起重机混合动力系统控制策略的研究

周新民 周东祥

（华中科技大学电子科学与技术系 武汉 430074）

0 引 言

混合动力系统利用储能装置与不同能源的混合使得动力源整体满足系统能量需求，系统效率优化，同时可以吸收回馈能源并再利用，从而实现系统的节能.混合动力技术在汽车领域的研究和应用已有20多年的历史，其动力源驱动的对象一般为一个机构.混合动力的结构方式有多种，包括串联式结构，并联式、混联式混合动力方式［1］.

近年来，随着化石能源日趋紧张，在工程机械，包括流动式起重机的混合动力技术研究方兴未艾［2］.起重机具有起升、变幅、回转、行走等4大机构，各机构单独工作或组合进行联合动作.因此采用并联式结构构成混合动力系统存在一定的困难.目前起重机混合动力系统采用的结构一般均为串联结构［3－6］，原因就在于动力源需要驱动的机构较多.混合动力系统的基本形式为发动机带动发电机，由发电机供给母线电压，统一向各机构供电，各机构分别采用变频器进行调速控制.

汽车和起重机的运行工况有很大的区别.汽车除了启动过程，制动过程等暂态过程外，还有较长时间的稳定运行工况，所以储能器一般采用能量密度较高的器件，如蓄电池.而起重机的工况有短时、循环的特点，每个工作循环时间不长，约在2 min以内.因此在控制策略及实现上可以借鉴混合动力汽车的控制策略，但又有自身特点.本文结合电动轮胎式起重机混合动力系统研究其控制策略.

1 串联结构混合动力的控制策略

串联式混合动力系统的基本结构是由发动机到发电机，然后由发电机把电能传递给电机控制器，或是储能装备（动力电池组或超级电容组），电机控制器再把电能传递给驱动电机，由驱动电机机械连接传动系进行工作.

串联式结构的控制策略包括恒温器式控制策略，功率跟随型控制策略以及恒温器＋功率跟随控制策略.

在恒温器式控制策略中，控制策略允许发动机在电池的荷电状态（SOC）高于SOCmax之前按设定的高效区域恒功率运转，此时发动机关闭，汽车为零排放、纯电动行驶.当SOC降到低于SOCmin值时，发动机再次启动并输出恒功率，这与温室的温度控制相似.发动机只为储能装置如蓄电池充电，工作效率高.这种方式对发动机有利，而对储能装置不利，储能装置将频繁的充放电，使用寿命存在问题.

功率跟随型控制策略则是电池只在纯电动模式和回馈状态式使用，平时均有发动机带发电机发电供给电动机能量.功率跟随型控制策略要求发动机的输出功率跟踪负载要求，这样发动机总保持运转，仅当纯电动模式运行时才停机.使用这种策略，减少了动力电池充放电循环，与充放电有关的功率损失也就相应减少.然而，由于必须满足续驶里程内的所有功率要求且要做出快速响应，所以导致发动机频繁起停，影响了发动机的效率和排放特性.这种控制策略对动力电池有利而对发动机不利.

恒温器＋功率跟随控制策略则是发电机输出电流可以同时流向电池和电动机，此时电池能够起到能量缓冲器的作用，弥补发电机与电动机之间的功率差异.

“功率跟随＋恒温器”的综合控制方式.发动机在SOC较低或负载功率较大时均会起动，当负载功率较小且SOC高于预设的上限值SOCmax时，发动机被关闭，在发动机关和开之间设定了一定范围的状态保持区域，这样可以避免发动机的频繁起停.发动机一旦起动便在相对经济的区域内对电动机的负载功率进行跟踪，当负载功率大于或小于发动机经济区域所能输出的功率时，电池组可以通过充放电对该功率差进行缓冲和补偿.

2 起重机混合动力系统结构和控制策略分析

起重机的工作模式是间歇、循环式的工作模式，工作循环时间较短.机构的启、停频繁.启动和停止的动态响应要求快，启动时电机的电流比较大.电机功率在几十k W到几百k W之间.

由于发动机的启动时间使得由发动机直接启动不同机构的电机延迟较大，不利于起重机工作效率提高.起重机混合动力系统工作状态变化时，电动功率需求或回馈功率较大，要求储能装置充放电电流大.在目前可选的储能器中，常见的有蓄电池、超级电容.相比而言，蓄电池的能量密度大，但充放电电流较小，超级电容能量密度小于蓄电池，但充放电电流可以很大.另一方面，在系统工作过程中超级电容充放电虽比较频繁，但超级电容额定的充放电次数（寿命）一般可以达到50万次以上，由于工作循环中需要存储的能量少，储能器可选较小的储能容量，节省相当大的初次投入成本费用.因此超级电容适合作为起重机混合动力系统的储能器.由于驱动机构多，一般采用串联式混合动力系统的结构.所讨论的系统为用于散货作业的轮胎式起重机，其系统结构如图1所示.图中，F为直流发电机，起升、变幅、回转电机采用直流电动机.Csc为超级电容，Cdc为滤波电容.

系统采用恒温器模式存在成本问题.恒温器模式由于超级电容能量密度相对较小，系统若采用恒温器模式则需要超级电容储能较多，容量需求大，成本会急剧增加.若超级电容容量小，则发动机的启动将十分频繁，没有恒温模式的优势.

图1 混合动力系统的结构图

系统采用功率跟随模式也存在问题.由于发动机怠速和额定速（空载）工作状态下，油耗差别很大（约为1∶5），起重机空闲时间比较长（人工辅助作业时间），发动机一直处于额定速运行显然不经济.在起重机空闲时间应使发动机处于怠速状态是节油的一个关键.而在起重机工作时又需要机构快速响应.发动机由怠速转为额定速的时间延迟将大大降低起重作业的运行效率.

采用恒温器＋功率跟随控制策略则比较适合系统的特点.超级电容的容量选择应满足一个工作循环需要的能量或稍多一点即可，这样超级电容容量不大.其基本的控制策略描述如下：

启动过程：之前的空闲状态时，发动机处于怠速运行状态.得到启动指令后，发动机启动，发电机电压逐步上升.此过程中由超级电容通过双向变换器（见图1）放电并建立母线电压，电机可即时启动.发动机逐步升速到额定速，电压高于超级电容单独启动供电的母线电压，此时由发动机作为主能源供给系统，进入运行过程.动态响应快.

运行过程：若发动机功率大于总负载所需功率，则超级电容停止放电，或吸收部分发动机功率（SOC降到低于SOCmin值时），以保证发动机运行效率较高.若发动机（设定运行）功率低于总负载所需功率，则超级电容放电提供部分功率.当系统处于回馈状态时，则发动机停止，超级电容通过母线吸收起重机下放重物时的势能回馈能量.

3 起重机混合动力系统工作状态与控制策略实现

从系统节能（油）、成本和性能角度看，超级电容放电主要是要支持发动机－发电机组，短时提供功率、大电流，以保证系统负载短时的大功率需求，从而降低发动机的配置功率.同时，发动机在空闲时应处于怠速状态，以最大限度地节能、节油.而系统机构随时会启动运行，发动机转速由怠速升至额定速需要几秒钟，因此，超级电容应在发动机启动的这段时间提供机构的启动电压和电流，以提高系统快速响应.

由于起重机工作机构多，储能器何时停止工作，何时释放功率，何时吸收功率是需要研究的问题.一般来讲，储能器释放和吸收功率的大小可以通过母线电压的高低来确定.由于起重机系统多机构同时工作的特点，系统需要提供电动能还是需要回收回馈能量是由多机构工作时的综合效应决定的，其状态变化频繁.直流母线侧滤波电容对能量缓冲的作用很小，主要是高频滤波.因此在状态变化过程，双向DC－DC控制超级电容参与能量交换，并引起母线电压的波动.若仅由母线电压来决定储能器的工作状态，容易引起储能器充放电状态切换及频繁工作，对其寿命不利，对成本回收产生不利影响.为此对混合动力系统的工作状态预先需要有个基本判断，并在此基础上，根据母线电压状态决定储能器的工作状态.

混合动力系统工作时，存在3种工作状态.第一种为电动工作状态.在这种工作状态时，起升、变幅、回转3个机构总的需求功率为电动功率，即母线侧向负载侧提供功率.第二种为回馈工作状态，在这种工作状态时，起升、变幅、回转3个机构总的功率效应为回馈功率，即负载侧向母线侧回馈功率.第三种为空闲工作状态，此时负载侧（电机）总的功率需求为零.

混合动力系统根据检测到的系统参数自动判断系统处于何种状态.具体判断与控制如下.

第一工作状态的控制 当起升机构没有下降动作且变幅机构没有增幅动作时，但存在起升或变幅或回转动作，此时系统处于电动工作状态.超级电容根据其储能状态和系统状态决定是否或以何种方式释放电能，与发动机－发电机组联合向负载供电.

若为启动阶段，发动机初始状态为怠速.控制系统将立即启动发动机至额定速度，此过程约持续5 s.在发动机到达额定速之前，实际上是不向系统供能的.为保证系统快速响应，在发动机起动过程中，超级电容储能系统将单独通过双向DCDC变换器给系统供电，使母线电压维持在400 V.此时超级电容储能装置的工作模式为电压模式.在电压模式下，超级电容的放电目标是保证母线电压为额定电压.

若检测到发电机电压达到额定电压，超级电容储能装置将采取功率模式放电.其放电电流视超级电容的储能及负载功率需求而定.当超级电容储能足够，放电电流可大一些，以释放部分回收的功率；若超级电容储能减小到一定程度，将减少功率释放.若负载需要功率较大，超过发动机输出额定功率，超级电容储能足够，将加大超级电容的功率释放.

第二工作状态的控制 当起升机构有下放动作，或变幅机构有增幅动作时，实际上机构是否回馈电能是不定的.因为在某些情况下，其他机构在联合动作，可能处于电动状态，将直接吸收回馈的功率.而两者量的大小难以预先判断.当然可根据母线电压的变化进行判断，但系统逻辑则过于复杂.实际上，当某一机构有回馈能量时，即使整个系统需要发动机供给电能，其功率也不会很大.鉴于此，凡是起升机构有下放动作，或变幅机构有增幅动作时，超级电容部分的控制策略为等待吸收状态，若母线电压高于发电机电压，则开始吸收功率，否则就等待，且不进入第一种状态（放电状态）.母线电压在负载有能量回馈时要保持稳定.此时不一定要求母线电压恒定不变，但电压必须限制在一定的范围.超级电容吸收电流的大小根据母线电压进行调节.母线电压Udcf高，则说明回馈功率大，需要加大超级电容吸收的功率；母线电压Udcf低，则说明回馈功率小，需要减少超级电容吸收的功率.

第三种状态的控制 此为空闲状态，比较容易判断.当系统无机构动作指令时，超级电容不进入放电状态，而处于等待吸收状态.此时的一个问题就是停车瞬间制动功率回馈的吸收.其控制方式已在同第二种工作状态的描述.

空闲状态下，发动机应回到怠速，以最大限度的节油.在空闲状态，发动机在怠速和额定速运行是油耗差别很大.实验结果表明，同系列的138 k W发动机和90 k W发动机的油耗比约为5∶1.其节油效果是十分明显的.

在系统空闲状态下，发动机是否回怠速还取决于储能装置的储能.若超级电容电压低于一定值（本系统设置为350 V），则发动机不回怠速.此时控制系统应使发动机继续以额定速运行，通过发动机－发电机组给超级电容充电.充电方式采用恒流充电.当超级电容电压高于设定值（350 V）时，若仍无机构动作，则发动机由控制系统控制，自动回怠速，系统处于待机状态.

除了斩波器的软启动、常规的电气控制外，超级电容的充放电控制是系统控制策略中最重要的部分.其控制系统框图如图2所示.这里控制调节器采用DSP数值式调节器.虚框部分由DSP控制.超级电容的充放电采用模糊控制器，由电压外环（Udcf直流母线电压反馈）、电流内环（Iscf超级电容电流反馈）进行双环调节.图2中Uscf为超级电容电压反馈值，为控制器使用的控制参量.

图2 控制系统框图

4 系统实验与节能效果

针对轮胎式起重机进行了系统实验.图3反映了系统启动过程中母线电压的波形.启动前，超级电容已充电，发动机处于怠速状态，发电机电压低于母线电压，母线电压启动前在360 V左右.此时起升机构带100 k N负载，发出起升指令.发动机由怠速启动到额定速约需3 s（横轴1 s／格），此时由超级电容放电供给电机电能，母线电压有所波动.3 s后，发电机转速到达额定速，电压达到400 V，超级电容停止放电，由发动机－发电机组给负载供电.

图3 发动机启动过程母线电压波形

在稳定电动运行过程中，超级电容存在较多能量，需适当释放，以便在下放或减幅过程中吸收回馈能量.图4为带25T负载起升稳定运行过程中的母线电压（Udc，CH3，100 V／格）及超级电容放电电流（Isc，CH2，100 A／格）.图中横轴100 ms／格.

图4 电动状态下母线电压与超级电容电流波形

图5 反映带250 k N负载下放过程中能量回馈状态的波形，其中母线电压（Udc，CH3，100 V／格）基本维持不变.超级电容电流（Isc，CH2，100 A／格）方向与电动状态时中相反，吸收回馈功率.图中横轴100 ms／格.

图5 回馈过程中的母线电压和超级电容电流波形

系统实验还进行了油耗对比试验.以同等型号（250 k N）轮胎式起重机原机型和采用混合动力技术新机型进行比较.原机型采用138 k W发动机，新机型采用90 k W发动机.新机型相对原机型节省油耗31.7%.

5 结束语

实验证明对于多机构运行的起重机械系统工作状态判断方法及恒温器＋功率跟随控制策略是可行的.由于发动机怠速和启动较为频繁，如何确保发动机启动时效率最优，例如延长发动机启动时间以保证燃油充分燃烧以提高效率，等问题有待今后进一步研究.

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