机，10表示发动机，11表示发电/电动机，12表示整流/逆变器，13表示电池，14表示转速传感器，15表示发动机变排量控制器，16表示电机控制器，17表示整车控制器，101表示PID控制器，102表示节气门开度，103表示柴油机，104表示液压泵。
具体实施方法
图1所示，柴油机的调速特性由外特性段和调速特性段组成，柴油机的调速特性指在油门开度不同时柴油机输出转矩与转速之间的关系。
图2为混合动力柴油机调速特性曲线，在工程机械上运用混合动力技术可减小定转速下柴油机调速波动范围。
图3为在混合动力技术基础上，加前馈补偿后的柴油机调速曲线，柴油机转速基本不波动，实现转速前馈补偿的方法在柴油机处加一个电机，可微调油门开度，由控制器给电机信号，驱动控制电机使节气门达到最佳开度位置。
图3中曲线为柴油机外特性段和定转速n1 r/min时的调速特性段，在定转速n1 r/min条件下，根据柴油机全部气缸工作时的万有特性曲线选取最佳燃油点作为a点，所对应的输出扭矩为Ta；根据柴油机停小于50％气缸后的万有特性曲线选取最佳燃油点作为b点，所对应的输出扭矩为Tb；根据柴油机停一半缸后的万有特性曲线选取最佳燃油点作为c点，所对应的输出扭矩为Tc。根据a、b、c三点所对应的扭矩大小Ta、Tb、Tc划分四个区间，扭矩区间[0，Tc]对应小负载，扭矩区间[Tc，Tb]对应中小负载，扭矩区间[Tb，Ta]对应中大负载，扭矩大于Ta对应大负载；
图4采用的混合动力结构型式为并联式油电混合动力。
图5为带前馈补偿的双闭环调速控制框图，负载N作为干扰作用于液压***上。将柴油机定转速设为n1，混合动力柴油机在n1转速时的调速特性曲线，并不是恒定在n1，有偏差△n，为了消除混合动力***调速偏差,可在前馈的基础上提前调节节气门开度进行补偿。根据前馈的混合动力柴油机所需扭矩以及在此扭矩下所对应的柴油机调速偏差△n，求出为了消除调速偏差柴油机所需输出的额外功率，得出节气门的补偿转角，由控制器把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门到达最佳开度位置。
柴油机所需输出的额外功率P=T*△n；T为混合动力柴油机当前工况下所需扭矩，△n为偏差转速；当P的值为正值时，电机作用是使节气门开度增大，当P的值为负值时，电机作用是使节气门向开度减小方向运动。
偏差△n=（n1-n）；n1为目标转速，n为T扭矩下混合动力调速特性曲线上所对应的转速。
本发明采用柴油机多工作点，在启动过程中，采用PID调节，由转速传感器测柴油机转速与目标转速n1比较，经PID调节，使柴油机在启动时尽快到达目标转速。在工作过程中，根据前馈的负载大小以及SOC值大小，控制器可及时控制柴油机工作点，若须柴油机工作在a点则为了消除混合动力调速偏差，柴油机所需输出的额外功率P=Ta*（n1-na）,根据所需输出的额外功率，得出节气门的补偿转角，由控制器把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门到达最佳开度位置，提前补偿，使柴油机可工作在恒定转速。
最后，还需注意的是，以上例证仅是本发明的一个具体实施例，除挖掘机以外的其他混合动力工程机械节能控制策略与上述实施方式相同，且显然，本发明还有许多其他变形，如上述说明中柴油机采用六缸柴油机，本发明也适用于四缸柴油机或者多于六缸的柴油机。所以上述变形均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于前馈补偿的混合动力工程机械节能方法，所述混合动力工程机械包括具有柴油机定转速工作的混合动力挖掘机，包括下述内容：
（1）在控制器中增加基于前馈补偿的柴油机负载预测，实时将负载所需功率反馈到整车控制器上，由整车控制器计算负载所需扭矩值；
（2）在定转速n1 r/min条件下，根据柴油机全部气缸工作时的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为a点，所对应的输出扭矩为Ta；根据柴油机停小于50％气缸后的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为b点，所对应的输出扭矩为Tb；根据柴油机停50％气缸后的柴油机万有特性曲线选取最佳燃油点作为c点，所对应的输出扭矩为Tc；
（3）根据a、b、c三点所对应的扭矩大小Ta、Tb、Tc划分四个区间，扭矩区间[0，Tc]对应小负载，扭矩区间[Tc，Tb]对应中小负载，扭矩区间[Tb，Ta]对应中大负载，扭矩大于Ta对应大负载；
（4）根据负载所需扭矩以及电荷量大小确定控制策略即变排量柴油机工作方式与电动机工作模式；
（5）为了消除混合动力调速偏差，通过前馈对柴油机转速进行提前补偿，使柴油机转速保持恒定；其特征是：
若负载在大负载区间时，柴油机气缸不停缸，工作在最佳燃油点a点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在中大负载区间且电荷量小于40％时，柴油机气缸不停缸，工作在最佳燃油点a点，柴油机提供功率=负载所需功率+发电机功率；
若负载在中大负载区间且电荷量大于40％时，柴油机气缸停缸数小于50%气缸，工作在对应的最佳燃油点b点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在中小负载区间且电荷量小于40％时，柴油机气缸停缸数小于50%气缸，工作在对应的最佳燃油点b点，柴油机提供功率=负载所需功率+发电机功率；
若负载在中小负载区间且电荷量大于40％时，柴油机50%气缸停缸，工作在对应的最佳燃油点c点，负载所需功率=柴油机提供功率+电动机功率；
若负载在小负载区间时，柴油机50%气缸停缸，工作在对应的最佳燃油点c点。
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