工程機械混合動力能量管理策略研究現狀和發展趨勢*

時 虹 ，馮美龍 ，張鵬飛 ，楊嘉駿

（1.九江職業技術學院，江西 九江 332007；2.長安大學工程機械學院機械設計系道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

混合動力技術是將多種動力源進行控制，使其達到最優的能源分配，在不同的狀態下合理分配動能源，來改善發動機的燃油經濟性及排放性能，在混合動力系統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的關鍵所在，控制策略就是一種如何合理分配兩種或以上的能源以達到最佳能量利用的策略，控制策略的目的是在保證機器正常工作前提下，提高整機的經濟性及排放性能，在不同的工況下根據所需能量實時合理的分配各動力源，滿足機器的正常工作。 混合動力技術控制策略近年在傳統汽車領域已得到了廣泛的應用，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則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略兩種。 其中基于規則的能量管理策略是根據發動機的萬有特性、發電機外有特性、電機外有特性和超級電容荷電狀態來對目標進行控制。 通過制定相應的控制規則來實現對發動機、發電機和超級電容的最優控制。 其控制方法簡單、容易實現，且計算簡單，目前在實際應用開發中應用最多。 基于規則的能量管理策略分為確定性規則能量管理策略和模糊規則能量管理策略。 確定性規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。 模糊規則能量管理策略則包括傳統模糊控制策略、自適應模糊控制策略、預測模糊控制策略[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則能量管理策略更為簡單、魯棒性更好、更易于實現[2]。 混合動力能量管理控制策略在傳統汽車上的運用為工程機械節能減排技術的發展提供了一個新的思路。 但是工程機械相對于傳統汽車，其各系統結構及行駛作業工況更為復雜。 工程機械不僅存在行駛工況還有作業工況，混合動力能量管理控制策略在工程機械上實施的難度更加大，為此所設計的結構也更加復雜。 所以應用于工程機械的混合動力技術相對于應用在傳統車輛上的混合動力技術相對滯后，目前對混合動力工程機械能量管理控制策略的研究主要以裝載機、叉車、推土機為主，下面分別是混合動力工程機械能量管理控制策略在相應工程機械的運用和研究現狀。

1 混合動力能量管理策略運用于裝載機上的研究現狀和發展趨勢

裝載機是一種常見的工程機械設備，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以及其排放的污染氣體對環境造成污染。 傳統的裝載機具有很多缺點但是它的作用又無可替代，所以研究出一種節能減排技術十分重要。 混合動力技術能很好的解決這個問題，早期該技術主要運用在傳統汽車上并且取得了很好效果，人們也逐漸將其技術衍生到工程機械中，但是由于早期成本以及技術問題，混合動力裝載機的運用面較窄。 直到近年來，混合動力技術在汽車上的廣泛運用以及技術的不斷成熟，混合動力技術在裝載機上運用逐漸增加。 相對于傳統汽車，裝載機的結構要復雜很多，需要完成行駛和作業兩大工況，傳統裝載機的動力來自于柴油發動機，裝載機主要將其動力用于三個方面，分別為通過液力變矩器內分動箱驅動液壓系統來完成作業、 通過傳動系統來完成行駛以及帶動電源發電機發電為整機供電。 由于在高負荷工況下，液力變阻器的工作效率很低。 所以在高負荷工況下，裝載機作業時的效率較低、能量利用率低、所產生的污染排放較嚴重。 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在高負荷下時，裝載機作業效率低的問題。2)盡可能地將發動機工作點分布在燃油高效區，通過運用混合動力技術引入第二種效率較高的能源，輔助發動機在高效工作點進行工作。3)匹配傳動系統的參數。4)采用能量回收技術。潘彬彬[3]提出一種新型串聯混合動力裝載機結構，為了驗證其結果的正確性，他搭建適合進行能量管理控制策略仿真的聯合仿真平臺。 該平臺主要是完成整車動力傳動系統和主要控制策略方案的搭建，然后在所搭建的系統和方案基礎上，完成了裝載機在不同策略時的鏟裝仿真，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行了控制性能對比，并且進行了優化算法，最終優化了該裝載機的主要動力系統參數和控制策略參數，檢驗了部分控制策略的適用性。 他所研究的串聯混合動力裝載機相比并聯混合動力裝載機具有較大的節能潛力、具有穩定的發動機工況以及壽命較長的傳動系統。 相對于串聯混合動力裝載機，并聯式混合動力裝載機也具有優點。 董巖[4]的研究對象為并聯混合動力裝載機，在對混合動力裝載機動力傳動系統主要部件的特性進行分析后，對該混合動力裝載機進行了理論和試驗建模。 同時為了提高其能量利用率，他在對各種實用的混合動力裝載機能量控制策略進行分析后，提出基于混合動力系統轉矩分配控制策略的模糊控制方法。 并在搭建實驗平臺后，驗證了該混合動力裝載機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用于叉車上的研究現狀和發展趨勢

叉車是一種常見的工程機械，主要用于貨物的移動，傳統的叉車主要是內燃機—液壓系統多執行機構的傳動方案，這種方案大量的浪費能源，所產生的排放物對環境也造成很大的破壞。 所以叉車這類工程機械也急需找到一種節能減排的技術。 混合動力技術是很好的解決方法，但是叉車和其他工程機械一樣，相對于混合動力汽車來說，其工作工況和結構都更加的復雜，它需要完成行駛和作業兩個工況，所以混合動力叉車的被控對象更多，所需為其設計的混合動力能量管理策略更加復雜。 因此，設計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]的研究對象為混聯式混合動力叉車，他的研究目的是節能，為此他結合叉車的特點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。 同時他在狀態機的基礎上建立了分成模式控制策略，并在平臺上進行了仿真模型的建立，進行了仿真實驗。 再根據實驗的結果對所建立的分成模式控制策略進行優化。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動系統的結構布置和工作原理后，對叉車進行了后向仿真建模并設計了基于模糊邏輯的轉矩分配控制策略，通過遺傳算法對該模型進行了數據優化。 優化后為了驗證該模型和控制策略的正確性，對叉車油耗循環工況進行了仿真實驗。

3 混合動力能量管理策略運用于推土機上的研究現狀和發展趨勢

推土機也是一種常見的工程機械設備，主要用于挖掘和運輸巖土。 推土機的結構相對于傳統汽車也復雜很多，將混合動力技術運用于推土機的難度也較大，但是混合動力技術在汽車上的成功為該技術在工程機械指明了道路，所以混合技術在推土機上的運用也是衍生于汽車。 在混合動力車輛的研究中，通常根據發動機是否直接為車輛提供動力，將其分為串聯、并聯或混聯式混合動力系統，同樣對于推土機，根據不同動力的提供方式推土機有不同的混合動力系統。其中串聯混合動力傳動方式發動機、發電機、驅動電機以串聯的方式連接，發動機與車輪無直接機械連接，驅動電機與車輪之間為機械傳動。 由于無直接機械連接，發動機在工作過程中不受整車實際工況的影響，發動機可始終工作在最佳燃油經濟區域，動力電池為整車提供輔助動力，減小發動機功率輸出的波動幅度。 采用電傳動方式取消機械傳動部件，整車空間充裕，零部件布置靈活，且控制方式簡單。 所以現在大多數混合動力推土機采用該種混合動力傳動方式。 魏璐璐[7]以串聯混合動力推土機為研究對象，以山推工程機械有限公司SD24E 型電傳動推土機為結構基礎，選用雙電機獨立驅動形式混合動力推土機整機主要由發動機、發電機、超級電容、電機控制器、驅動電機、側傳動、履帶等組成。 其中發動機與發電機之間采用同軸機械傳動，驅動電機與側傳動，側傳動與履帶之間采用機械傳動。 發電機、超級電容、電機之間采用電傳動，整車控制器通過發動機ECU、 發電機控制器、超級電容控制器、電機控制器與其進行信息交互，實現對多動力源的分配及控制。 具體結構如圖1 所示。

圖1 混合動力推土機結構簡圖

由于混合動力推土機作業工況比較復雜，混合動力推土機工作模式與混合動力汽車有較大的區別，混合動力推土機有不同的工作模式，比如SD24E 型混合動力推土機主要工作模式有：發電機電機驅動模式、行車充電模式、發動機+超級電容電機驅動模式、再生制動模式、停車充電模式等。 在不同的模式下，通過控制發動機和電機所提供的能量分配來完成不同的工作作業，極大地提高了能量的利用。 樓狄明等人[8]在分析了推土機的結構和工況后，提出了串聯式混合動力系統的設計方案，并根據這些設計方案在仿真平臺上進行仿真實驗以及研究分析推土機在不同工作模式下這些設計方案的合理性。 應用模糊邏輯技術，構建模糊推理器，對控制策略進行了模糊優化，使系統的工況穩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械上運用的前景

工程機械是我國裝備工業的重要組成部分，它運用于交通運輸建設、國防建設、農業建設、工業建設、建筑等各個方面，是我國機械行業必不可少的一部分，也是不能缺少的一部分。 但是工程機械存在著效率低、能量利用率低以及排放物對環境污染嚴重等問題。 并且國家對于環境保護和能量利用的日漸重視，所以混合動力技術在工程機械上的運用是大勢所趨。 而混合動力能量管理策略作為混合動力技術的關鍵，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械的結構簡化都是需要面對的問題。 盡管國內外對其都有較深入的研究，但是想將這些技術真正運用在實際中還需要更多的研究和創新。 所以該策略在工程機械上運用的前景光明，還需要更多更深入的研究來提高工程機械的效率，減少排放物對環境的污染，為環保做貢獻。

5 結語

綜上所述，筆者認為隨著混合技術的不斷成熟以及成本得到控制，并且借鑒了混合動力技術在汽車上的運用，該技術已經逐漸將其運用在工程機械上。在國內外大量的研究下，盡管工程機械的結構比汽車復雜很多，但是也找到了很多適用于工程機械的技術，并且做了相應的建模仿真。 如串聯混合動力能量管理策略在工程機械的應用、并聯混合動力能量管理策略在工程機械的運用以及混聯混合動力能量管理策略在工程機械的運用等。但是在查閱大量的文獻后發現，這些混合動力方法大多停留在建模仿真以及實驗階段，很少能夠對其進行樣機制造，希望在技術更加成熟以及成本能夠得到控制以后，能夠更多的生產樣機并且在得到較好的效果以后，能夠進行批量生產。