混合动力挖掘机中基于电流匹配的双向DC/DC前馈补偿控制策略

针对混合动力挖掘机回转电机启动过程中,双向DC/DC恒流放电模式具有输出电流固定、直流母线电流供求不匹配而需要强制通过供能侧进行功率补偿的问题,提出基于直流母线上电流供求关系匹配的双向DC/DC前馈补偿策略。本文通过分析电流供求不匹配的原因,并推导双向DC/DC输入和输出电流关系,实现双向DC/DC输出电流对负载需求的自动跟随。引入该前馈补偿控制策略后,超级电容电能输出可最大限度跟随回转电机的需求,减少供能侧的能量补偿,母线电压亦能保持稳定。幅频特性曲线对系统稳定性进行分析,并仿真和实验验证该方法的可行性和有效性,可供工业应用参考。

基于混合动力挖掘机的能量管理策略研究

为提高混合动力挖掘机的节能效果,需要使发动机保持在最佳燃油点工作,因此提出了一种基于动态规划算法的控制策略。根据已知的挖掘机工作循环,利用动态规划算法,通过调节发动机的转速以及作用在发动机上的扭矩,使发动机保持在最佳燃油点工作。并以此得到挖掘机在给定工作循环时的最优控制变量轨迹。仿真结果表明,所使用的控制策略在不降低工作性能的情况下油耗降低了31.2%,显著提高了挖掘机的节能效果。

混合动力挖掘机势能回收系统参数优化与试验

针对混合动力挖掘机特点,提出基于液压蓄能器与动力电池的动臂势能回收方案,采用多目标优化的方法对势能回收系统关键元件参数进行匹配。建立回收系统的仿真模型,设计回收系统的总体控制方法,并对匹配效果与控制方法进行仿真评价。搭建了混合动力挖掘机动臂势能回收系统的试验平台,对势能回收效果和操控性能进行试验研究。仿真和试验结果表明,基于液压蓄能器与电池的势能回收方案可行,系统操作性能稳定,参数匹配效果良好,势能回收率高。

混合动力挖掘机回转制动能量回收系统建模与试验研究

为了回收液压挖掘机回转阶段的制动能量,对挖掘机典型作业工况及能耗进行分析,设计一种以液压马达+电机为回收方式、超级电容为储能元件的回转制动能量回收方案。构建回转制动能量回收系统中发动机、电机、回收马达、超级电容等关键元件数学模型,在对回转运动状态确认与能量回收模式切换、回收电机力矩输出控制和超级电容SOC判断的基础上,建立能量回收系统的仿真模型,以挖掘机实际载荷谱为输入对系统能量回收效果进行仿真分析。搭建挖掘机回转制动能量回收系统试验平台,对该试验系统的能量回收效果和回转驱动性能进行试验研究。研究结果表明:该能量回收方案可行,在不影响挖掘机回转驱动性能的同时,平台回转制动能量回收效率可达到40%以上。

基于最小二乘支持向量机的混合动力挖掘机负载功率预测

为实现液压挖掘机并联式混合动力总成与负载功率的精确匹配,在对变量泵工作原理分析的基础上,提出基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法的双联式恒功率变量泵功率预测模型。以液压挖掘机实际挖掘作业时采集的载荷谱作为训练样本,以泵出口压力、负流量控制压力和极限载荷控制压力作为训练模型的输入,以泵的排量作为输出建立模型,从而使模型对于作业环境具有更好的适用性。用网格搜索和交叉验证的方法对LS-SVM的参数进行了优化,研究结果表明该模型具有良好的预测精度和泛化能力。

新型混合动力挖掘机动臂势能回收系统研究

针对目前混合动力液压挖掘机工作装置势能有效回收的难题,设计了一种采用蓄能器与液压马达的新型动臂势能回收系统。以某小型挖掘机为研究对象,在AMESim环境中建立液压系统模型,基于PID经典控制的电机恒转速控制策略,通过Adams与AMESim联合仿真动臂下放时的变负载工况,得出整个系统的势能回收率。理论分析与仿真结果表明,势能回收系统可以有效回收动臂下放时的势能,并且具有动态响应快、电机的发电效率高的特点,大大提高了系统的势能回收率。

扭矩耦合式油液混合动力挖掘机能量管理

为了优化扭矩耦合式油液混合动力挖掘机(HHE)系统的能量管理策略,提出基于拉格朗日乘数法的在线能量优化管理策略.基于最优控制理论,定义系统节能优化目标函数与约束.以实际采集的挖掘机作业工况作为负载输入,利用拉格朗日乘数法对目标函数进行快速求解,得到最优权值以及离线优化能量管理策略.为了对能量管理策略进行实时应用,使用间隔采样移动窗口法来估计权值,引入基于蓄能器能量状态(SOC)的修正函数,得到对蓄能器SOC具有自适应性的在线自适应能量管理策略.结果表明,提出的在线自适应能量管理策略可以被实时应用,通过选取合适的修正敏感系数后,能够对蓄能器SOC进行边界约束,并达到与离线优化相近的节能表现(18.1%).

混合动力挖掘机动臂势能回收系统研究

针对目前普通挖掘机上存在的动臂、斗杆和铲斗下降后,因势能无法回收而造成的能量损失以及由此而引起的液压元器件发热、失效、加速磨损等问题,在设计混合动力挖掘机时,提出了一种由液压缸、节流阀、变量马达和发电机组成的挖掘机势能回收系统,并将回收的能量纳入整机能量分配管理系统中。该回收系统回收效率较高,可控性好,能有效延长元器件寿命,并在一定程度上降低发动机装机容量,达到了节能的目的。

混合动力挖掘机动臂势能回收系统比较研究

针对挖掘机动臂势能损失,提出了一种辅助动力式油液混合动力挖掘机动臂势能回收系统,通过仿真的方法与直接动力式油液混合动力动臂势能回收系统进行了比较研究。仿真结果表明:直接动力式能量回收系统,需要对挖掘机原液压系统做较大的改动,实际应用价值和效果不大;辅助动力式系统,释放过程平稳、独立,因而实用性更好。

混合动力挖掘机电动回转系统速度控制研究

针对挖掘机回转平台转动惯量大、变化范围宽且外界干扰力矩较大,易造成速度波动的问题,对20 t混合动力挖掘机电驱动回转系统速度控制进行了研究。建立了其数学模型,提出了比例积分(PI)+扰动观测器补偿的速度控制方案,并设计了扰动观测器和PI控制系数;在转台最大和最小惯量,且施加阶跃干扰力矩的情况下,对PI+DOB方案以及PI控制方案进行了仿真对比。仿真结果表明:该回转系统在采用PI控制之外增加DOB环节后,使转台惯量变化对转速超调量的影响从3.1%下降到1%,外部干扰对转速波动的影响从1.3%下降到0.1%;扰动观测器环节减小了惯量变化对转速超调的影响,增强了速度控制的抗干扰能力,改善了回转作业的操作性。

混合动力挖掘机动力系统方案设计与仿真研究

基于公理设计(axiomatic design,AD)与发明问题解决原理(theory of inventive problem solving,TRIZ)的集成模型进行混合动力挖掘机动力系统方案设计,优选以超级电容和ISG(integrated starter generator)电机组成辅助动力源的并联混合动力系统方案。提出了发动机双模式转矩均衡控制策略,实现发动机工作点的自适应调节。混合动力挖掘机系统的SIMULINK建模仿真结果表明,方案及控制策略具有显著的节能效果。

混合动力挖掘机电回转系统储能容量的优化配置

为了解决混合动力挖掘机电回转系统中超级电容储能容量配置较大、价格昂贵的问题,提高整个驱动系统的性价比,提出了一种将超级电容应用于混合动力挖掘机电回转系统的功率匹配策略,并在此基础上将超级电容储能系统的性价比作为储能容量的优化目标。运用遗传算法对建立的系统数学模型进行容量优化配置。最后通过搭建系统的MATLAB模型进行了仿真验证,并对优化前后参数进行了对比。结果表明,该优化模型提高了混合动力挖掘机回转驱动系统的性价比,对于混合动力挖掘机电回转系统中超级电容容量的配置有一定的参考作用。

混合动力挖掘机回转制动控制及仿真试验研究

针对混合动力技术的挖掘机回转控制系统制动超调等问题,建立挖掘机回转装置模型,采用模糊PID控制算法,通过Matlab/AMESim联合仿真软件平台进行验证,并基于矿用混合动力挖掘机进行实测。结果表明,所采用的控制策略能够满足其回转制动的性能要求,并具有良好的节能效果,分析结果为促进混动挖掘机回转作业系统的设计与评价提供了一定的借鉴意义。

混合动力挖掘机轴系扭振的主动控制仿真

为研究混合动力挖掘机轴系扭振并尽可能消除其影响,分析动力轴系扭振的原因,提出对轴系主动控制的方法。在三自由度系统Lagrange函数和耗散函数中引入电动机的气隙磁场能,得到动力轴系和异步电机的机电耦合数学模型,建立基于AME Sim-Simulink的多动力源复杂轴系扭振仿真模型;以电机转矩为控制变量,以液压泵负载为干扰量,以扭振最小为控制目标,应用2阶模糊PID控制分别对阶跃负载和6 t混合动力挖掘机实际工况负载进行仿真计算。通过分别对比控制前后轴系转动速度、扭振情况以及扭转角大小,可以看到采用主动控制方式可以使轴系转动速度密切跟踪给定转速曲线,同时显著减小轴系扭转振动,降低扭转角的波动,快速达到稳定状态,结果表明通过模糊PID进行主动控制可以有效地改善混合动力系统轴系扭振情况。

关于混合动力挖掘机轴强度设计的仿真研究

混合动力挖掘机由于电动机的加入,改变了原轴系机械结构及其扭振频率,当实际工况频率与轴系扭振频率接近时则会引发共振,而对挖掘机造成不可估量的破坏。为解决上述问题,需要对轴系进行基于扭振频率的强度设计,在计算6t混合动力挖掘机相关技术参数的基础上,建立了多动力源复杂轴系扭振模型。以挖掘机实际工况参数进行了基于AMESim和Simulink的联合仿真,仿真结果表明动力轴系扭振频率为2500Hz。为避免轴系扭振频率与实际工况频率接近而引发共振,对比了弹性联轴器和附加飞轮对扭振频率的影响,结果表明:在发动机、电动机、液压泵连接处安装弹性联轴器,通过减小轴系扭转刚度,显著降低了轴系扭振频率;安装附加飞轮,对扭振频率影响很小,挖掘机轴强度设计提供了依据。

混合动力挖掘机能效评价方法研究

现有标准对混合动力挖掘机能效测试规定不详细、难满足测试条件一致性、未反映实际工作条件下的性能,无法反映挖掘机的真实节能水平.基于此,提出对人员、设备、场地、环境等测试条件的一致性进行明确,并对挖掘机作业范围、测试数据有效性、评价指标对比条件等测试过程和结果的一致性进行规定,使混合动力挖掘机能效评价标准化、可对比化.

混合动力挖掘机用镍氢电池SOC估算策略

针对混合动力液压挖掘机上电池充放电工况复杂的问题,提出一种新的结合能量守恒模型和改进型电阻、电容等效电路(RC)模型的电池剩余电荷状态(SOC)综合估算方法,其中能量守恒模型增加了电池的反应热,改进型RC模型在RC模型基础上增加了迟滞效应电压,并运用sigma点卡尔曼滤波法对改进型RC模型的数据进行精确观测,通过调节权重系数将两者结合.针对镍氢(NiMH)池进行充放电实验,并采用能量守恒法、改进型RC模型法以及两者相结合的综合估算方法进行SOC估算的对比研究,结果表明:综合估算方法精度较高,适用混合动力液压挖掘机上电池的SOC估算.

混合动力挖掘机轴系扭振测试

以6t混合动力挖掘机动力系统相关技术参数为设计依据,建立了混合动力挖掘机轴系扭振测试实验台,提出了轴系扭振测试方案.对不同油门开度下轴系的最大扭转角进行了实验测试和分析.实验结果表明:扭振是轴系的固有特性;不同转速下轴系的最大扭转角均发生在2f0(f0为混合动力轴系的工作转频)处,表明引起轴系扭振的激励频率为2f0;不同转速下轴系扭振的激励频率主要集中在0.5f0～2.0f0,表明高频激励对轴系的扭振贡献很小;混合动力系统轴系扭振产生的主要激励源是柴油机,而不是电动机.

混合动力挖掘机工作装置液压系统设计及仿真研究

将混合动力技术应用于液压挖掘机工作装置液压系统,以ISG发电电动一体机和超级电容为辅助动力核心部件,设计了液压挖掘机柴油机辅助动力系统和转台电动回转系统;以能量回收为目标,改进了工作装置液压驱动系统和动臂油缸-液压马达能量回收系统,实现了对动臂油缸重力势能和转台惯性动能的回收利用。仿真结果表明:采用该设计方案降低了发动机装机功率及油耗,可以节约能源、减少排放污染。

挖掘机混合动力系统控制器设计

以减小柴油机转速波动为目标,设计了挖掘机混合动力系统控制器.该控制器以液压泵需求扭矩、液压泵转速和蓄电池SOC为输入参数,以柴油机转速、柴油机扭矩和电动机扭矩为输出参数.提出了基于模糊控制的柴油机油门开度控制方法.建立了基于MATLAB的混合动力系统控制器性能仿真模型.对挖掘工况和平整工况下的控制器性能进行了仿真分析.仿真结果表明:控制器能实现柴油机和电动机的协调控制;在整个工作过程中,柴油机的转速基本不变.