工程机械混合动力能量管理策略研究现状和发展趋势*

时 虹 ，冯美龙 ，张鹏飞 ，杨嘉骏

（1.九江职业技术学院，江西 九江 332007；2.长安大学工程机械学院机械设计系道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

混合动力技术是将多种动力源进行控制，使其达到最优的能源分配，在不同的状态下合理分配动能源，来改善发动机的燃油经济性及排放性能，在混合动力系统各部件的配置确定下来后，混合动力控制策略则是混合动力技术的关键所在，控制策略就是一种如何合理分配两种或以上的能源以达到最佳能量利用的策略，控制策略的目的是在保证机器正常工作前提下，提高整机的经济性及排放性能，在不同的工况下根据所需能量实时合理的分配各动力源，满足机器的正常工作。 混合动力技术控制策略近年在传统汽车领域已得到了广泛的应用，取得了不错效果，目前提出的混合动力车辆能量管理控制策略主要有基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略两种。 其中基于规则的能量管理策略是根据发动机的万有特性、发电机外有特性、电机外有特性和超级电容荷电状态来对目标进行控制。 通过制定相应的控制规则来实现对发动机、发电机和超级电容的最优控制。 其控制方法简单、容易实现，且计算简单，目前在实际应用开发中应用最多。 基于规则的能量管理策略分为确定性规则能量管理策略和模糊规则能量管理策略。 确定性规则能量管理策略主要包括恒温器式能量管理策略和功率跟随式能量管理策略。 模糊规则能量管理策略则包括传统模糊控制策略、自适应模糊控制策略、预测模糊控制策略[1]。由于模糊控制中的语言是非精确的，所以模糊控制其控制方法相对于确定性规则能量管理策略更为简单、鲁棒性更好、更易于实现[2]。 混合动力能量管理控制策略在传统汽车上的运用为工程机械节能减排技术的发展提供了一个新的思路。 但是工程机械相对于传统汽车，其各系统结构及行驶作业工况更为复杂。 工程机械不仅存在行驶工况还有作业工况，混合动力能量管理控制策略在工程机械上实施的难度更加大，为此所设计的结构也更加复杂。 所以应用于工程机械的混合动力技术相对于应用在传统车辆上的混合动力技术相对滞后，目前对混合动力工程机械能量管理控制策略的研究主要以装载机、叉车、推土机为主，下面分别是混合动力工程机械能量管理控制策略在相应工程机械的运用和研究现状。

1 混合动力能量管理策略运用于装载机上的研究现状和发展趋势

装载机是一种常见的工程机械设备，它主要用于铲装河沙、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费以及其排放的污染气体对环境造成污染。 传统的装载机具有很多缺点但是它的作用又无可替代，所以研究出一种节能减排技术十分重要。 混合动力技术能很好的解决这个问题，早期该技术主要运用在传统汽车上并且取得了很好效果，人们也逐渐将其技术衍生到工程机械中，但是由于早期成本以及技术问题，混合动力装载机的运用面较窄。 直到近年来，混合动力技术在汽车上的广泛运用以及技术的不断成熟，混合动力技术在装载机上运用逐渐增加。 相对于传统汽车，装载机的结构要复杂很多，需要完成行驶和作业两大工况，传统装载机的动力来自于柴油发动机，装载机主要将其动力用于三个方面，分别为通过液力变矩器内分动箱驱动液压系统来完成作业、 通过传动系统来完成行驶以及带动电源发电机发电为整机供电。 由于在高负荷工况下，液力变阻器的工作效率很低。 所以在高负荷工况下，装载机作业时的效率较低、能量利用率低、所产生的污染排放较严重。 为了提高能量的利用率可以用以下四种方法：1)通过液压传动中的无级变速或电传动来取代液力变矩器能够解决装载机在高负荷下时，装载机作业效率低的问题。2)尽可能地将发动机工作点分布在燃油高效区，通过运用混合动力技术引入第二种效率较高的能源，辅助发动机在高效工作点进行工作。3)匹配传动系统的参数。4)采用能量回收技术。潘彬彬[3]提出一种新型串联混合动力装载机结构，为了验证其结果的正确性，他搭建适合进行能量管理控制策略仿真的联合仿真平台。 该平台主要是完成整车动力传动系统和主要控制策略方案的搭建，然后在所搭建的系统和方案基础上，完成了装载机在不同策略时的铲装仿真，并且具有能量回收的功能。 在该平台他仿真过多种能量管理控制策略对其进行了控制性能对比，并且进行了优化算法，最终优化了该装载机的主要动力系统参数和控制策略参数，检验了部分控制策略的适用性。 他所研究的串联混合动力装载机相比并联混合动力装载机具有较大的节能潜力、具有稳定的发动机工况以及寿命较长的传动系统。 相对于串联混合动力装载机，并联式混合动力装载机也具有优点。 董岩[4]的研究对象为并联混合动力装载机，在对混合动力装载机动力传动系统主要部件的特性进行分析后，对该混合动力装载机进行了理论和试验建模。 同时为了提高其能量利用率，他在对各种实用的混合动力装载机能量控制策略进行分析后，提出基于混合动力系统转矩分配控制策略的模糊控制方法。 并在搭建实验平台后，验证了该混合动力装载机能量控制策略的合理性和有效性。

2 混合动力能量管理策略运用于叉车上的研究现状和发展趋势

叉车是一种常见的工程机械，主要用于货物的移动，传统的叉车主要是内燃机—液压系统多执行机构的传动方案，这种方案大量的浪费能源，所产生的排放物对环境也造成很大的破坏。 所以叉车这类工程机械也急需找到一种节能减排的技术。 混合动力技术是很好的解决方法，但是叉车和其他工程机械一样，相对于混合动力汽车来说，其工作工况和结构都更加的复杂，它需要完成行驶和作业两个工况，所以混合动力叉车的被控对象更多，所需为其设计的混合动力能量管理策略更加复杂。 因此，设计一种有效合理的能量控制策略对混合动力叉车十分重要。徐回[5]的研究对象为混联式混合动力叉车，他的研究目的是节能，为此他结合叉车的特点建立了混合动力叉车的仿真模型，并对叉车的混合式能量管理策略做了深入的研究。 同时他在状态机的基础上建立了分成模式控制策略，并在平台上进行了仿真模型的建立，进行了仿真实验。 再根据实验的结果对所建立的分成模式控制策略进行优化。张广清[6]的研究对象也是混合动力叉车，他在查询和研究了基于动力驱动系统的结构布置和工作原理后，对叉车进行了后向仿真建模并设计了基于模糊逻辑的转矩分配控制策略，通过遗传算法对该模型进行了数据优化。 优化后为了验证该模型和控制策略的正确性，对叉车油耗循环工况进行了仿真实验。

3 混合动力能量管理策略运用于推土机上的研究现状和发展趋势

推土机也是一种常见的工程机械设备，主要用于挖掘和运输岩土。 推土机的结构相对于传统汽车也复杂很多，将混合动力技术运用于推土机的难度也较大，但是混合动力技术在汽车上的成功为该技术在工程机械指明了道路，所以混合技术在推土机上的运用也是衍生于汽车。 在混合动力车辆的研究中，通常根据发动机是否直接为车辆提供动力，将其分为串联、并联或混联式混合动力系统，同样对于推土机，根据不同动力的提供方式推土机有不同的混合动力系统。其中串联混合动力传动方式发动机、发电机、驱动电机以串联的方式连接，发动机与车轮无直接机械连接，驱动电机与车轮之间为机械传动。 由于无直接机械连接，发动机在工作过程中不受整车实际工况的影响，发动机可始终工作在最佳燃油经济区域，动力电池为整车提供辅助动力，减小发动机功率输出的波动幅度。 采用电传动方式取消机械传动部件，整车空间充裕，零部件布置灵活，且控制方式简单。 所以现在大多数混合动力推土机采用该种混合动力传动方式。 魏璐璐[7]以串联混合动力推土机为研究对象，以山推工程机械有限公司SD24E 型电传动推土机为结构基础，选用双电机独立驱动形式混合动力推土机整机主要由发动机、发电机、超级电容、电机控制器、驱动电机、侧传动、履带等组成。 其中发动机与发电机之间采用同轴机械传动，驱动电机与侧传动，侧传动与履带之间采用机械传动。 发电机、超级电容、电机之间采用电传动，整车控制器通过发动机ECU、 发电机控制器、超级电容控制器、电机控制器与其进行信息交互，实现对多动力源的分配及控制。 具体结构如图1 所示。

图1 混合动力推土机结构简图

由于混合动力推土机作业工况比较复杂，混合动力推土机工作模式与混合动力汽车有较大的区别，混合动力推土机有不同的工作模式，比如SD24E 型混合动力推土机主要工作模式有：发电机电机驱动模式、行车充电模式、发动机+超级电容电机驱动模式、再生制动模式、停车充电模式等。 在不同的模式下，通过控制发动机和电机所提供的能量分配来完成不同的工作作业，极大地提高了能量的利用。 楼狄明等人[8]在分析了推土机的结构和工况后，提出了串联式混合动力系统的设计方案，并根据这些设计方案在仿真平台上进行仿真实验以及研究分析推土机在不同工作模式下这些设计方案的合理性。 应用模糊逻辑技术，构建模糊推理器，对控制策略进行了模糊优化，使系统的工况稳定性和效率得到了提高。

4 混合动力能量管理策略在工程机械上运用的前景

工程机械是我国装备工业的重要组成部分，它运用于交通运输建设、国防建设、农业建设、工业建设、建筑等各个方面，是我国机械行业必不可少的一部分，也是不能缺少的一部分。 但是工程机械存在着效率低、能量利用率低以及排放物对环境污染严重等问题。 并且国家对于环境保护和能量利用的日渐重视，所以混合动力技术在工程机械上的运用是大势所趋。 而混合动力能量管理策略作为混合动力技术的关键，对于怎么分配两种或者多种能源才能做到能量利用最大化，以及如何使混合动力工程机械的结构简化都是需要面对的问题。 尽管国内外对其都有较深入的研究，但是想将这些技术真正运用在实际中还需要更多的研究和创新。 所以该策略在工程机械上运用的前景光明，还需要更多更深入的研究来提高工程机械的效率，减少排放物对环境的污染，为环保做贡献。

5 结语

综上所述，笔者认为随着混合技术的不断成熟以及成本得到控制，并且借鉴了混合动力技术在汽车上的运用，该技术已经逐渐将其运用在工程机械上。在国内外大量的研究下，尽管工程机械的结构比汽车复杂很多，但是也找到了很多适用于工程机械的技术，并且做了相应的建模仿真。 如串联混合动力能量管理策略在工程机械的应用、并联混合动力能量管理策略在工程机械的运用以及混联混合动力能量管理策略在工程机械的运用等。但是在查阅大量的文献后发现，这些混合动力方法大多停留在建模仿真以及实验阶段，很少能够对其进行样机制造，希望在技术更加成熟以及成本能够得到控制以后，能够更多的生产样机并且在得到较好的效果以后，能够进行批量生产。