工程機(jī)械混合動力能量管理策略研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢*

時(shí) 虹 ，馮美龍 ，張鵬飛 ，楊嘉駿

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007；2.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

混合動力技術(shù)是將多種動力源進(jìn)行控制，使其達(dá)到最優(yōu)的能源分配，在不同的狀態(tài)下合理分配動能源，來改善發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能，在混合動力系統(tǒng)各部件的配置確定下來后，混合動力控制策略則是混合動力技術(shù)的關(guān)鍵所在，控制策略就是一種如何合理分配兩種或以上的能源以達(dá)到最佳能量利用的策略，控制策略的目的是在保證機(jī)器正常工作前提下，提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能，在不同的工況下根據(jù)所需能量實(shí)時(shí)合理的分配各動力源，滿足機(jī)器的正常工作。 混合動力技術(shù)控制策略近年在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，取得了不錯效果，目前提出的混合動力車輛能量管理控制策略主要有基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略兩種。 其中基于規(guī)則的能量管理策略是根據(jù)發(fā)動機(jī)的萬有特性、發(fā)電機(jī)外有特性、電機(jī)外有特性和超級電容荷電狀態(tài)來對目標(biāo)進(jìn)行控制。 通過制定相應(yīng)的控制規(guī)則來實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和超級電容的最優(yōu)控制。 其控制方法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算簡單，目前在實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中應(yīng)用最多。 基于規(guī)則的能量管理策略分為確定性規(guī)則能量管理策略和模糊規(guī)則能量管理策略。 確定性規(guī)則能量管理策略主要包括恒溫器式能量管理策略和功率跟隨式能量管理策略。 模糊規(guī)則能量管理策略則包括傳統(tǒng)模糊控制策略、自適應(yīng)模糊控制策略、預(yù)測模糊控制策略[1]。由于模糊控制中的語言是非精確的，所以模糊控制其控制方法相對于確定性規(guī)則能量管理策略更為簡單、魯棒性更好、更易于實(shí)現(xiàn)[2]。 混合動力能量管理控制策略在傳統(tǒng)汽車上的運(yùn)用為工程機(jī)械節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)新的思路。 但是工程機(jī)械相對于傳統(tǒng)汽車，其各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及行駛作業(yè)工況更為復(fù)雜。 工程機(jī)械不僅存在行駛工況還有作業(yè)工況，混合動力能量管理控制策略在工程機(jī)械上實(shí)施的難度更加大，為此所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。 所以應(yīng)用于工程機(jī)械的混合動力技術(shù)相對于應(yīng)用在傳統(tǒng)車輛上的混合動力技術(shù)相對滯后，目前對混合動力工程機(jī)械能量管理控制策略的研究主要以裝載機(jī)、叉車、推土機(jī)為主，下面分別是混合動力工程機(jī)械能量管理控制策略在相應(yīng)工程機(jī)械的運(yùn)用和研究現(xiàn)狀。

1 混合動力能量管理策略運(yùn)用于裝載機(jī)上的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

裝載機(jī)是一種常見的工程機(jī)械設(shè)備，它主要用于鏟裝河沙、泥土、石灰等物料。 它的用量大、能耗高、能力利用率低，所以容易造成能源浪費(fèi)以及其排放的污染氣體對環(huán)境造成污染。 傳統(tǒng)的裝載機(jī)具有很多缺點(diǎn)但是它的作用又無可替代，所以研究出一種節(jié)能減排技術(shù)十分重要。 混合動力技術(shù)能很好的解決這個(gè)問題，早期該技術(shù)主要運(yùn)用在傳統(tǒng)汽車上并且取得了很好效果，人們也逐漸將其技術(shù)衍生到工程機(jī)械中，但是由于早期成本以及技術(shù)問題，混合動力裝載機(jī)的運(yùn)用面較窄。 直到近年來，混合動力技術(shù)在汽車上的廣泛運(yùn)用以及技術(shù)的不斷成熟，混合動力技術(shù)在裝載機(jī)上運(yùn)用逐漸增加。 相對于傳統(tǒng)汽車，裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多，需要完成行駛和作業(yè)兩大工況，傳統(tǒng)裝載機(jī)的動力來自于柴油發(fā)動機(jī)，裝載機(jī)主要將其動力用于三個(gè)方面，分別為通過液力變矩器內(nèi)分動箱驅(qū)動液壓系統(tǒng)來完成作業(yè)、 通過傳動系統(tǒng)來完成行駛以及帶動電源發(fā)電機(jī)發(fā)電為整機(jī)供電。 由于在高負(fù)荷工況下，液力變阻器的工作效率很低。 所以在高負(fù)荷工況下，裝載機(jī)作業(yè)時(shí)的效率較低、能量利用率低、所產(chǎn)生的污染排放較嚴(yán)重。 為了提高能量的利用率可以用以下四種方法：1)通過液壓傳動中的無級變速或電傳動來取代液力變矩器能夠解決裝載機(jī)在高負(fù)荷下時(shí)，裝載機(jī)作業(yè)效率低的問題。2)盡可能地將發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布在燃油高效區(qū)，通過運(yùn)用混合動力技術(shù)引入第二種效率較高的能源，輔助發(fā)動機(jī)在高效工作點(diǎn)進(jìn)行工作。3)匹配傳動系統(tǒng)的參數(shù)。4)采用能量回收技術(shù)。潘彬彬[3]提出一種新型串聯(lián)混合動力裝載機(jī)結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證其結(jié)果的正確性，他搭建適合進(jìn)行能量管理控制策略仿真的聯(lián)合仿真平臺。 該平臺主要是完成整車動力傳動系統(tǒng)和主要控制策略方案的搭建，然后在所搭建的系統(tǒng)和方案基礎(chǔ)上，完成了裝載機(jī)在不同策略時(shí)的鏟裝仿真，并且具有能量回收的功能。 在該平臺他仿真過多種能量管理控制策略對其進(jìn)行了控制性能對比，并且進(jìn)行了優(yōu)化算法，最終優(yōu)化了該裝載機(jī)的主要動力系統(tǒng)參數(shù)和控制策略參數(shù)，檢驗(yàn)了部分控制策略的適用性。 他所研究的串聯(lián)混合動力裝載機(jī)相比并聯(lián)混合動力裝載機(jī)具有較大的節(jié)能潛力、具有穩(wěn)定的發(fā)動機(jī)工況以及壽命較長的傳動系統(tǒng)。 相對于串聯(lián)混合動力裝載機(jī)，并聯(lián)式混合動力裝載機(jī)也具有優(yōu)點(diǎn)。 董巖[4]的研究對象為并聯(lián)混合動力裝載機(jī)，在對混合動力裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)主要部件的特性進(jìn)行分析后，對該混合動力裝載機(jī)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)建模。 同時(shí)為了提高其能量利用率，他在對各種實(shí)用的混合動力裝載機(jī)能量控制策略進(jìn)行分析后，提出基于混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配控制策略的模糊控制方法。 并在搭建實(shí)驗(yàn)平臺后，驗(yàn)證了該混合動力裝載機(jī)能量控制策略的合理性和有效性。

2 混合動力能量管理策略運(yùn)用于叉車上的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

叉車是一種常見的工程機(jī)械，主要用于貨物的移動，傳統(tǒng)的叉車主要是內(nèi)燃機(jī)—液壓系統(tǒng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動方案，這種方案大量的浪費(fèi)能源，所產(chǎn)生的排放物對環(huán)境也造成很大的破壞。 所以叉車這類工程機(jī)械也急需找到一種節(jié)能減排的技術(shù)。 混合動力技術(shù)是很好的解決方法，但是叉車和其他工程機(jī)械一樣，相對于混合動力汽車來說，其工作工況和結(jié)構(gòu)都更加的復(fù)雜，它需要完成行駛和作業(yè)兩個(gè)工況，所以混合動力叉車的被控對象更多，所需為其設(shè)計(jì)的混合動力能量管理策略更加復(fù)雜。 因此，設(shè)計(jì)一種有效合理的能量控制策略對混合動力叉車十分重要。徐回[5]的研究對象為混聯(lián)式混合動力叉車，他的研究目的是節(jié)能，為此他結(jié)合叉車的特點(diǎn)建立了混合動力叉車的仿真模型，并對叉車的混合式能量管理策略做了深入的研究。 同時(shí)他在狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上建立了分成模式控制策略，并在平臺上進(jìn)行了仿真模型的建立，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。 再根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對所建立的分成模式控制策略進(jìn)行優(yōu)化。張廣清[6]的研究對象也是混合動力叉車，他在查詢和研究了基于動力驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置和工作原理后，對叉車進(jìn)行了后向仿真建模并設(shè)計(jì)了基于模糊邏輯的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，通過遺傳算法對該模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)優(yōu)化。 優(yōu)化后為了驗(yàn)證該模型和控制策略的正確性，對叉車油耗循環(huán)工況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

3 混合動力能量管理策略運(yùn)用于推土機(jī)上的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

推土機(jī)也是一種常見的工程機(jī)械設(shè)備，主要用于挖掘和運(yùn)輸巖土。 推土機(jī)的結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)汽車也復(fù)雜很多，將混合動力技術(shù)運(yùn)用于推土機(jī)的難度也較大，但是混合動力技術(shù)在汽車上的成功為該技術(shù)在工程機(jī)械指明了道路，所以混合技術(shù)在推土機(jī)上的運(yùn)用也是衍生于汽車。 在混合動力車輛的研究中，通常根據(jù)發(fā)動機(jī)是否直接為車輛提供動力，將其分為串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，同樣對于推土機(jī)，根據(jù)不同動力的提供方式推土機(jī)有不同的混合動力系統(tǒng)。其中串聯(lián)混合動力傳動方式發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)以串聯(lián)的方式連接，發(fā)動機(jī)與車輪無直接機(jī)械連接，驅(qū)動電機(jī)與車輪之間為機(jī)械傳動。 由于無直接機(jī)械連接，發(fā)動機(jī)在工作過程中不受整車實(shí)際工況的影響，發(fā)動機(jī)可始終工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域，動力電池為整車提供輔助動力，減小發(fā)動機(jī)功率輸出的波動幅度。 采用電傳動方式取消機(jī)械傳動部件，整車空間充裕，零部件布置靈活，且控制方式簡單。 所以現(xiàn)在大多數(shù)混合動力推土機(jī)采用該種混合動力傳動方式。 魏璐璐[7]以串聯(lián)混合動力推土機(jī)為研究對象，以山推工程機(jī)械有限公司SD24E 型電傳動推土機(jī)為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，選用雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動形式混合動力推土機(jī)整機(jī)主要由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、超級電容、電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)、側(cè)傳動、履帶等組成。 其中發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間采用同軸機(jī)械傳動，驅(qū)動電機(jī)與側(cè)傳動，側(cè)傳動與履帶之間采用機(jī)械傳動。 發(fā)電機(jī)、超級電容、電機(jī)之間采用電傳動，整車控制器通過發(fā)動機(jī)ECU、 發(fā)電機(jī)控制器、超級電容控制器、電機(jī)控制器與其進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對多動力源的分配及控制。 具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 混合動力推土機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

由于混合動力推土機(jī)作業(yè)工況比較復(fù)雜，混合動力推土機(jī)工作模式與混合動力汽車有較大的區(qū)別，混合動力推土機(jī)有不同的工作模式，比如SD24E 型混合動力推土機(jī)主要工作模式有：發(fā)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動模式、行車充電模式、發(fā)動機(jī)+超級電容電機(jī)驅(qū)動模式、再生制動模式、停車充電模式等。 在不同的模式下，通過控制發(fā)動機(jī)和電機(jī)所提供的能量分配來完成不同的工作作業(yè)，極大地提高了能量的利用。 樓狄明等人[8]在分析了推土機(jī)的結(jié)構(gòu)和工況后，提出了串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)這些設(shè)計(jì)方案在仿真平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)以及研究分析推土機(jī)在不同工作模式下這些設(shè)計(jì)方案的合理性。 應(yīng)用模糊邏輯技術(shù)，構(gòu)建模糊推理器，對控制策略進(jìn)行了模糊優(yōu)化，使系統(tǒng)的工況穩(wěn)定性和效率得到了提高。

4 混合動力能量管理策略在工程機(jī)械上運(yùn)用的前景

工程機(jī)械是我國裝備工業(yè)的重要組成部分，它運(yùn)用于交通運(yùn)輸建設(shè)、國防建設(shè)、農(nóng)業(yè)建設(shè)、工業(yè)建設(shè)、建筑等各個(gè)方面，是我國機(jī)械行業(yè)必不可少的一部分，也是不能缺少的一部分。 但是工程機(jī)械存在著效率低、能量利用率低以及排放物對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。 并且國家對于環(huán)境保護(hù)和能量利用的日漸重視，所以混合動力技術(shù)在工程機(jī)械上的運(yùn)用是大勢所趨。 而混合動力能量管理策略作為混合動力技術(shù)的關(guān)鍵，對于怎么分配兩種或者多種能源才能做到能量利用最大化，以及如何使混合動力工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)簡化都是需要面對的問題。 盡管國內(nèi)外對其都有較深入的研究，但是想將這些技術(shù)真正運(yùn)用在實(shí)際中還需要更多的研究和創(chuàng)新。 所以該策略在工程機(jī)械上運(yùn)用的前景光明，還需要更多更深入的研究來提高工程機(jī)械的效率，減少排放物對環(huán)境的污染，為環(huán)保做貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，筆者認(rèn)為隨著混合技術(shù)的不斷成熟以及成本得到控制，并且借鑒了混合動力技術(shù)在汽車上的運(yùn)用，該技術(shù)已經(jīng)逐漸將其運(yùn)用在工程機(jī)械上。在國內(nèi)外大量的研究下，盡管工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)比汽車復(fù)雜很多，但是也找到了很多適用于工程機(jī)械的技術(shù)，并且做了相應(yīng)的建模仿真。 如串聯(lián)混合動力能量管理策略在工程機(jī)械的應(yīng)用、并聯(lián)混合動力能量管理策略在工程機(jī)械的運(yùn)用以及混聯(lián)混合動力能量管理策略在工程機(jī)械的運(yùn)用等。但是在查閱大量的文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，這些混合動力方法大多停留在建模仿真以及實(shí)驗(yàn)階段，很少能夠?qū)ζ溥M(jìn)行樣機(jī)制造，希望在技術(shù)更加成熟以及成本能夠得到控制以后，能夠更多的生產(chǎn)樣機(jī)并且在得到較好的效果以后，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)。