混合动力集装箱装载机驱动工况控制策略及仿真实现Word格式文档下载.docx
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flow建立了装载机整机燃油经济性仿真模型，对装载机在不同载荷和不同蓄电池初始SOC工况下进行了仿真。
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
1绪论1
1.1工程机械混合动力技术的研究意义1
1.2国内混合动力工程机械外研究现状分析1
1.3本文研究的目的及内容4
2混合动力集装箱装载机的结构和原理6
2.1混合动力集装箱装载机的主要结构部件6
2.2本章小结9
3混合动力集装箱装载机动力系统选型及各部件模型研究10
3.1混合动力集装箱装载机动力系统选型10
2集装箱装载机动力部件建模13
3.3本章小结18
4集装箱装载机工况分析及混合动力控制策略和参数优化19
4.1混合动力集装箱装载机运行工况及工况特点19
4.2混合动力集装箱装载机工作循环的设定19
4.3正交试验法概述22
4.4混合动力集装箱装载机动力系统控制策略23
4.5基于正交试验法控制参数优化26
4.6本章小结31
5混合动力集装箱装载机燃油经济性仿真及参数影响分析32
5.1蓄电池SOC管理策略32
5.2混合动力集装箱装载机燃油经济性仿真及分析32
5.3本章小结41
6结论及展望42
6.1全文结论42
6.2研究展望42
致谢44
参考文献45
1绪论
1.1工程机械混合动力技术的研究意义
随着世界范围内工业技术的迅速发展以及石油资源的日益匮乏，环境污染和能源短缺问题不断突出。
为保障能源安全减少CO2排放引起的全球温室效应，近年来各国政府纷纷出台政策法规，使得节能与新能源产品技术已成为世界各发达国家的产业发展战略。
混合动力技术最早应用于汽车领域，从20世纪90年代起，世界各大汽车公司相继投入到混合动力汽车的研究开发，目前混合动力汽车已成为各大汽车公司的战略重点。
日本在混合动力方面的研究起步较早，美国和欧洲一些发达国家对混合动力技术的研究也较多，并有多款小型汽车产品投放市场。
在国内，东风、一汽、奇瑞和长安等汽车公司也相继开发混合动力汽车，取得了较好的节能效果。
工程机械是国家基础建设的基本装备。
它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。
高效、节能和机器人化是挖掘机械未来发展的重要特征，而技术融合和集成化是其主要发展方向。
普通工程机械耗油高、排放差，其节能和排放问题已受到业界的广泛关注。
研究表明，大多工程机械工况负载变化比较频繁、波动比较大，使得柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料的利用率低下，排放质量较差。
因此，改善工程机械动力源的工作状况是提高整体系统效率和改善排放质量的一个关键问题。
1.2国内混合动力工程机械外研究现状分析
1.2.1混合动力工程机械外研究现状
混合动力技术是指携带有不同动力源、可根据车辆的工况需求，同时或分别使用不同的动力源而工作的车辆[1]，在整车控制系统的作用下，两种动力装置协调配合驱动，实现最佳能量分配，达到燃油经济性佳，排放低和高度自动化的一种新型技术。
在2003年，日立建机研制出第一台混合动力驱动的轮式装载机，但没有真正批量生产。
2008年3月，沃尔沃在美国拉斯维加斯国际工程机械展Conexpo2008上推出了L220FHybrid型混合动力轮式装载机，该机采用了前传动装置单轴转矩组合的并联式混合动力电驱动系统，与标准机型相比，该机可以节省10%的燃油。
2011年3月日本川崎推出了65ZV-2型混合动力装载机，该机用由行星齿轮、马达和发电机组成的“HYTCs”结构取代了一般装载机采用的液力变矩器，减少了能量传递损失；
用电容器储存电能提高了“爆发力”；
并回收制动能量。
最终川崎65ZV-2型混合动力装载机比同级别普通装载机节省燃油35%以上。
2012年美国约翰·
迪尔开始销售K644型混合动力轮式装载机，与传统轮式装载机稍有不同，其在发动机后面布置了一个用以驱动变速器输入轴的发电栅马达，其燃油经济性平均可以提高20%[3]。
我国对工程机械混合动力技术研究相比国外较晚，且研究机构和制造商数目有限，尚处于起步发展阶段[2]。
2007年贵州詹阳动力重工研发出我国第一台混合动力环保型轮式挖掘机（JYL621H），该机采用智能控制，纯电动机启动，降低能耗20%左右。
在2009年三一重工推出了SY215C型混合动力液压挖掘机，该机采用油电双能源驱动系统，在回转部分采用电动机和液压马达共同驱动，制动时可以回收制动动能，最终节能达到30%，作业效率提高25%。
2010年柳工推出了CLG862-HYBRID型混合动力装载机，该机利用柴油机和ISG（IntegratedStarterGenerator）电机共同为装载机提供动力，实现低负荷工况下的扭矩合成和平均化，在相同的工况下，可以至少节油10.5%[3]。
结构
控制策略
串联式
发动机开关式控制策略
发动机功率跟随式控制策略
并联式
以车速为主要参数的控制策略
以功率为主要参数的控制策略
采用优化技术的控制策略
以成本和燃油经济性为目标的控制策略
混联式
发动机恒定工作点控制策略
发动机最优工作曲线控制策略
瞬时优化控制策略
全局优化控制策略
1.2.2混合动力工程机械控制策略研究现状
目前混合动力系统有多种分类方式，其中根据动力源的数量及动力系统的结构形式的不同，可以分为串联式、并联式及混联式[4]。
不过在混合动力车辆的结构及其参数确定以后，整车性能的优劣就取决于其采用的控制策略，好的控制策略可以最大限度的发挥车辆低排放、低油耗的优势，同时改善车辆的动力性[5]。
通常来说，混合动力工程机械动力系统的结构从某种程度上决定了可以采用哪种控制策略，按其结构分类如表1.1[5]。
表1.1
在混合动力技术发展过程中面临到对蓄电池频繁充放电从而严重影响蓄电池寿命的问题，由此提出了在系统中配有超级电容，以便缓解对蓄电池的频繁充放电。
在超级电容式混合动力机械方面，陈超立等[6]应用Matlab/Simulink仿真工具编写复合电源内部能量管理控制模型并嵌入整车模型中,对单独超级电容式HEV与复合电源式HEV进行了UDDS测试循环下的横向比较。
研究结果表明单独超级电容式HEV节能减排提高有限，而在预先制定的控制策略的控制下，采用复合电源的HEV的发动机大部分时间工作在高效率、低排放区域，从而其燃油经济性和排放性能大幅提高。
Hak-JunLee,Seung-KiSul等[7]提出了配有超级电容的混联型混合动力挖掘机能量变换器的结构，可直接并联连接到直流母线电容器，而无需DC/DC转换器，相比之下系统的效率得到了提高。
车明哲等[8]设计了一套液压挖掘机的节能液压系统，并且提出了具有超级电容混合动力液压挖掘机的全新结构和动力控制策略，通过计算机仿真得出了对22吨并联式混合动力液压挖掘机的最优配置。
此外，一些研究人员对工程机械工作过程中能量回收做了很多研究。
张彦廷等[9]针对混合动力挖掘机提出利用液压马达对液压执行元件的回油进行能量回收的节能方案。
建立液压挖掘机能量回收的仿真模型，对各执行元件的可回收能量所占比重和系统的节能效果进行仿真计算。
搭建了混合动力液压马达能量回收试验台，并进行能量回收过程中的能量转化效率和操控性能的试验研究。
试验和仿真结果表明，在混合动力液压挖掘机系统中采用马达能量回收和发电机转速控制执行元件运动速度的节能方案是有效的。
JongIlYoon等[10]在研究如何回收混合动力液压挖掘机能量的基础上，建立其仿真模型并将仿真结果进行对比分析，结果表明：
不同的能量回收系统方案导致节油率有24%的差别。
Nanjotakao等[11]对液压挖掘机混合动力系统结构进行了研究，并对采用能量回收系统的液压挖掘机能耗进行了分析，并建立了相应的仿真模型，仿真结果表明：
有能量回收的混合动力系统较普通液压挖掘机节能高达40%。
在工程机械混合动力系统控制策略方面，张梅芳等[12]以实现节能为目的,提出了一种应用于并联式混合动力液压挖掘机动力系统的控制策略。
该控制策略以发动机燃油经济性为优化变量,在工作中通过比较SOC值以及负载功率与发动机功率限值来确定发动机工作功率。
在仿真后结果表明，该控制策略在轻载及重载两种工况下均能使发动机保持较好的燃油经济性，有利于系统的高效稳定工作。
刘刚等[13]分析了一种并联式混合动力液压挖掘机系统，提出了双模式转矩均衡策略。
根据负载功率需求和超级电容荷电状态,共同决策多工作点的切换。
该系统通过发电/电动机的转矩均衡作用，使发动机稳定工作于效率较高的状态.仿真结果表明,本控制策略在挖掘与平地两种典型工况下，都能很好地提高发动机的燃油经济性;
尤其重载挖掘工况,节能效果更明显.超级电容荷电值的波动在设定的范围内,有利于动力系统的稳定工作。
周新民等[14]针对基于超级电容的轮胎式起重机混合动力系统采用恒温器＋功率跟随的控制策略。
对系统的工作状态划分工作状态的判断进行了分析并提出了不同状态下超级电容能量控制方法以避免超级电容的频繁充放电，延长使用寿命。
发动机的启动过程中采用纯储能器供能方式以提高系统的快速响应。
实验结果表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。
肖清等[15]分析了该并联式混合动力液压挖掘机系统的结构,建立了其仿真模型,归纳了其工况的特点，从而确立了以发动机燃油经济性和电池荷电状态（SOC）为优化变量的控制策略。
该控制策略设立了多个发动机工作点和SOC工作上、下限，在工作中通过比较SOC当前值与其限值来自动切换发动机的工作点或工作段.仿真结果表明,该控制策略在挖掘及平地两种工况下均能使发动机保持较好的燃油经济性,同时电池SOC也能稳定在设定的72.5%～88%范围内，有利于系统的高效稳定工作。
何清华等[16]以山河智能SWE230液压挖掘机为原型，分析其动力系统各元件特性，并利用AMEsim软件建立并联式混合动力挖掘机系统的整机仿真模型。
通过试验采集挖掘机在典型工况下的功率谱。
根据挖掘机的工况特点，提出基于工况预测的准定工作点控制策略，并应用于仿真模型。
仿真结果表明，所提出的控制策略能有效减小超级电容荷状态（SOC）波动，稳定发动机工作点，提高燃油经济性。
1.3本文研究的目的及内容
1.3.1本文研究的目的
针对传统柴油机集装箱装载机高油耗和大排放的问题，设计了混合动力集装箱装载机。
但是在实际工作过程中，由于集装箱质量、蓄电池荷电状态、蓄电池温度是变化的，以至于装载机在每个循环工况的初始状态（负载、蓄电池初始荷电状态、蓄电池初始温度）是不确定的，因此需要制定合理的控制策略。
本课题的目的就是建立混合动力集装箱装载机动力系统和传动系统的数学模型，再根据发动机、电动机和蓄电池等部件性能和效率特性，采用
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