混联式混合动力挖掘机能量管理与总成协调控制方法

摘要

一种混联式混合动力挖掘机能量管理与总成协调控制方法，其特点是采集液压泵的电控信号，泵口压力和负流量反馈压力，泵电控信号的信息，将采集到的数据送到整机控制器中的功率计算模块中计算挖掘机当前功率需求；在整机控制器中的功率协调模块中根据功率需求应用最小助力的控制算法分配发动机、电机的功率输出。其优点是能根据混联混合动力挖掘机的实际作业状态，对混合动力驱动系统进行能量管理和各总成的协调控制，实现最佳的能量分配，解决由于车辆驱动系统混合动力化所带来的驱动系统复杂程度提高和结构变化等一系列问题，最大限度地提高整车的燃油经济性、降低发动机的废气排放，使整个驱动系统可靠而有效地工作，获得整车运行的最佳性能。

说明书

技术领域

本发明是涉及一种混合动力工程机械驱动系统控制领域，适用于采用混联式动力驱动系统的混合动力挖掘机，具体说是一种混联式混合动力挖掘机能量管理与总成协调控制方法。

背景技术

21世纪的今天，能源与环境问题日益成为人类生存与持续发展所必须面对的严峻问题。混合动力技术已经在多个领域被应用，并取得了良好的节能环保效果。随着混合动力技术的日益成熟，混合动力挖掘机以其低能耗、低排放和可行性强等诸多优点，已经成为未来工程机械的发展方向和研究热点。

混合动力挖掘机，是将电力驱动系统与辅助动力单元组合安装到挖掘机上，通过能量管理控制方法将传统内燃发动机与电机和储能装置有机地整合成为混合动力系统。混合动力挖掘机整机能量管理方法根据实际工作状态，利用混合动力挖掘机降低发动机功率，消除发动机怠速、控制发动机工作区域和回转制动能量回收的节能机理，对整个混合动力驱动系统进行合理控制，实现驾驶员对驱动系统的功率需求在各总成之间的合理分配，最大限度地提高挖掘机的燃油经济性，并降低发动机的废气排放。

混联式混合动力挖掘机将三套驱动系统(超级电容－回转电机，超级电容－电机和内燃机)安装于原本只安装一套驱动系统的挖掘机上，这大大增加了驱动系统结构的复杂程度，以及进行整机控制与故障诊断的难度。为了使混合动力驱动系统能够合理地根据挖掘机实际工作情况，在满足动力性能要求的前提下，尽可能地提高燃油经济性，并保证作业的安全性及可靠性，整机能量管理控制方法的研究已经成为混合动力挖掘机研究的关键。

目前，已经有一些国内研究机构和高等院校开始对混合动力挖掘机的控制算法以及能量回收的研究，并提出了一些相关的申请，但其中的大多数均是关于局部方面的分析和设计，例如申请号为200810059146.8《并联式混合动力挖掘机的控制算法》的发明申请专利，其权利要求主要是基于多工作点工况自识别方法，根据发动机万有特性曲线引入了4个高效工作点，分别满足液压挖掘机在待机、轻载、中载以及重载工况下节能的控制要求，通过超级电容组荷电状态滞环比较法和工况自识别方法进行工作点切换；申请号为200820210842.X《一种混合动力挖掘机动臂势能回收装置》的发明申请专利，其权利要求主要是基于液压缸、油箱、储能器、马达、发电机和储能装置的组合，通过蓄能器的储能作用改变了液压油用于发电的工作时间，给势能回收提供了缓冲。

这些专利的申请内容对于结构更加复杂，更多工作方式的混联式混合动力挖掘机是远远不够的，因为混合动力挖掘机整机控制方法不仅要能够进行能量管理、回收工作装置及回转部分的能量，而且要能够协调整个混合动力驱动系统各总成的工作，克服由于驱动系统混合动力化所带来的一系列问题，保证整机系统可靠有效地工作，获得整机运行的最佳燃油经济性和排放性能。

发明内容

本发明的目的在于根据混联式混合动力挖掘机的工作特性，提供一种能保证整个驱动系统可靠有效地工作，使挖掘机获得最佳燃油经济性和排放性能的混联式混合动力挖掘机能量管理与总成协调控制方法。

本发明的解决方案是这样的：在混联式混合动力挖掘机中，采用CAN总线控制方式进行控制，在CAN总线上连接有整机控制器、发动机控制器、泵控制器、回转电机控制器、主电机控制器和超级电容；所述的整机控制器，在整机控制器与车载电源之间连接有钥匙，对总成进行协调控制方法的核心为：

（1）、采集液压泵的电控信号，泵口压力和负流量反馈压力，泵电控信号的信息，将采集到的数据送到整机控制器中的功率计算模块中计算挖掘机当前功率需求；

（2）、在整机控制器中的功率协调模块中根据功率需求应用最小助力的控制算法分配发动机、电机的功率输出。

功率协调模块计算得到的功率需求采用最小助力控制策略，针对高效工作区间较大的柴油发动机，尽量由发动机单独驱动液压泵，仅在发动机功率不足驱动液压系统时由电机助力共同驱动;在发动机功率充足时，电机反向拖动为电容充电，充电功率通过自适应的电量平衡算法确定。

所述的功率计算模块采集到的液压泵转速n_p，泵1、泵2输出口压力P₁、P₂，负流量反馈压力P_i1、P_i2，泵电控信号的信息对泵的功率进行计算。得到泵组功率为：

P_p= P₁×Q₁+ P₂×Q₂+P^’

其中Q₁为泵1的流量，Q₂为泵2的流量，先导泵功率P^’为定值；进一步估算对发动机的功率需求。挖掘机需求功率P_r可通过如下公式估算：P_r= P_p/η，其中η为机械传动效率。

在所述的功率协调模块中，在发动机当前最大功率P_emax小于泵功率需求时设置为：

P_r>P_emax          P_e= P_emax           L_e = 100%    

             P_m= P_r- P_emax        T_m = P_m/n

其中L_e为发动机负荷率，P_m为电机功率，T_m为电机扭矩，P_r为挖掘机需求功率，P_e为发动机功率，n为电机工作转速。

在发动机当前最大功率大于泵功率需求时设置为：

   P_r<P_emax          P_e= P_r+ P_m          L_e = P_e /P_emax   

                  P_m通过电量平衡自适应控制算法来计算。

围绕上述控制方法的核心，本发明还可采用如下控制方法：

1、采集驾驶员手柄的信号、回转电机所能提供的回转扭矩、超级电容的信息，将收集到的数据送到回转及再生制动模块，与整机控制器协调控制，如果回转电机的转速小于回转的目标转速，控制回转电机进入电机驱动状态；如果电机的转速大于回转的目标转速，则控制回转电机进入电机制动状态。

2、采集发动机信号，将收集到的数据送到发动机怠速停机主动控制模块(40)，在发动机怠速停机主动控制模块(40)内设置有：

（1）、若发动机并未启动且并未收到发动机启动信号，则进入停止发动机消除怠速模式；

（2）、在发动机已经启动的情况下，若驾驶员停止操作达到设定的时间，则进入停止发动机消除怠速模式；

（3）、若驾驶员并未停止操作达到设定的时间，则采集液压泵口压力P₁、P₂负流量回油压力P_i1、P_i2液压泵电控信号Psv，估算泵负载需求功率。如果P_r<P_emax且SOC<SOC_high则进入电机充电模式（电量平衡自适应算法计算P_m，Le=（Pr+Pm）/Pe）；若P_r<P_emax且SOC>SOC_high,则进入发动机单独驱动模式（L_e=100%）。如果P_r>P_emax且SOC>SOC_high则进入电机助力模式(L_e=100%,P_m=P_r-P_e)。

3、采集发动机信号，监测发动机是否启动，若发动机并没有启动，采集发动机启动信号；若有发动机启动指令则由电机助力启动发动机模块启动电机助力启动发动机模式。

本发明的积极效果在于能根据混联混合动力挖掘机的实际作业状态，对混合动力驱动系统进行能量管理和各总成的协调控制，实现整个混合动力驱动系统各总成之间最佳的能量分配，同时解决由于车辆驱动系统混合动力化所带来的驱动系统复杂程度提高和结构变化等一系列问题，最大限度地提高整车的燃油经济性、降低发动机的废气排放，并使整个驱动系统可靠而有效地工作，获得整车运行的最佳性能。

附图说明

附图1为混联式混合动力挖掘机整车能量管理与总成协调控制系统示意图。

附图2为混联式挖掘机动力系统结构示意图。

附图3为混联式挖掘机整机控制算法流程图。

附图4 为电量平衡自适应控制算法示意图。

附图5为回转与再生制动流程图。

具体实施方式

本发明采用CAN总线控制方式进行控制，在CAN总线上连接有整机控制器16、发动机控制器3、泵控制器7、回转电机控制器11、主电机控制器15和超级电容41；所述的整机控制器16，在整机控制器16与车载电源17之间连接有钥匙18。

在上述系统组成中，根据混合动力挖掘机的工作状况，分别控制算法进入整机上电自检与故障诊断控制模块、整机状态信息处理与显示模块、电机助力启动发动机模块、功率计算模块、功率协调模块、回转及再生制动模块和发动机怠速停机主动控制模块，以控制混合动力驱动系统的能量分配和系统各总成的协调运行。

整机上电自检与故障诊断控制模块34包括整机上电自检和工作故障诊断控制步骤。该控制模块是在驾驶员打开钥匙门18整机上电和混合动力挖掘机工作过程中，根据驱动系统各总成上传的状态和故障信息，对驱动系统进行故障诊断，保证各总成和操作人员的安全。

整机状态信息处理与显示模块35是根据整机控制器16通过CAN（控制器局域网）总线12采集的混合动力驱动系统各总成的状态信息，实时分析处理工作的状态信息，并将发动机与电机的工作点、整机行驶实时油耗、超级电容状态(SOC、电流、电压和温度等)和电机状态等信息发送到仪表板上的CAN仪表上，使操作人员能实时掌握整机的运行状态。

电机助力启动发动机模式是在整机上电自检之后，监测发动机是否启动，若发动机并没有启动，采集发动机启动信号，若有发动机启动指令则进入电机助力启动发动机模式。

功率计算模块在混合动力挖掘机工作过程中，根据采集到的泵输出口压力，负流量反馈压力，泵电控信号的信息对泵的功率进行计算，进一步估算对发动机的功率需求。将功率需求作为功率协调模块进行功率分配的重要依据。

功率协调模块是采用最小助力控制策略，针对高效工作区间较大的柴油发动机，尽量由发动机单独驱动液压泵，仅在发动机功率不足驱动液压系统时由电机助力。在发动机功率充足时，电机反向拖动为电容充电，充电功率通过自适应的电量平衡算法确定。

回转及再生制动模块在混合动力挖掘机回转过程中，根据采集到的驾驶员手柄的信号、回转电机所能提供的回转扭矩、超级电容的信息，与整机控制器协调控制，最大限度的回收回转制动时的能量。因回转电机所提供的制动力完全满足制动要求，因此完全由回转电机进行再生制动。回转电机主要由超级电容供电，利用电机迅速响应的特点可以快速的在加速启动模式和再生制动模式之间进行切换。

发动机怠速停机主动控制模块40是使驾驶员在停止操作等待时，可以根据需要等待的时间判断是否需要关闭发动机。如果需要停止时间较长，控制算法进行分析和计算，延时一定时间后，发动机自动关闭，可以达到消除发动机怠速，节省燃油和降低排放的目的。这种可控的发动机怠速停机控制逻辑可以在不改变驾驶员操作习惯的基础上，达到消除发动机怠速的效果。

控制算法模块                                                中各模块的具体说明：

整机上电自检与故障诊断控制模块34包括整机上电自检和工作故障诊断控制步骤，对混合动力挖掘机进行整机上电自检和工作故障诊断控制：

整机上电自检控制步骤对挖掘机工作前的上电过程进行故障诊断与控制。由于混合动力挖掘机上存在最高电压为420V的高压电，必须严格保证车上操作人员和挖掘机的安全。混合动力挖掘机工作前，驾驶员打开钥匙门18，整机控制器16上电运行，自检正常后，控制算法进入整机上电自检控制逻辑。整机控制器16采集发动机控制单元3发送到CAN总线12上的状态信息，对存在的故障进行相应的处理。例如，如果超级电容控制单元存在绝缘或漏电故障的信息，控制逻辑将控制电容高压继电器开关断开，不对电机进行供电。整机上电自检控制步骤将控制挖掘机由发动机提供单独提供驾驶员所需求的驱动功率；然后，整机上电自检控制逻辑控制超级电容高压继电器开关对回转电机控制器11、主电机控制器15短时间供电，使回转电机控制器11、主电机控制器15能够对电机及本身的状态进行自检并上传状态信息，以判断电机目前是否能够进行正常的工作，以决定是否应该由超级电容对电机供电。如果电机存在故障，整车上电自检控制步骤也将控制挖掘机由发动机单独提供驾驶员所需求的驱动功率。通过上电自检后，控制算法进入电机助力启动发动机模块36。

工作故障诊断控制步骤对机械工作过程中可能发生的故障进行诊断与控制。在混合动力挖掘机行驶过程中，工作故障诊断控制步骤根据各总成实时上传的状态和故障信息，进行工作过程中的实时故障诊断，根据所发生故障的严重程度，对发生的故障进行实时处理，保证整机工作安全。例如：1.当电动驱动部分发生严重故障时，工作故障诊断逻辑将控制挖掘机进入单独驱动工作模式，使挖掘机能够以较低的功率输出继续工作；2.当电动驱动部分的电机或超级电容由于温度或电压的原因而无法达到额定性能时，工作故障诊断逻辑将根据电容控制单元41和回转电机控制器11、主电机控制器15上传的状态信息，对电机的电动或发电功率进行限制，以保证总成的安全和使用寿命；

整车状态信息处理与显示模块35是根据整机控制器16通过CAN总线12采集的混合动力驱动系统各总成的状态信息，实时分析处理工作的状态信息，并将发动机与电机的工作点、整车行驶实时油耗、超级电容状态(SOC、电流、电压和温度等)和电机状态等信息发送到仪表板上的CAN仪表上，使操作人员能实时掌握整车的运行状态;

电机助力启动发动机模块36是在整车上电自检之后，监测发动机判断发动机是否启动，若发动机并没有启动，采集发动机启动信号，若有发动机启动指令则启动电机助力启动发动机模式。

功率计算模块37是混合动力挖掘机与传统挖掘机的一项重要不同之处，传统挖掘机主要采用全功率控制，负流量反馈，泵电控等技术来匹配发动机功率和液压泵功率。混合动力挖掘机与传统挖掘机不同在于增加了动力源，如果适当的分配各动力源之间的功率就必须掌握挖掘机的功率需求。本算法在混合动力挖掘机工作过程中，根据采集到的液压泵转速n_p泵输出口压力P₁、P₂，负流量反馈压力P_i1、P_i2，泵电控信号的信息对泵的功率进行计算。得到泵组功率为：

P_p= P₁×Q₁+ P₂×Q₂+P^’

其中Q₁为泵1的流量，Q₂为泵2的流量，先导泵功率P^’为定值。

进一步估算对挖掘机的功率需求。挖掘机需求功率P_r可通过如下公式估算：P_r= P_p/η，其中η为机械传动效率。

功率协调模块38是采用最小助力控制策略，针对高效工作区间较大的柴油发动机，尽量由发动机单独驱动液压泵，仅在发动机功率不足驱动液压系统时由电机助力。在发动机功率充足时，电机反向拖动为电容充电，充电功率通过电量平衡自适应算法确定。

在发动机当前最大功率P_emax小于泵功率需求时有：

P_r>P_emax          P_e= P_emax           L_e = 100%    

             P_m= P_r- P_emax        T_m = P_m/n

其中L_e为发动机负荷率，P_m为电机功率，T_m为电机扭矩，n为电机转速。

在发动机当前最大功率大于泵功率需求时有：

   P_r<P_emax          P_e= P_r+ P_m          L_e = P_e /P_emax  

 P_m通过电量平衡自适应控制算法来计算

电量平衡自适应控制算法：

混联式混合动力挖掘机其回转部分由回转电机驱动，此时由电容提供回转电机功率需求，虽然可以在减速制动时回收一部分能量但是回收部分能量相比消耗能量较少，此过程属于耗电过程，必须由主电机工作在充电模式为电容充电，以保证在下一个回转周期内，回转电机可正常工作。充电功率过小则无法保证电系统正常工作，过大则会造成能量二次转换降低动力系统效率。考虑到挖掘机的工作状况比较复杂，设计了一种电量平衡的自适应控制算法，以期在挖掘机稳定工作的一个或几个挖掘循环内计算出可以使一个周期内电量平衡的充电功率P_m。如图4所示具体算法如下：

       首先初选一个充电功率P_m0，P_m= P_m0

      比较一个采样周期T内的SOC变化如图中A点—B点，SOC下降说明充电功率偏低，应提高充电功率，调整充电功率P_m= ΔP +P_m0，反之如果SOC上升则降低充电功率；（其中ΔP为功率增加量）。 

当电容SOC到达上限SOC_high ,或者下限SOC_low时，如图中C点、 D点充电功率P_m率相应减小或增大。 

回转及再生制动模块39在混合动力挖掘机回转过程中，根据采集到的驾驶员手柄的信号、回转电机所能提供的回转扭矩、超级电容的信息，与整机控制器协调控制，最大限度的回收回转制动时的能量。因回转电机所提供的制动力完全满足制动要求，因此完全由回转电机进行再生制动。回转电机主要由超级电容供电，利用电机响应迅速的特性可以快速的在驱动模式和再生制动模式之间进行切换。

发动机怠速停机主动控制模块40 是使驾驶员在停止操作等待时，可以根据需要等待的时间判断是否需要关闭发动机。如果需要停止时间较长，控制算法进行分析和计算，延时一定时间后，发动机自动关闭，可以达到消除发动机怠速，节省燃油和降低排放的目的。这种可控的发动机怠速停机控制逻辑可以在不改变驾驶员操作习惯的基础上，达到消除发动机怠速的效果。

在本实施例中，驱动系统各总成之间的通讯部分中，如附图1所示， 整机控制器16与驱动系统各总成控制单元(包括：发动机控制单元3、泵控制单元7、主电机控制单元15、回转电机控制单元11等)通过CAN总线12构成混合动力挖掘机的车载网络系统。整车上电后，整机控制器16通过车载网络系统采集驱动系统各总成控制单元的状态信息，以及驾驶员的控制信息(发动机启动信号、回转动臂操纵手柄信号），为整车能量管理与总成协调控制方法根据工作的实际运行状态进行最佳控制提供依据。

整机控制器软件结构与整机控制器硬件电路（由21.SRAM数据存储器、22.Flash程序存储器、23.复位电路、24.时钟电路、25.供电电路、26.RS232串行通讯接口电路、 31.CAN总线接口电路、30.模拟输入输出电路、29.脉冲输入电路、28.数字输入输出电路和27.处理器组成）构成混合动力挖掘机整车控制系统整机控制器16。

整机控制器软件结构包括硬件底层驱动32、OSEKturbo OS实时操作系统33和控制算法模块。

硬件底层驱动32对整机控制器16硬件电路的硬件底层外设进行配置，例如：对CAN总线通讯端口的波特率、位定时、中断以及接受和发送报文的ID和数据位进行设置。此外，将整机控制器16硬件系统采集的整车状态信息赋值给控制算法模块相应的变量，另一方面，将控制算法模块输出的控制指令转化为相应的控制信号，发送给驱动系统各总成控制单元。

OSEK turbo OS实时操作系统33提供控制算法模块与硬件底层驱动32之间的接口，进行任务管理、资源管理和中断处理等项操作。

控制算法模块根据采集的信息，控制算法进入不同的控制模块(即：整车上电自检与故障诊断控制模块34、整车状态信息处理与显示模块35、电机助力启动发动机模块36、功率计算模块37、功率协调模块38、回转及再生制动模块39和发动机怠速停机主动控制模块40，以适应工作状态的不断变换并协调驱动系统各总成的运行，在保证工作动力性和安全性的前提下，达到提高燃油经济性和降低排放的目标。

在附图2所示的结构中，由发动机产生的能量经由主电动机分别传给泵控系统和电容系统，泵控系统提供的液压油经由先导阀组和主控阀组组成的阀控系统供给到执行机构（由斗杆液压缸、动臂液压缸和铲斗液压缸组成），电动回转系统所需的能量由电容系统提供，回转再生制动产生的能量也由电容系统进行回收。

在附图3所示的流程图中，整车上电自检控制步骤对车辆工作前的上电过程进行故障诊断与控制，混合动力挖掘机工作前，驾驶员打开钥匙门18，整机控制器16上电运行，自检正常后，控制算法进入整车上电自检控制逻辑。整机控制器16采集发动机控制单元3发送到CAN总线12上的状态信息，对存在的故障进行相应的处理。例如，如果超级电容控制单元存在绝缘或漏电故障的信息，控制逻辑将控制超级电容高压继电器开关断开，不对电机进行供电。整车上电自检控制步骤将控制由发动机提供单独提供驾驶员所需求的驱动功率；然后，整车上电自检控制逻辑控制超级电容高压继电器开关对回转电机控制器11、主电机控制器15短时间供电，使回转电机控制器11、主电机控制器15能够对电机及本身的状态进行自检并上传状态信息，以判断电机目前是否能够进行正常的工作，以决定是否应该由超级电容对电机供电。如果电机存在故障，整车上电自检控制步骤也将控制由发动机单独提供驾驶员所需求的驱动功率。

之后检测发动机信号，判断发动机是否启动，若发动机并未启动且收到了发动机启动信号则进入电机助力启动发动机模式；若发动机并未启动且并未收到发动机启动信号，则进入停止发动机消除怠速模式。在发动机已经启动的情况下，若驾驶员停止操作达到一定的时间，则进入停止发动机消除怠速模式；若驾驶员并未停止操作达到一定的时间，则采集液压泵口压力P₁、P₂负流量回油压力P_i1、P_i2液压泵电控信号Psv，估算泵负载需求功率。如果P_r<P_emax且SOC<SOC_high则进入电机充电模式（电量平衡自适应算法计算P_ch，Le=（Pr+Pch）/Pe）；若P_r<P_emax且SOC>SOC_high,则进入发动机单独驱动模式（L_e=100%）。如果P_r>P_emax且SOC>SOC_high则进入电机助力模式(L_e=100%,P_m=P_r-P_e)，如附图4所示。

在附图5所示的流程中，回转再生制动模块根据采集到的回转手柄信号，经由整机控制器计算出回转速度需求，如果回转电机的转速小于回转的目标转速，回转电机进入电机驱动状态；如果电机的转速大于回转的目标转速，则回转电机进入电机制动状态。

 

本实施例中所涉及的名称如下表：

.驱动系统各总成之间的通讯部分  .整机控制器硬件电路  . 整机控制器软件结构  .控制算法模块  1.发动机  2.发动机传感器  3.发动机控制器  4.执行机构  5.变量泵  6.液压系统传感器  7.泵控制器  8.比例减压阀  9.回转电机  10.回转电机传感器  11.回转电机控制器  12.CAN总线  13.主电动机  14.主电机传感器  15.主电机控制器  16.整机控制器  17.车载电源  18.钥匙门  19.发动机启动信号  20.回转、动臂操纵手柄  21.SRAM数据存储器  22.Flash程序存储器  23.复位电路  24.时钟电路  25.供电电路  26.RS232串行通讯接口电路  27.处理器 28.数字输入输出电路 29.脉冲输入电路30.模拟输入输出电路 31.CAN总线接口电路  32．硬件底层驱动  33．OSEK turbo OS实时操作系统  34.整车上电自检与故障诊断控制模块  35.整车状态信息处理与显示控制模块  36.电机助力启动发动机模块  37.功率计算模块  38.功率协调模块  39.回转及再生制动模块  40.发动机怠速停机主动控制模块  41.超级电容。