CN102383455A

CN102383455A - 混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法

Info

Publication number: CN102383455A
Application number: CN2011102348311A
Authority: CN
Inventors: 王庆丰; 姚洪
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: CN102383455B

Abstract

本发明公开了一种混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，包括以下步骤：1)、设定增力时间等；2)、通过检测增力开关状态和瞬时增力间隔时间定时器，判断挖掘机是否允许启动瞬时增力功能；3)、记录超级电容当前电压；4)、检测发动机实际负荷率；5)、比较发动机实际负荷率和目标负荷率；6)、检测瞬时增力时间定时器，判断增力时间是否到达；7)、计算电机发电扭矩；8)、电机向电容充电；9)、检测瞬时增力间隔时间定时器的值，判断是否到达增力最小间隔时间；10)、电机发电扭矩设为0Nm。本发明的方法能充分利用发动机的极限功率，同时防止发动机熄火并维持超级电容电压平衡。

Description

混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力液压挖掘机的瞬时增力控制方法。

背景技术

随着全球环境、能源问题日益突出，节能减排技术是目前研究的热点，而挖掘机的发动机功率利用率只有约20％，并且载荷频繁波动使发动机排放变差，油电混合动力技术是当前研究的热点，通过电动机对载荷削峰填谷，使发动机工作点稳定在高效区。

传统液压挖掘机在经济模式和重载模式下，工作过程中经常需要持续输出最大功率一段时间(通常几秒钟)以满足强烈挖掘要求，常用的瞬时增力控制方法是：瞬时增力开关被按下后，系统安全阀的设定压力提高到最高设定压力，发动机转速提高到最大允许值，同时变量泵的比例阀电流值设定到最大。混合动力挖掘机同样也需要瞬时增力功能，但是并联式混合动力挖掘机发动机功率通常小于液压系统所需最大功率，所以瞬时增力工况下，电动发电机工作在电动模式，和发动机一起驱动液压泵做功来补充发动机功率的不足，但是如何充分发挥发动机的极限功率以满足强烈挖掘工况的要求，同时还要防止发动机熄火；并且当电容向电机供电对外做功后如何维持电容电压平衡，整个这个过程需要一套完善的瞬时增力控制方法来保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，在混合动力挖掘机瞬时增力工况下，当系统所需功率大于发动机额定功率时，该方法能充分利用发动机的极限功率，同时防止发动机熄火并维持超级电容电压平衡。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，包括以下步骤：

1)、设定增力时间、增力最小间隔时间、发动机目标负荷率、变量泵的比例阀电流值、发动机增力转速和安全阀压力；

2)、通过检测增力开关状态和瞬时增力间隔时间定时器，判断挖掘机是否允许启动瞬时增力功能：

当增力开关被按下且瞬时增力间隔时间定时器的值大于所设定的增力最小间隔时间，允许启动瞬时增力功能，进入步骤3)；

反之，则禁止启动瞬时增力功能，并退出瞬时增力控制程序；

3)、瞬时增力时间定时器开始计时，发动机转速调节为设定的瞬时增力工况下的转速，比例阀电流值调节为设定的瞬时增力工况下变量泵的比例阀电流，系统安全阀设定压力调节为设定的瞬时增力工况下的安全阀压力；并记录超级电容当前电压；

4)、检测发动机实际负荷率；

5)、比较发动机实际负荷率和目标负荷率，当发动机实际负荷率大于发动机目标负荷率，则电动发电机工作在电动状态，电机目标扭矩为(发动机实际负荷率-发动机目标负荷率)×发动机最大扭矩；否则电机目标扭矩为0Nm；

6)、检测瞬时增力时间定时器，判断增力时间是否到达；当增力时间结束，则瞬时增力间隔时间定时器开始计时，发动机转速、比例阀电流值、系统安全阀压力都恢复为瞬时增力工况前的设定值，并记下超级电容当前电压；否则转至4)；

7)、计算电机发电扭矩；

8)、电机按步骤7)所得的发电扭矩向电容充电；

9)、检测瞬时增力间隔时间定时器的值，判断是否到达增力最小间隔时间，当增力间隔时间定时器的值没有到达最小间隔时间，则转至8)，否则转至10)；

10)、电机发电扭矩设为0Nm。

作为本发明的混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法的改进：步骤7)的计算电机发电扭矩具体为：每次瞬时增力功能结束后，在增力间隔时间内电机工作在发电模式向超级电容充电，发电扭矩为

C为超级电容电容值，U₁为瞬时增力功能启动时超级电容的电压，U₂为瞬时增力功能结束时超级电容的电压，n₀为发动机的工作转速，η为电机系统的效率，t为瞬时增力间隔时间。

作为本发明的混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法的进一步改进：混合动力挖掘机是吨位为13～40吨的中型混合动力挖掘机，持续增力时间为8～10s，增力间隔时间4～6s，发动机目标负荷率95％，发动机转速、比例阀电流值和系统安全阀都设定为最大值(即铭牌上标注的发动机转速、比例阀电流值和系统安全阀的上限值)。

对混合动力挖掘机作如下常规性说明：混合动力挖掘机有正常挖掘、瞬时增力工况等等功能，挖掘机正常挖掘工况下发动机转速、变量泵的比例阀电流、系统安全阀压力等有一组设定值；在瞬时增力工况下，为了增加挖掘机的挖掘力，所以要增加以上各项参数设定值(即设定增力时间、增力最小间隔时间、发动机目标负荷率、变量泵的比例阀电流值、发动机增力转速和安全阀压力)，因此在瞬时增力工况下有另一组对应的设定值，并且增力工况下的设定值都比正常挖掘工况下的设定值大。

本发明的混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，能使混合动力挖掘机在瞬时增力工况下充分利用发动机功率，同时防止发动机熄火，并维持超级电容电压平衡。

本发明具有如下优点：

1、在瞬时增力工况下，当系统所需功率大于发动机额定功率时，能充分利用发动机极限功率，剩余所需功率由电机补充，一方面能满足挖掘机强烈挖掘时的功率需求，另一方面使发动机始终工作在高效区；

2、通过实时检测发动机的负荷，并通过电机来补偿发动机不足的功率，能有效防止发动机过载熄火；

3、在瞬时增力间隔时间内电机工作在发电模式，对超级电容充电以维持电容电压平衡。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法流程图；

图2是发动机万有特性曲线图；

图3是变量泵在最大功率下扭矩与出口压力之间的关系图。

图4是表示瞬时增力工况下发动机转速、扭矩、电机扭矩、电容电压等参量的变化情况示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1、图1和图2结合给出了一种混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，该混合动力挖掘机中：发动机额定转速：2000rpm，额定功率：115kw；电动发电机额定转速：2000rpm，额定功率：60kw；比例阀是用来调节恒功率变量泵的功率，比例阀的不同调节电流值对应了变量泵的不同功率，比例阀电流取值范围0～635mA，对应变量泵的功率范围60kw～125kw；系统安全阀设定压力分为两档，正常工作时，31.4MPa，瞬时增力时，压力为34.3MPa。

依次进行以下步骤：

1)、设定增力时间10s、增力间隔时间6s、发动机目标负荷率95％、变量泵的比例阀电流设为635mA、发动机增力转速设为最大转速2000rpm、安全阀压力设为最高压力34.3Mpa；

2)、通过检测增力开关状态和增力间隔时间，判断挖掘机是否允许启动瞬时增力功能：

当增力开关被按下且瞬时增力间隔时间定时器的值大于所设定的增力最小间隔时间时，允许启动瞬时增力功能，进入步骤3)；反之，则禁止启动瞬时增力功能，并退出瞬时增力控制程序。

说明：瞬时增力功能的启动是由挖掘机司机操作，当司机按下瞬时增力按钮该功能就开始启动(除了需要司机按下按钮之外，还有增力间隔时间的要求)，并且该功能持续的时间是有限制的，不能无限长，所以在该功能启动时，就有个“瞬时增力定时器”开始计时，当定时时间到了，该功能就自动解除，并且下次重新启动该功能距离上次结束之间的时间间隔必须大于一定的值，所以当该功能本次使用结束的时刻，有个“瞬时增力间隔时间定时器”开始计时，当司机重新再按瞬时增力按钮时，检测“瞬时增力间隔时间定时器”的计时值，当计时大于增力最小间隔时间时允许再次启动该功能，否则不允许启动。

一次增力功能结束后要对电容充电，充电扭矩按照下述步骤7)中的公式计算，充电时间为增力最小间隔时间。

3)、瞬时增力时间定时器开始计时，发动机转速、比例阀电流值、系统安全阀设定压力都调为相应的增力工况设定值，即，发动机转速调节为2000rpm，变量泵的比例阀电流值调节为635mA，安全阀压力调节为34.3Mpa；并记录超级电容当前电压(定义为U₂)。

说明：瞬时增力时间定时器开始计时，是指从执行本步骤的时刻开始，也就是说只要步骤2)的判断结束，如果进入步骤3)执行就开始计时。

4)、检测发动机实际负荷率；

说明：检测发动机实际负荷率由发动机控制器直接完成，用户只需要读取控制器里这项参数即可，任何一家公司的电喷发动机控制器都有这个功能，此为常规技术。

5)、比较发动机实际负荷率和目标负荷率，当发动机实际负荷率大于发动机目标负荷率，则电机(电动发电机)工作在电动状态，电机目标扭矩为(发动机实际负荷率-发动机目标负荷率)×发动机最大扭矩；否则电机目标扭矩为0Nm。这样的目的是：保证发动始终在负荷率95％左右的区域工作，充分利用发动机的极限功率。

6)、检测瞬时增力时间定时器，判断增力时间是否到达：

当增力时间结束(即增力时间到达时)，则瞬时增力间隔时间定时器开始计时，则发动机转速、比例阀电流值、系统安全阀压力都恢复为瞬时增力工况前的设定值，并记下超级电容当前电压(定义为U₂)；

否则转至4)；即增力时间尚未结束，转至4)。

说明：上述恢复过程是自动的，完全是计算机程序控制的，只要符合“增力时间到达”这个条件，计算机程序就恢复这些参数为瞬时增力工况前的设定值。

7)、计算电机发电扭矩，

C为超级电容的电容值，U₁为瞬时增力功能启动时超级电容的电压，U₂为瞬时增力功能结束时超级电容的电压，n₀为发动机的工作转速，η为电机系统的效率，t为瞬时增力间隔时间。

说明：C为电容的容量参数，对于选定的电容，这项参数是不变的，可从铭牌上直接获得；n₀发动机工作转速，发动机整个工作过程中都有传感器检测这项参数，并且发动机控制器会控制发动机一直维持在设定的工作转速上运行，所以具体发动机工作转速，只要向发动机控制器读取就好了，此为常规技术；η为电机系统效率，这个值由电机厂家提供；t就是增力间隔时间。

8)、在增力时间间隔内，电机按计算发电扭矩向电容充电；

充电完毕退出瞬时增力功能。

说明：充电完毕是指从瞬时增力功能结束时刻起电机按公式计算的扭矩向电容充电，此时瞬时增力间隔定时器开始计时，计时时间到达最小间隔时间后停止向电容充电，这时候该定时器还要一直计时。电机停止向电容充电后马上自动退出瞬时增力功能，不需要任何开关动作。

即，具体如下：

10)、电机发电扭矩设为0Nm。

应用实例1：

一种混合动力液压挖掘机的瞬时控制方法，瞬时增力工况前，发动机转速为1800rpm，在实施例1中液压泵比例阀电流值为635mA，此时泵处于恒功率工况下，所需驱动扭矩和其出口压力之间的关系如图3所示。

由图3可见，在泵出口压力大于16MPa时，所对应的驱动扭矩588Nm，再加上发动机对附件驱动扭矩，则系统所需扭矩超过了图2所示的发动机在最大转速时的最大扭矩565Nm。

图2为应用实例1中的发动机的万有特性曲线图，横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机的负载扭矩，图中每一点表示了发动机的一个工况点。图中11条线中有10条上表明了数字，1条没有标数字，没标数字的曲线称为发动机外特性曲线，该条曲线表明了发动机的工作能力和工况点的纵向范围，即发动机的载荷如果超过了外特性曲线则发动机要熄火；另外标了数字的10条曲线是发动机的等油耗线，每条线上的数字是发动机的燃油消耗率，单位为g/kW.h，反映了发动机的效率，数字越大，效率越低。发动机有无数个工况点，每个工况点都有效率，把效率相同的工况点连起来就构成了等油耗线，即该线上的各点效率相同。图中A点为发动机转速为2000rpm时，负荷率为95％的位置，该点接近发动机极限功率，并且该点的效率较高。图4为瞬时增力工况下，发动机转速、发动机扭矩、电机扭矩、超级电容电压变化过程。

通过本发明所述控制方法，在瞬时增力工况下，控制发动机的输出扭矩始终在560Nm左右，也就是图2的A点附近，一方面使发动机工作最大功率处，充分利用发动机功率，另一方面发动机的效率较高。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，其特征是包括以下步骤：

4)、检测发动机实际负荷率；

7)、计算电机发电扭矩；

8)、电机按步骤7)所得的发电扭矩向电容充电；

10)、电机发电扭矩设为0Nm。

2.根据权利要求1所述的混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，其特征是：每次瞬时增力功能结束后，在增力间隔时间内电机工作在发电模式向超级电容充电，发电扭矩为

3.根据权利要求1所述的一种混合动力挖掘机的瞬时增力控制方法，其特征在于：所述混合动力挖掘机是吨位为13～40吨的中型混合动力挖掘机，持续增力时间为8～10s，增力间隔时间4～6s，发动机目标负荷率95％，发动机转速、比例阀电流值和系统安全阀都设定为最大值。