CN102490720A - 混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统，该系统根据混合动力工程机械的运行状态及驾驶员的操作信息，确定发动机的功率需求信息，并根据发动机的效率矩阵，计算得到最佳发动机转速，通过控制发动机的喷油量，使发动机转速维持在所述最佳发动机转速；同时，确定出所述发动机在所述最佳发动机转速下对应的目标发电功率，控制所述发电机的负荷，使所述发电机功率保持在所述目标发电功率，最终使所述混合动力工程机械运行在最佳状态。

Description

混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统

技术领域

本申请涉及混合动力工程机械技术领域，特别是涉及混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统。

背景技术

混合动力一般是指燃料和电能的混合，目前的混合动力一般应用于商务车上，其中，串联式混合动力汽车由三大总成组成：发动机、发电机、电动机，串联式混合动力的本质特点是两种动力装置直列式排列，前级的动力输出是后继的功率输入，由电能作为直接驱动动力，并且只有电力一种最终动力。

混合动力汽车主要运行在平坦的道路上，需要动力系统输出的扭矩较小，而工程机械主要运行在工况复杂的场所，其需要动力系统输出较大的扭矩，因此混合动力汽车上的动力总成及控制方法并不适用于混合动力工程机械。而且，串联混合动力汽车没有从混合动力系统整体考虑，仅是控制维持蓄电池电量平衡或者仅控制发动机在高效区域工作。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统，以实现根据工程机械的运行特点，从工程机械的发动机整体考虑，使混合动力工程机械运行在最佳运行状态，技术方案如下：

一种混合动力工程机械控制方法，包括：

确定混合动力工程机械的用电功率需求信息和发电机不同转速和不同输出功率对应的效率值的发电机效率矩阵，并根据所述用电功率需求及所述发电机效率矩阵确定发动机的发电功率需求信息；

根据所述混合动力工程机械的机械附件的机械附件功率需求，确定发动机的机械功率需求信息；

利用所述发动机的发电功率需求信息和所述发动机的机械功率需求信息，确定发动机的总输出功率需求信息；

获取不同发动机转速和不同输出功率对应的发动机效率值，得到发动机效率矩阵；

根据所述发动机的总输出功率需求信息、所述发动机效率矩阵及优化目标，得到最佳发动机转速；

控制所述发动机的喷油量，使所述发动机的转速维持在所述最佳发动机转速；

根据所述最佳发动机转速和所述发动机发电功率需求，计算得到所述发电机在所述最佳发动机转速下的目标发电功率；

控制所述发电机的负荷，以使所述发电机的发电功率保持在所述目标发电功率。

优选的，确定所述混合动力工程机械的用电功率需求包括：

获取驾驶员的操作信息，确定行走电机的功率需求；

根据所述混合动力工程机械内的耗电附件的工作状态，确定所述耗电附件的用电量需求；

依据储电单元的荷电状态和目标荷电状态之间的差值，确定储电单元的充电量需求。

优选的，所述确定发动机的发电功率需求信息包括：

获得所述发电机在不同转速及不同输出电功率对应的发电效率矩阵；

根据所述用电功率需求和所述发电效率矩阵，计算得到发动机需要提供给发电机的发动机发电功率需求信息。

优选的，所述确定发动机的机械功率需求信息包括：

根据驾驶员的操作信息和混合动力工程机械的状态信息，计算得到机械附件功率需求信息；

获取所述机械附件在不同发动机转速和不同的输出功率条件下对应的附件机械效率矩阵；

依据所述机械附件功率需求信息和所述附件机械效率矩阵，计算得到发动机的机械功率需求信息。

优选的，所述根据所述发动机效率矩阵及优化目标，得到最佳发动机转速的过程，具体为：

根据所述发动机效率矩阵确定在发动机效率最高时对应的转速为最佳发动机转速。

优选的，所述控制所述发动机的喷油量包括：

当所述发动机转速低于所述最佳发动机转速时，则增加所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速达到所述最佳发动机转速；

当所述发动机转速高于所述最佳发动机转速时，则减小所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速降至所述最佳发动机转速。

优选的，所述控制所述发电机的负荷包括：通过比例-积分-微分闭环控制算法，控制发电机的负载电流与目标电流保持一致，所述目标电流为所述目标功率对应的电流。

本发明还提供一种混合动力工程机械动力总成系统，包括：发动机、发电机、分动箱、行走电机、储电单元、电源保护模块、减速单元、发动机控制器、电机控制器、发电机控制器、电源管理控制器和动力总成控制器，其中，

所述分动箱的输入端连接所述发动机，第一输出端连接所述发电机，所述分动箱的第二输出端连接机械附件，用于将所述发动机的输出功率分别提供给所述发电机和所述机械附件；

所述发电机控制器用于控制所述发电机的工作状态；

所述发动机控制器用于控制所述发动机的工作状态；

所述发电机的输出电功率通过所述电源保护模块为所述储电单元充电；

所述储电单元通过所述电源保护模块为所述用电附件供电；

所述电源管理控制器用于控制所述储电单元的工作状态；

所述电机控制器通过所述电源保护模块接收所述储电单元的电能，并利用所述电能控制所述行走电机的工作状态；

所述行走电机通过所述减速单元驱动工程机械的驱动轮；

所述动力总成控制器用于控制所述发动机控制器、发电机控制器、电源管理控制器及所述电机控制器的工作状态。

优选的，所述储电单元为超级电容器。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所述混合动力工程机械动力总成控制方法及混合动力总成系统，根据混合动力工程机械的运行状态及驾驶员的操作信息，确定发动机的功率需求信息，并根据发动机的效率矩阵，计算得到最佳发动机转速，通过控制发动机的喷油量，使发动机转速维持在所述最佳发动机转速；同时，确定出所述发动机在所述最佳发动机转速下对应的目标发电功率，控制所述发电机的负荷，使所述发电机功率保持在所述目标发电功率，最终使所述混合动力工程机械运行在最佳状态。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种混合动力工程机械的动力总成系统结构示意图；

图2为本申请实施例一种混合动力工程机械控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参见图1，示出了本申请实施例一种混合动力工程机械的动力总成系统结构示意图，该系统包括：发动机1、分动箱2、发电机3、发动机控制器4、发电机控制器5、电源保护模块6、电源管理控制器7、储电单元8、电机控制器9、行走电机10、减速单元11，动力总成控制器12。

所述分动箱2的输入端与发动机1相连，第一输出端连接发电机3，第二输出端连接机械附件13。分动箱2用于将所述发动机1的输出功率中的一部分提供给所述发电机3，以使发电机3正常工作，分动箱2将发动机1输出功率的另一部分提供给机械附件13，以保证机械附件正常工作。

发动机控制器4用于控制所述发动机的运行状态，所述发电机控制器5用于控制所述发电机3的工作状态。

所述电源保护模块6与所述储电单元8、发电机3、电机控制器9、用电附件14相连，用于控制各部件与直流母线的接通或断开的状态、实现对电源的过载保护等。

电源管理控制器7用于控制所述储电单元8的工作状态。

储电单元8通过电源保护模块6为所述用电附件14供电，保证用电附件14的正常工作，具体的，所述储电单元8通过超级电容器实现。

储电单元8通过电源保护模块6、电机控制器9驱动行走电机10，电机控制器9用于控制行走电机10的运行状态，具体的，比如控制行走电机的转速、转向等行走电机10的运行参数。

行走电机10通过减速单元11驱动工程机械的驱动轮，使驱动轮能够获得较大的扭矩。且从发动机1到驱动轮之间仅通过减速单元传递能量，减少了能量传递环节，提高了动力总成系统的效率，从而提高了动力总成系统的寿命。

具体的，所述行走电机10的数量为两个，分别用于驱动混合动力工程机械左右两侧的驱动轮；所述电机控制器9的数量可以是一个也可以是两个，当电机控制器9的数量是两个时，两个电机控制器分别用于控制左右两侧的行走电机10；当电机控制器9的数量为一个时，该电机控制器能够实现对左右两侧的行走电机进行单独控制。比如，可以控制两个行走电机10朝同一方向旋转，也可以使其朝相反方向旋转，可以控制两个行走电机10的转速不同，比如混合动力工程机械在转弯的情况下，也可以控制两个行走电机10的转速相同，比如在混合动力工程机械在直线行驶的情况下。

所述发电机3通过电源保护模块6为储电单元8充电。储电单元8的充放电过程由电源管理控制器7控制。

动力总成控制器12与发动机控制器4、发电机控制器5、电源管理控制器7、电机控制器9电连接，用于控制这四个控制器的工作状态。

本实施例提供的混合动力工程机械动力总成系统，其增设分动箱，将发动机的输出功率分成两部分，分别提供给发电机和机械附件，从而实现发动机动力分流。该系统的行走电机通过减速单元驱动工程机械的驱动轮，增大了行走电机提供给驱动轮的扭矩，而且该动力总成从发动机到驱动轮之间的能量传递环节只有减速单元，从而提高了动力总成系统的能量传递效率，进而提高了动力总成系统的使用寿命。此外，本实施例的电机控制器能够实现对两个行走电机的单独控制，从而在无需机械差速器的情况下实现差速转向，减少了传动部件。

相应于上述的混合动力工程机械动力总成系统，本申请还提供一种混合动力工程机械控制方法。

请参见图2，示出了本申请实施例一种混合动力工程机械控制方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S101，确定混合动力工程机械的用电功率需求信息和发电机不同转速和不同输出功率对应的效率值的发电机效率矩阵，并根据所述用电功率需求及所述发电机效率矩阵确定发动机的发电功率需求信息。

具体实施时，根据驾驶员的操作信息，确定行走电机的功率需求；根据混合动力工程机械内的耗电附件的工作状态确定耗电附件的用电量需求；根据储电单元的荷电状态和目标荷电状态之间的差值，确定储电单元的充电量需求；所述行走电机功率需求、耗电附件的用电量需求和储电单元的充电量需求此三者之和为混合动力工程机械的用电功率需求信息。

发电机的效率不仅与转速和输出电功率有关，还与温度有关，从而得到发电机效率矩阵组，该矩阵组是一个三维矩阵，矩阵内的数据表示不同转速、不同输出电功率及不同温度对应的发电机的效率值。

某温度对应的发电机的效率称为发电机效率矩阵，该矩阵为二维矩阵，其中一维是发电机的转速，另一维为发电机的输出功率，矩阵中的数据表示当前温度下，不同发动机转速和不同发电功率下的发电机的发电效率。

需要说明的是，本申请提供的混合动力工程机械的发电机与发动机直接机械连接，因此发动机转速等于发电机转速，为描述方便，以下统称为转速。

将所述用电功率需求信息和发电效率相乘得到发动机发电功率需求，即由发动机提供给发电机的功率。

S102，根据所述混合动力工程机械的机械附件的机械附件功率需求，确定发动机的机械功率需求信息。

具体的，在混合动力工程机械上的部分附件是直接由发动机驱动的，该部分附件称为机械附件，例如，工作装置泵、风扇泵、润滑油泵等附件。这些附件的功率需求通过驾驶员的操作信息以及工程机械和发动机的状态信息计算得到。

通过试验预先测得不同机械附件在不同转速和不同功率的情况下对应的机械效率，然后换算成机械附件的效率矩阵，该矩阵也是二维矩阵，其中一维为转速，另一维为发动机输出功率，矩阵中的数据表示不同转速和不同发动机输出功率下的附件机械效率。由于机械附件，如液压泵，与发动机是通过齿轮组连接的，所以附件转速与发动机转速间存在一个固定的转速比。因此，为了计算方便，获取机械附件的效率矩阵时，统一以发动机转速为基础，然后再利用获得的发动机机械效率换算成机械附件的效率矩阵。

将所述机械附件功率需求除以所述机械效率矩阵中对应的机械效率值，得到发动机的机械功率需求信息。

S103，利用所述发动机的发电功率需求信息和所述发动机的机械功率需求信息，确定发动机的总输出功率需求信息。

具体的，所述发动机发电功率需求与所述发动机机械功率需求之和，即发动机的总输出功率需求信息。

S104，获取不同转速和输出功率对应的发动机效率值，得到发动机效率矩阵。

具体的，通过试验获取发动机的性能数据，进而得到发动机效率矩阵。

所述发动机效率可以是发动机的热效率，单位是％，也可以用燃油消耗率表示，单位是g/kWh，也可以是单位燃油所输出的功，单位是kWh/g，本申请对此并不限制。

S105，根据所述发动机的总输出功率需求信息、所述发动机效率矩阵及优化目标，得到最佳发动机转速。

具体的，根据所述发动机的总输出功率需求信息从所述发动机效率矩阵中查询得到相应的发动机效率值与转速对应关系，再从该对应关系中查询出效率最高时对应的转速，即最佳发动机转速。

下面以一个具体的实例进行说明，表1为发动机效率矩阵表，若所述发动机的总输出功率需求信息为60kW，则得到表2，表2为发动机输出功率为60kW时的转速与效率对应关系表。

表1

表2

由表2可知，发动机效率值最高为39，从而确定出最佳发动机转速为1400r/min。

所述最佳发动机转速还可以是工程机械的耗油量最小时对应的转速值。实际上，当发动机效率最高时，其耗油量最低，也就是说，不论是从发动机效率考虑还是从耗油量考虑，最终得到的最佳发动机转速应该相同。

S106，控制所述发动机的喷油量，使所述发动机的转速维持在所述最佳发动机转速。

具体的，当所述发动机转速低于所述最佳发动机转速时，则增加所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速达到所述最佳发动机转速；

当所述发动机转速高于所述最佳发动机转速时，则减小所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速降至所述最佳发动机转速。

上述的控制过程可以通过PID(Proportion-Integration-Differentiation，比例-积分-微分)闭环控制算法实现，当然也可以采用其他的控制算法实现，本申请对此并不限制。

S107，根据所述最佳发动机转速和所述发动机发电功率需求，计算得到所述发电机在所述最佳发动机转速下的目标发电功率。

具体的，确定出所述最佳发动机转速后，根据所述发电机的发电效率计算得到发电机的目标发电功率。

S108，控制所述发电机的负荷，以使所述发电机的发电功率保持在所述目标发电功率。

具体实施时，可以将所述目标发电功率转换成发电机的目标电流，进而，可以通过PID闭环控制算法，使发电机的实际电流与目标电流的一致。当然，上述的对发电机电流的控制过程也可以采用其他的控制算法实现，本申请对此并不限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种混合动力工程机械控制方法，其特征在于，包括：

确定混合动力工程机械的用电功率需求信息和发电机不同转速和不同输出功率对应的效率值的发电机效率矩阵，并根据所述用电功率需求及所述发电机效率矩阵确定发动机的发电功率需求信息；

根据所述混合动力工程机械的机械附件的机械附件功率需求，确定发动机的机械功率需求信息；

利用所述发动机的发电功率需求信息和所述发动机的机械功率需求信息，确定发动机的总输出功率需求信息；

获取不同发动机转速和不同输出功率对应的发动机效率值，得到发动机效率矩阵；

根据所述发动机的总输出功率需求信息、所述发动机效率矩阵及优化目标，得到最佳发动机转速；

控制所述发动机的喷油量，使所述发动机的转速维持在所述最佳发动机转速；

根据所述最佳发动机转速和所述发动机发电功率需求，计算得到所述发电机在所述最佳发动机转速下的目标发电功率；

控制所述发电机的负荷，以使所述发电机的发电功率保持在所述目标发电功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述混合动力工程机械的用电功率需求包括：

获取驾驶员的操作信息，确定行走电机的功率需求；

根据所述混合动力工程机械内的耗电附件的工作状态，确定所述耗电附件的用电量需求；

依据储电单元的荷电状态和目标荷电状态之间的差值，确定储电单元的充电量需求。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定发动机的发电功率需求信息包括：

获得所述发电机在不同转速及不同输出电功率对应的发电效率矩阵；

根据所述用电功率需求和所述发电效率矩阵，计算得到发动机需要提供给发电机的发动机发电功率需求信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定发动机的机械功率需求信息包括：

根据驾驶员的操作信息和混合动力工程机械的状态信息，计算得到机械附件功率需求信息；

获取所述机械附件在不同发动机转速和不同的输出功率条件下对应的附件机械效率矩阵；

依据所述机械附件功率需求信息和所述附件机械效率矩阵，计算得到发动机的机械功率需求信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述发动机效率矩阵及优化目标，得到最佳发动机转速的过程具体为：

根据所述发动机效率矩阵确定在发动机效率最高时对应的转速为最佳发动机转速。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述发动机的喷油量包括：

当所述发动机转速低于所述最佳发动机转速时，则增加所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速达到所述最佳发动机转速；

当所述发动机转速高于所述最佳发动机转速时，则减小所述发动机的喷油量，直到所述发动机转速降至所述最佳发动机转速。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述发电机的负荷包括：通过比例-积分-微分闭环控制算法，控制发电机的负载电流与目标电流保持一致，所述目标电流为所述目标功率对应的电流。

8.一种混合动力工程机械动力总成系统，其特征在于，包括：发动机、发电机、分动箱、行走电机、储电单元、电源保护模块、减速单元、发动机控制器、电机控制器、发电机控制器、电源管理控制器和动力总成控制器，其中，

所述分动箱的输入端连接所述发动机，第一输出端连接所述发电机，所述分动箱的第二输出端连接机械附件，用于将所述发动机的输出功率分别提供给所述发电机和所述机械附件；

所述发电机控制器用于控制所述发电机的工作状态；

所述发动机控制器用于控制所述发动机的工作状态；

所述发电机的输出电功率通过所述电源保护模块为所述储电单元充电；

所述储电单元通过所述电源保护模块为所述用电附件供电；

所述电源管理控制器用于控制所述储电单元的工作状态；

所述电机控制器通过所述电源保护模块接收所述储电单元的电能，并利用所述电能控制所述行走电机的工作状态；

所述行走电机通过所述减速单元驱动工程机械的驱动轮；

所述动力总成控制器用于控制所述发动机控制器、发电机控制器、电源管理控制器及所述电机控制器的工作状态。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述储电单元为超级电容器。

Images