一种并联式混合动力挖掘机的耦合控制方法

摘要

本发明涉及一种并联式混合动力挖掘机的耦合控制方法，其包括以下步骤：1)采用并联式混合动力设备，驾驶员根据当前作业强度设置发动机的目标转速，能量存储系统的目标SOC由整车控制器中控制芯片预设；2)采集油泵P1、P2的压力数据，当前发动机的实际转速和能量存储系统的实际SOC数据，并将数据输入到整车控制器；3)整车控制器中控制芯片将相应的输入数据做差后输入相应的PI控制器进行运算；4)整车控制器中控制芯片根据油泵P1、P2的压力数据和发动机实际转速数据利用前馈查表得到前馈值输出；5)整车控制器中控制芯片将相应PI控制器的运算结果输出到发动机和一体机进行耦合控制。本发明可以广泛应用于小型工程机械领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合动力挖掘机的控制方法，特别是关于一种并联式混合动力挖 掘机的耦合控制方法。

背景技术

混合动力系统可以有效地改善燃油经济性和排放，因而被广泛应用于汽车、船舶、 工程机械上。挖掘机作为工程机械的主力，常常工作在典型的频繁变载工况下，然而 随负载(油泵)变化会引起发动机的转矩剧烈波动，转速也波动较大，因此导致发动 机经常工作在瞬态工况下，导致燃油经济性和排放较差。据简单估计，一台6吨挖掘 机，一年的燃油消耗大概在10吨(按照一年工作200天，每天工作8小时计算)，以 混合动力改善其燃油经济性和排放，潜力很大。

目前，主流的混合动力挖掘机构型有串联式和并联式两种。串联式构型发动机与 负载机械解耦，负载的转矩波动不会影响到发动机的工况，因此，串联式构型的发动 机工作点控制相对简单，比较容易把发动机的工作点控制在高效率区域。在并联式构 型中，发动机和负载存在机械连接，一部分发动机的能量直接通过机械连接传递到负 载，能量流动途径的效率较高，而且并联式构型的成本和空间要求都低于串联式，比 较适合应用于小型工程机械。然而，发动机与负载有机械连接，负载的转矩波动会直 接影响到发动机的转速与转矩，因此，不太容易将发动机的工作点控制在高效率区域。 在并联式混合动力挖掘机构型中，需要研究合适的控制方法实现发动机转矩的“削峰 填谷”，将发动机工作点稳定在高效率区域对应的低油耗区。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够稳定发动机的转速与转矩，将发动 机工作点稳定在高效率区域对应的低油耗区的并联式混合动力挖掘机的耦合控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种并联式混合动力挖掘机的耦合 控制方法，包括以下步骤：1)采用并联式混合动力系统，其包括一发动机，所述发动 机的输出端依次同轴并联一启动发电一体机和两油泵P1、P2；设备还包括能量存储系 统，所述能量存储系统通过ISG控制器为所述启动发电一体机供电；同时，所述能量 存储系统还通过回转电机控制器为回转电机供电；2)驾驶员根据当前作业强度设置所 述发动机的目标转速，并通过模拟量输入端口输入到整车控制器中；所述能量存储系 统的目标SOC由整车控制器中控制芯片预设；3)所述模拟量输入端口采集两所述油泵 P1、P2的压力数据，并将数据输入到整车控制器；CAN通信端口采集当前所述发动机 的实际转速和所述能量存储系统的实际SOC数据，并将数据输入到整车控制器；4)整 车控制器中所述控制芯片将所述发动机目标转速与所述发动机的实际转速做差，并将 得到的差值输入到第一PI控制器和第二PI控制器中进行运算；同时，整车控制器中 所述控制芯片将所述能量存储系统的目标SOC与所述能量存储系统的实际SOC做差， 得到的差值输入到第三PI控制器和第四PI控制器中进行运算；5)整车控制器中所述 控制芯片将两所述油泵P1、P2的压力数据和所述发动机的实际转速数据输入到前馈查 表，查得在当前工作负载条件下对应的所述发动机的油门数值，作为所述发动机油门 命令的前馈值输出；6)整车控制器中所述控制芯片将所述第一PI控制器、所述第四 PI控制器和所述前馈查表的前馈输出值相加，得到所述发动机油门命令，通过所述模 拟量输出端口输出到所述发动机；整车控制器将所述第二PI控制器和所述第三PI控 制器输出值相加，得到所述启动发电一体机的转矩命令，并通过所述CAN通信端口输 出到所述启动发电一体机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用对发动机转 速和能量存储系统SOC(电量)的双重闭环控制，稳定了发动机的转速与转矩，且使 得能量存储系统的SOC在可控范围内变化。2、本发明由于在闭环控制中采用了反馈 PI+前馈的控制手段，弥补了发动机的油门响应慢于启动发电一体机的转矩响应的缺点， 实现了整个动力系统对负载变化的快速响应，保证了挖掘机的工作效率。3、本发明由 于在闭环控制中采用了PI控制器的形式，使得控制方法具有快速性，准确性和稳定性。 4、本发明基于并联式混合动力构型设计，在该构型基础上没有增加任何其他硬件，在 实现有效性的同时具有成本空间优势。因而本发明可以广泛应用于小型工程机械领域。

附图说明

图1是本发明使用的动力设备示意图

图2是本发明耦合控制方法原理框图

图3是本发明方法控制图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为了提高发动机转速闭环控制的快速性，本发明整车控制器采用反馈PI+前馈控 制手段，构建对发动机1转速和能量存储系统10的SOC(电量)的双闭环耦合控制方 法，根据负载的变化对发动机1油门命令进行非线性补偿。

如图1所示，本发明方法使用的动力系统设备包括一发动机1，发动机1的输出 端依次同轴并联一启动发电一体机(ISG，以下简称一体机)2和两油泵P1、P2；两油 泵P1、P2通过分配控制阀3连接一动臂动作缸4、一斗杆动作缸5、一铲斗动作缸6、 一推土铲动作缸7、一左行走马达8和一右行走马达9；且油泵P1用于为动臂动作缸 4、铲斗动作缸6提供高压液压油，油泵P2用于为斗杆动作缸5、推土铲动作缸7、左 行走马达8和右行走马达9提供高压液压油。

本发明方法使用的动力系统设备还包括能量存储系统10，能量存储系统10通过 ISG控制器11将直流电转换为三相交流电后为一体机2供电；同时，能量存储系统10 还通过回转电机控制器12将直流电转换为三相交流电后为回转电机13供电。回转电 机13通过一减速器14连接回转平台(图中未示出)。

如图2、图3所示，本发明整车控制器中包括模拟量输入端口15、模拟量输出端 口16、CAN通信端口17及控制芯片18。在控制芯片18中设计四个PI控制程序构成 PI控制器19，且四个PI控制器除P、I参数不同外，其他均相同。P、I参数是根据 所使用的动力设备构型的具体参数而定。PI控制器为已有技术，在此不再赘述。同时， 控制芯片18中设置有前馈查表20，存储不同负载条件下对应发动机1的油门数值。 发动机1的实际转速和能量存储系统10的实际SOC通过CAN通信端口17输入到整车 控制器中，同时，油泵P1、P2的压力和转速数据通过模拟量输入端口15输入到整车 控制器作为前馈环节，经整车控制器中控制芯片18运算后，将发动机1油门命令通过 模拟量输出端口16输入到动力系统中的发动机1，一体机2转矩命令通过CAN通信端 口17输入到动力系统中的一体机2。

本发明一种并联式混合动力挖掘机的耦合控制方法，包括以下步骤：

1)采用上述动力设备，驾驶员根据当前作业强度设置发动机1的目标转速，并通 过模拟量输入端口15输入到整车控制器中；能量存储系统10的目标SOC由整车控制 器中控制芯片18预设。

2)模拟量输入端口15采集油泵P1、P2的压力数据，并将数据输入到整车控制器； CAN通信端口采集当前发动机1的实际转速和能量存储系统10的实际SOC数据，并将 数据输入到整车控制器。

3)整车控制器中控制芯片18将发动机1目标转速与发动机1的实际转速做差， 并将得到的差值输入到第一PI控制器191和第二PI控制器192中进行运算；同时， 整车控制器中控制芯片18将能量存储系统10的目标SOC与能量存储系统10的实际 SOC做差，得到的差值输入到第三PI控制器193和第四PI控制器194中进行运算。

4)整车控制器中控制芯片18将油泵P1、P2的压力数据和发动机1实际转速数据 (也即油泵的转速数据)输入到前馈查表，查得在当前工作负载条件下对应的发动机 1的油门数值，作为发动机1油门命令的前馈值输出。

5)整车控制器中控制芯片将第一PI控制器191、第四PI控制器194和前馈查表 的前馈输出值相加，得到发动机1油门命令，通过模拟量输出端口16输出到发动机1； 整车控制器将第二PI控制器192和第三PI控制器193的输出值相加，得到一体机2 转矩命令，并通过CAN通信端口17输出到一体机2。一体机2对油泵P1、P2的转矩 需求进行“削峰填谷”，从而实现发动机1转矩和转速的稳定。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。