串聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)建模及實(shí)驗(yàn)研究

王云龍，張洪田，孫遠(yuǎn)濤，鞏秋野，李友為

（1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱150050）

挖掘機(jī)存在燃油利用率比較低、尾氣排放量比較高、工作噪音較大等問(wèn)題，而且其工作負(fù)載變化大、工作環(huán)境較差，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)變化波動(dòng)較大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率與能源利用率較低。同時(shí)，全球石油的儲(chǔ)備量不斷減少，燃油價(jià)格不斷抬高，殘酷的現(xiàn)實(shí)決定傳統(tǒng)挖掘機(jī)要通過(guò)技術(shù)變革來(lái)適應(yīng)當(dāng)前對(duì)環(huán)保、噪聲、高效、節(jié)能等方面的要求，來(lái)改善燃油利用率、尾氣排放、工作噪聲等諸多問(wèn)題，因此混合動(dòng)力挖掘機(jī)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

混合動(dòng)力在汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但應(yīng)用在挖掘機(jī)領(lǐng)域起步相對(duì)較晚。在國(guó)外，如日本的小松、早稻田大學(xué)、住友建機(jī)、日立建機(jī)等均對(duì)混合動(dòng)力挖掘機(jī)開(kāi)展了研究，2004年，小松公司研發(fā)制造出混合動(dòng)力挖掘機(jī)的實(shí)驗(yàn)機(jī)型，為世界上首臺(tái)混合動(dòng)力挖掘機(jī)。2017年底，小松推出其下代混合動(dòng)力車型HB205－1和 HB215－1兩款車型，此機(jī)型在回轉(zhuǎn)方面與傳統(tǒng)挖掘機(jī)區(qū)別較大，配有發(fā)電機(jī)馬達(dá)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)，還備有電容器在回轉(zhuǎn)停止時(shí)儲(chǔ)備能量；神戶制鋼與神戶建機(jī)［1－3］共同提出了一種混合動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了仿真建模研究；早稻田大學(xué)兼佳行［4］等人將串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用到挖掘機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)研究；2009年，住友建機(jī)推出了混合動(dòng)力磁盤起吊式挖掘機(jī)，宣稱與同型號(hào)舊機(jī)型相比可節(jié)約40%的油耗［5］；美國(guó)的凱斯公司在第八屆法國(guó)巴黎工程機(jī)器博覽會(huì)上展示了自主研制的CX210B機(jī)型油電混合動(dòng)力挖掘機(jī)，該機(jī)型使用電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在儲(chǔ)能方面使用的是超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，同時(shí)還能達(dá)到約15%的燃油節(jié)省效率［6］。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在混合動(dòng)力挖掘機(jī)方面的研究相對(duì)要晚一些，整體技術(shù)水平要落后于國(guó)際水平。浙江大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行混合動(dòng)力挖掘機(jī)技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)之一，主要進(jìn)行了混合動(dòng)力挖掘機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和仿真分析等相關(guān)研究工作，建立了混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配、控制策略及能量回收等方面進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。浙江大學(xué)張彥廷博士，對(duì)挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能效果、控制策略和馬達(dá)能量回收等方面進(jìn)行了仿真和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究［7］；浙江大學(xué)肖清博士，對(duì)挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略及參數(shù)匹配進(jìn)行了建模與實(shí)驗(yàn)研究［8］。

2007 年，貴州詹陽(yáng)動(dòng)力重工推出了JYL621H混合動(dòng)力環(huán)保型輪式挖掘機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)加電機(jī)電池的雙驅(qū)動(dòng)模式，具有高效、節(jié)能、低排放、低噪音、低振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)［9］。2009年，三一重機(jī)展示了混合動(dòng)力挖掘機(jī)樣機(jī)SY215C，其操作質(zhì)量為20.9t，最髙行駛速度達(dá)5.2km／h，最大掘起力為140kN，宣稱與傳統(tǒng)同噸位挖掘機(jī)相比節(jié)能可達(dá)30%以上，作業(yè)效率可提高25%以上。在2010年8月，山河智能第一產(chǎn)業(yè)園研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)商品化混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，成為我國(guó)混合動(dòng)力挖掘機(jī)商品化的重要里程碑。2015年12月，在山河智能第一產(chǎn)業(yè)園，國(guó)內(nèi)首臺(tái)90噸液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)下線，該產(chǎn)品是目前國(guó) 內(nèi) 最 大 噸 位 的 液 壓 混 合 動(dòng) 力 挖 掘 機(jī)［10－13］。2018年，徐工挖掘機(jī)承擔(dān)的“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃《基于挖掘機(jī)能量回收的液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)》［14］項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收，項(xiàng)目樣機(jī)XE500HB在山東淄博采石場(chǎng)通過(guò)考核，與同噸位的機(jī)型相比，XE500HB挖掘機(jī)節(jié)油率可達(dá)15%，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)能量回收、存儲(chǔ)、釋放及控制等方面的技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)約效果明顯，駕駛?cè)藛T操作舒適。

綜上所述，混合動(dòng)力挖掘機(jī)研究在我國(guó)起步較晚，但近幾年研究水平提升較大，且生產(chǎn)出商用混合動(dòng)力挖掘機(jī)。當(dāng)前研究主要針對(duì)混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)匹配、控制策略等方面，本文主要開(kāi)展基于串聯(lián)形式的混合動(dòng)力系統(tǒng)挖掘機(jī)仿真模型構(gòu)建及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

2 挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

相較于并聯(lián)形式和混聯(lián)形式，串聯(lián)形式的混合動(dòng)力系統(tǒng)具有發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間相對(duì)固定，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，工作噪音較小，尾氣排放良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，均適合于挖掘機(jī)的工作環(huán)境。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池組等動(dòng)力部件，以串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)［15］（見(jiàn)圖1）。串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力全部用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)交直流整流、逆變后，轉(zhuǎn)變?yōu)橛脕?lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作的電能，富余的電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能元件電池或電容中。

當(dāng)外負(fù)載較大時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再經(jīng)過(guò)交直流整流、逆變后直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行工作；當(dāng)外負(fù)載較小時(shí)，由儲(chǔ)能單元中的電能直接帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵進(jìn)行工作；當(dāng)挖掘機(jī)啟動(dòng)或者重載工況時(shí)，需要發(fā)電機(jī)發(fā)電和儲(chǔ)能單元中的電能共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)挖掘機(jī)怠速或者輕載工況時(shí)，只需由儲(chǔ)能單元直接向電動(dòng)機(jī)提供電能驅(qū)動(dòng)液壓泵。儲(chǔ)能單元電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給儲(chǔ)能單元充電。

2.2 混合動(dòng)力總成部件選型與參數(shù)匹配

本文主要以某小型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能單元以及其他輔助部件，并進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型與參數(shù)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的動(dòng)力源泉，其對(duì)車輛整體設(shè)計(jì)至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)選擇主要關(guān)注其額定功率和額定轉(zhuǎn)速的選擇，各類工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍見(jiàn)表1。同時(shí)考慮到串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，發(fā)動(dòng)機(jī)要與發(fā)電機(jī)組合，發(fā)電機(jī)可以選擇永磁同步電機(jī)，也可以選擇永磁異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，鑒于挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)有限的空間結(jié)構(gòu)，選擇永磁同步電機(jī)較為合理。

表1 各類工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍

根據(jù)表1中工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速大多在1 800～2 200r／min區(qū)間，同時(shí)結(jié)合小型挖掘機(jī)工作實(shí)際，選取發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 200r／min，該額定轉(zhuǎn)速即為電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵的額定轉(zhuǎn)速。混合動(dòng)力系統(tǒng)要求發(fā)動(dòng)機(jī)能提供負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩的平均值，同時(shí)要求發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)位于最佳油耗區(qū)域內(nèi)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

發(fā)動(dòng)機(jī)的約束方程為：

發(fā)動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩約等于液壓泵出口轉(zhuǎn)矩的平均值，通過(guò)式（2）計(jì)算可得，發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供的平均功率為23kW，根據(jù)平均功率參考值選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200r／min，額定功率選取為25kW。在串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連接在一起，所以發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、額定功率也應(yīng)和發(fā)動(dòng)機(jī)相同；因此，發(fā)電機(jī)的額定功率為25kW，額定轉(zhuǎn)速為2 200rpm，額定工作電壓為240V。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)選型與參數(shù)

永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速范圍、母線額定電壓、允許最大充放電流等。為了滿足外負(fù)載的需求，須在任何工況下，電動(dòng)機(jī)都能夠向液壓泵提供足夠的輔助動(dòng)力。

式中：Pm為電機(jī)輸出功率；Pex為液壓挖掘機(jī)總需求功率；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

由式（3）可得到電動(dòng)機(jī)的參考額定功率值Pm＝11kW，結(jié)合工作實(shí)際，選擇電動(dòng)機(jī)額定功率為15kW。為滿足挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)為0～4 000rpm，選用電動(dòng)機(jī)額定電壓為240V。

2.2.3 儲(chǔ)能單元選型及參數(shù)

目前，應(yīng)用到混合動(dòng)力系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元較多，如電化學(xué)電池、飛輪電池、超級(jí)電容等，其中超級(jí)電容比功率較高，充電速度快，但比能量過(guò)低是最大短板；飛輪電池比功率和比能量較高，但飛輪電池的材料和磁懸浮軸承以及成本等問(wèn)題都制約了其實(shí)用性。綜合考量?jī)?chǔ)能單元各方面指標(biāo)，運(yùn)用到混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)成熟的儲(chǔ)能單元當(dāng)數(shù)電化學(xué)電池中的鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池等，鎳氫電池相較于鉛酸電池，其比能量高，使用壽命長(zhǎng)；鋰電池控制要求高，安全性較差，在混合動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用不具可行性。綜合考慮，作為儲(chǔ)能單元鎳氫電池具有較高的比能量、高比功率、較好的充放電特性。

綜上，混合動(dòng)力系統(tǒng)中各部件選型如下：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率：25kW／2 200rpm，最大扭矩輸出：124kW／1 820rpm；

2）發(fā)電機(jī)額定功率：25kW／2 200rpm，額定工作電壓：240V；

3）永磁同步電動(dòng)機(jī)額定功率33kW／2 200rpm，額定工作電壓：240V；

4）電池組——額定電壓1.2V，200顆串聯(lián)組成電池組，額定電壓240V。

3 挖掘機(jī)仿真模型構(gòu)建

利用 MATLAB／SIMULINK仿真軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能單元及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，構(gòu)建串聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)仿真平臺(tái)，將液壓系統(tǒng)作為一個(gè)整體負(fù)載模型考慮。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線和載荷試驗(yàn)的速度特性曲線，以發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳運(yùn)行區(qū)間提高其燃油效率為目標(biāo)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗模型、動(dòng)力學(xué)模型。燃油消耗率可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，用插值法獲得燃油消耗率。發(fā)動(dòng)機(jī)油耗模型：

將式（4）經(jīng)過(guò)牛頓第一定律等換算后可得到式（5），即可確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和油門位置三者的關(guān)系：

式中：Mea（ne，a）為發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出扭矩（負(fù)載扭矩），N·m；Me（ne，a）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；Je為發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Ce為等效黏性阻尼系數(shù)；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；a為發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置。

根據(jù)數(shù)學(xué)公式構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，見(jiàn)圖2。

3.2 電動(dòng)機(jī)仿真模型

將電動(dòng)機(jī)看作動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元，考慮其能量轉(zhuǎn)換效率和動(dòng)力學(xué)特性，采取試驗(yàn)建模方法，仿真模型的輸入?yún)?shù)為電動(dòng)機(jī)總線電壓和請(qǐng)求轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，通過(guò)條件限制計(jì)算輸出電動(dòng)機(jī)向儲(chǔ)能單元的請(qǐng)求功率，見(jiàn)圖3。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖3 電動(dòng)機(jī)模型

3.3 儲(chǔ)能單元仿真模型

儲(chǔ)能單元指的就是電池組，關(guān)注的就是電池的荷電狀態(tài)SOC值、電池內(nèi)阻，在建立其仿真模型時(shí)，采用能量守恒和四線法估算荷電狀態(tài)SOC值的方法。

式中：Wbat為電池組實(shí)時(shí)電容；Kt為電池容量隨溫度變化的修正系數(shù)；Kc為電池容量循環(huán)次數(shù)變化的修正系數(shù)；QN為電池組額定電量；KE0為開(kāi)路電壓是否穩(wěn)定的邏輯系數(shù)；E0為開(kāi)路電壓；e為電池組動(dòng)態(tài)電動(dòng)勢(shì)；R為電池組動(dòng)態(tài)內(nèi)阻；Ibat為電池組充／放電流；Ubat為電池組開(kāi)路電壓；W為放電電量。

根據(jù)數(shù)學(xué)公式構(gòu)建的儲(chǔ)能單元仿真模型，見(jiàn)圖4。

3.4 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)模型

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)就是將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)附近，保持相對(duì)較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)省燃油、減少尾氣污染物排放。將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能單元以及負(fù)載和其他部件進(jìn)行有效聯(lián)結(jié)，設(shè)定好邏輯關(guān)系、控制與條件，構(gòu)建串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，圖5為串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型。

圖4 儲(chǔ)能單元模型

圖5 串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

串聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)工作時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出全部用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，隨著負(fù)載需要功率的變化，富余能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元中，不足的能量也由儲(chǔ)能單元來(lái)補(bǔ)充。同時(shí)要考慮儲(chǔ)能單元的效率和使用壽命，保證儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)SOC值在安全范圍內(nèi)，不能過(guò)量充電或者過(guò)量放電。

4.1 控制策略分析

對(duì)于電池荷電狀態(tài)SOC值，設(shè)定SOCmax為上限、SOCmin為 下 限，SOCmax＿c為 自 由 工 作 上 限，SOCmin＿c為自由工作下限：

1）當(dāng)SOC＞SOCmax時(shí)，若負(fù)載不為重載工況，則關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；

2）當(dāng)SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c時(shí)，由外負(fù)載來(lái)確定其發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

若為重載工況，則發(fā)動(dòng)機(jī)保持狀態(tài)運(yùn)行；非重載工況，則下降發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

1）當(dāng)SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)保持原狀態(tài)運(yùn)行工作；

2）當(dāng)SOCmin＜SOC＜SOCmin＿c時(shí)，由外負(fù)載來(lái)確定其發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

若為重載工況，則需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率；非重載工況，發(fā)動(dòng)機(jī)保持原狀態(tài)運(yùn)行工作。

當(dāng)SOC＜SOCmin時(shí)，則需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)的輸入變量不選擇多個(gè)，只選擇改變負(fù)載。將電池荷電狀態(tài)SOC初始值設(shè)定為0.6，在100s時(shí)改變負(fù)載來(lái)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化、電池荷電狀態(tài)SOC變化等，可判斷是否節(jié)能。整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為500s，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行100s時(shí)，改變負(fù)載，觀察各個(gè)部件對(duì)應(yīng)示波器中波形變化，分析對(duì)應(yīng)部件在負(fù)載改變后的工作狀態(tài)，作為第一次實(shí)驗(yàn)。在第二次實(shí)驗(yàn)中，在第一次實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在其他時(shí)間段不確定性的改變負(fù)載，使實(shí)驗(yàn)更符合挖掘機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)。

1）在第一次實(shí)驗(yàn)中，在各個(gè)動(dòng)力部件對(duì)應(yīng)的示波器中都會(huì)有相應(yīng)的波形變化，通過(guò)觀察示波器中的圖形來(lái)分析驗(yàn)證。圖6中顯示各個(gè)部件的波形圖，圖6（a）為負(fù)載改變波形圖，圖6（b）為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化波形圖，圖6（c）為油門開(kāi)度調(diào)整波形圖，圖6（d）為儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)SOC值變化波形圖。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到100s時(shí)負(fù)載突然增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也在100s時(shí)發(fā)生一次明顯的變化，但變化時(shí)間很短，之后馬上恢復(fù)至之前的轉(zhuǎn)速。而荷電狀態(tài)SOC值的變化，在負(fù)載未增大時(shí)，儲(chǔ)能單元明顯處于充電狀態(tài)，而負(fù)載增大后，為使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)穩(wěn)定，儲(chǔ)能單元輸出電能向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，儲(chǔ)能單元處于放電狀態(tài)，而儲(chǔ)能單元在放電一段時(shí)間后需要充電，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油門開(kāi)度需要增加，在系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)后又恢復(fù)到原來(lái)的油門開(kāi)度。

2）在第二次實(shí)驗(yàn)中，在圖7中的4個(gè)波形圖順序與第一次實(shí)驗(yàn)相同。第二次實(shí)驗(yàn)的負(fù)載變化較為頻繁，且沒(méi)有規(guī)律，這樣更加貼近實(shí)際工作。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)波動(dòng)，但又迅速回到原來(lái)的轉(zhuǎn)速，也說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎始終工作在最佳工作區(qū)域附近。而荷電狀態(tài)SOC值也發(fā)生變化，儲(chǔ)能單元處于不斷充放電狀態(tài)來(lái)給電動(dòng)機(jī)提供電能，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作區(qū)域附近工作；同樣的，油門開(kāi)度也會(huì)發(fā)生變化，而后又恢復(fù)到原來(lái)的油門開(kāi)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，在不同時(shí)間段負(fù)載不同時(shí)，荷電狀態(tài)SOC值也隨之變化，說(shuō)明儲(chǔ)能單元通過(guò)充放電來(lái)給電動(dòng)機(jī)提供電能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 第一次實(shí)驗(yàn)各個(gè)部件波形

圖7 第二次實(shí)驗(yàn)各個(gè)部件波形

5 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)化帶來(lái)的能源短缺與環(huán)境污染已成為世界性的難題，節(jié)能減排將是各個(gè)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主旋律。挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的領(lǐng)頭羊，其用量大、油耗高、排放差，是節(jié)能減排的重要研究對(duì)象，發(fā)展混合動(dòng)力挖掘機(jī)在現(xiàn)階段是非常可行且具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。本文通過(guò)研究分析串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，并通過(guò)對(duì)仿真模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，表明混合動(dòng)力挖掘機(jī)具有同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和排放性的良好性能，是挖掘機(jī)未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。