專利名稱：混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合動力液壓挖掘機的瞬時增力控制方法。
背景技術(shù)：
隨著全球環(huán)境、能源問題日益突出，節(jié)能減排技術(shù)是目前研究的熱點，而挖掘機的發(fā)動機功率利用率只有約20 %，并且載荷頻繁波動使發(fā)動機排放變差，油電混合動力技術(shù)是當前研究的熱點，通過電動機對載荷削峰填谷，使發(fā)動機工作點穩(wěn)定在高效區(qū)。傳統(tǒng)液壓挖掘機在經(jīng)濟模式和重載模式下，工作過程中經(jīng)常需要持續(xù)輸出最大功率一段時間(通常幾秒鐘)以滿足強烈挖掘要求，常用的瞬時增力控制方法是瞬時增力開關(guān)被按下后，系統(tǒng)安全閥的設(shè)定壓力提高到最高設(shè)定壓力，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高到最大允許值，同時變量泵的比例閥電流值設(shè)定到最大?；旌蟿恿ν诰驒C同樣也需要瞬時增力功能，但是并聯(lián)式混合動力挖掘機發(fā)動機功率通常小于液壓系統(tǒng)所需最大功率，所以瞬時增力工況下，電動發(fā)電機工作在電動模式，和發(fā)動機一起驅(qū)動液壓泵做功來補充發(fā)動機功率的不足， 但是如何充分發(fā)揮發(fā)動機的極限功率以滿足強烈挖掘工況的要求，同時還要防止發(fā)動機熄火；并且當電容向電機供電對外做功后如何維持電容電壓平衡，整個這個過程需要一套完善的瞬時增力控制方法來保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，在混合動力挖掘機瞬時增力工況下，當系統(tǒng)所需功率大于發(fā)動機額定功率時，該方法能充分利用發(fā)動機的極限功率，同時防止發(fā)動機熄火并維持超級電容電壓平衡。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法， 包括以下步驟1)、設(shè)定增力時間、增力最小間隔時間、發(fā)動機目標負荷率、變量泵的比例閥電流值、發(fā)動機增力轉(zhuǎn)速和安全閥壓力；2)、通過檢測增力開關(guān)狀態(tài)和瞬時增力間隔時間定時器，判斷挖掘機是否允許啟動瞬時增力功能當增力開關(guān)被按下且瞬時增力間隔時間定時器的值大于所設(shè)定的增力最小間隔時間，允許啟動瞬時增力功能，進入步驟3)；反之，則禁止啟動瞬時增力功能，并退出瞬時增力控制程序；3)、瞬時增力時間定時器開始計時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下的轉(zhuǎn)速，比例閥電流值調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下變量泵的比例閥電流，系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下的安全閥壓力；并記錄超級電容當前電壓；4)、檢測發(fā)動機實際負荷率；5)、比較發(fā)動機實際負荷率和目標負荷率，當發(fā)動機實際負荷率大于發(fā)動機目標負荷率，則電動發(fā)電機工作在電動狀態(tài)，電機目標扭矩為(發(fā)動機實際負荷率-發(fā)動機目標負荷率)χ發(fā)動機最大扭矩；否則電機目標扭矩為ONm 6)、檢測瞬時增力時間定時器，判斷增力時間是否到達；當增力時間結(jié)束，則瞬時增力間隔時間定時器開始計時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值、系統(tǒng)安全閥壓力都恢復(fù)為瞬時增力工況前的設(shè)定值，并記下超級電容當前電壓；否則轉(zhuǎn)至4)；7)、計算電機發(fā)電扭矩；8)、電機按步驟7)所得的發(fā)電扭矩向電容充電；9)、檢測瞬時增力間隔時間定時器的值，判斷是否到達增力最小間隔時間，當增力間隔時間定時器的值沒有到達最小間隔時間，則轉(zhuǎn)至8)，否則轉(zhuǎn)至10)；10)、電機發(fā)電扭矩設(shè)為ONm。作為本發(fā)明的混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法的改進步驟7)的計算電機發(fā)電扭矩具體為每次瞬時增力功能結(jié)束后，在增力間隔時間內(nèi)電機工作在發(fā)電模式向超
U2-IJ2
級電容充電，發(fā)電扭矩為T7=C^——C為超級電容電容值，U1S瞬時增力功能啟動時
Zxtxn0 χη'
超級電容的電壓，U2為瞬時增力功能結(jié)束時超級電容的電壓，η(ι為發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速，η為電機系統(tǒng)的效率，t為瞬時增力間隔時間。作為本發(fā)明的混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法的進一步改進混合動力挖掘機是噸位為13 40噸的中型混合動力挖掘機，持續(xù)增力時間為8 10s，增力間隔時間4 6s，發(fā)動機目標負荷率95%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值和系統(tǒng)安全閥都設(shè)定為最大值(即銘牌上標注的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值和系統(tǒng)安全閥的上限值)。對混合動力挖掘機作如下常規(guī)性說明混合動力挖掘機有正常挖掘、瞬時增力工況等等功能，挖掘機正常挖掘工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變量泵的比例閥電流、系統(tǒng)安全閥壓力等有一組設(shè)定值；在瞬時增力工況下，為了增加挖掘機的挖掘力，所以要增加以上各項參數(shù)設(shè)定值(即設(shè)定增力時間、增力最小間隔時間、發(fā)動機目標負荷率、變量泵的比例閥電流值、 發(fā)動機增力轉(zhuǎn)速和安全閥壓力)，因此在瞬時增力工況下有另一組對應(yīng)的設(shè)定值，并且增力工況下的設(shè)定值都比正常挖掘工況下的設(shè)定值大。本發(fā)明的混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，能使混合動力挖掘機在瞬時增力工況下充分利用發(fā)動機功率，同時防止發(fā)動機熄火，并維持超級電容電壓平衡。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、在瞬時增力工況下，當系統(tǒng)所需功率大于發(fā)動機額定功率時，能充分利用發(fā)動機極限功率，剩余所需功率由電機補充，一方面能滿足挖掘機強烈挖掘時的功率需求，另一方面使發(fā)動機始終工作在高效區(qū)；2、通過實時檢測發(fā)動機的負荷，并通過電機來補償發(fā)動機不足的功率，能有效防止發(fā)動機過載熄火；3、在瞬時增力間隔時間內(nèi)電機工作在發(fā)電模式，對超級電容充電以維持電容電壓平衡。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。圖1是混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法流程圖2是發(fā)動機萬有特性曲線圖；圖3是變量泵在最大功率下扭矩與出口壓力之間的關(guān)系圖。圖4是表示瞬時增力工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、電機扭矩、電容電壓等參量的變化情況示意圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例1、圖1和圖2結(jié)合給出了一種混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，該混合動力挖掘機中發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2000rpm，額定功率115kw ；電動發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 2000rpm，額定功率60kw ；比例閥是用來調(diào)節(jié)恒功率變量泵的功率，比例閥的不同調(diào)節(jié)電流值對應(yīng)了變量泵的不同功率，比例閥電流取值范圍0 635mA，對應(yīng)變量泵的功率范圍 60kw 125kw ；系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力分為兩檔，正常工作時，31. 4MPa，瞬時增力時，壓力為 34. 3MPa。依次進行以下步驟1)、設(shè)定增力時間10s、增力間隔時間6s、發(fā)動機目標負荷率95%、變量泵的比例閥電流設(shè)為635mA、發(fā)動機增力轉(zhuǎn)速設(shè)為最大轉(zhuǎn)速2000rpm、安全閥壓力設(shè)為最高壓力 34. 3Mpa ；2)、通過檢測增力開關(guān)狀態(tài)和增力間隔時間，判斷挖掘機是否允許啟動瞬時增力功能當增力開關(guān)被按下且瞬時增力間隔時間定時器的值大于所設(shè)定的增力最小間隔時間時，允許啟動瞬時增力功能，進入步驟3)；反之，則禁止啟動瞬時增力功能，并退出瞬時增力控制程序。說明瞬時增力功能的啟動是由挖掘機司機操作，當司機按下瞬時增力按鈕該功能就開始啟動(除了需要司機按下按鈕之外，還有增力間隔時間的要求)，并且該功能持續(xù)的時間是有限制的，不能無限長，所以在該功能啟動時，就有個“瞬時增力定時器”開始計時，當定時時間到了，該功能就自動解除，并且下次重新啟動該功能距離上次結(jié)束之間的時間間隔必須大于一定的值，所以當該功能本次使用結(jié)束的時刻，有個“瞬時增力間隔時間定時器”開始計時，當司機重新再按瞬時增力按鈕時，檢測“瞬時增力間隔時間定時器”的計時值，當計時大于增力最小間隔時間時允許再次啟動該功能，否則不允許啟動。一次增力功能結(jié)束后要對電容充電，充電扭矩按照下述步驟7)中的公式計算，充電時間為增力最小間隔時間。3)、瞬時增力時間定時器開始計時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值、系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力都調(diào)為相應(yīng)的增力工況設(shè)定值，即，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為2000rpm，變量泵的比例閥電流值調(diào)節(jié)為635mA，安全閥壓力調(diào)節(jié)為34. 3Mpa ；并記錄超級電容當前電壓(定義為U2)。說明瞬時增力時間定時器開始計時，是指從執(zhí)行本步驟的時刻開始，也就是說只要步驟2)的判斷結(jié)束，如果進入步驟3)執(zhí)行就開始計時。4)、檢測發(fā)動機實際負荷率；說明檢測發(fā)動機實際負荷率由發(fā)動機控制器直接完成，用戶只需要讀取控制器里這項參數(shù)即可，任何一家公司的電噴發(fā)動機控制器都有這個功能，此為常規(guī)技術(shù)。
5)、比較發(fā)動機實際負荷率和目標負荷率，當發(fā)動機實際負荷率大于發(fā)動機目標負荷率，則電機(電動發(fā)電機)工作在電動狀態(tài)，電機目標扭矩為(發(fā)動機實際負荷率-發(fā)動機目標負荷率)X發(fā)動機最大扭矩；否則電機目標扭矩為ONm。這樣的目的是保證發(fā)動始終在負荷率95%左右的區(qū)域工作，充分利用發(fā)動機的極限功率。6)、 檢測瞬時增力時間定時器，判斷增力時間是否到達當增力時間結(jié)束(即增力時間到達時)，則瞬時增力間隔時間定時器開始計時，則發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值、系統(tǒng)安全閥壓力都恢復(fù)為瞬時增力工況前的設(shè)定值，并記下超級電容當前電壓(定義為隊)；否則轉(zhuǎn)至4)；即增力時間尚未結(jié)束，轉(zhuǎn)至4)。說明上述恢復(fù)過程是自動的，完全是計算機程序控制的，只要符合“增力時間到達，，這個條件，計算機程序就恢復(fù)這些參數(shù)為瞬時增力工況前的設(shè)定值。
U2-JJ27)、計算電機發(fā)電扭矩，T=C^——C為超級電容的電容值，U1為瞬時增力
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功能啟動時超級電容的電壓，U2為瞬時增力功能結(jié)束時超級電容的電壓，％為發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速，n為電機系統(tǒng)的效率，t為瞬時增力間隔時間。說明C為電容的容量參數(shù)，對于選定的電容，這項參數(shù)是不變的，可從銘牌上直接獲得；％發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，發(fā)動機整個工作過程中都有傳感器檢測這項參數(shù)，并且發(fā)動機控制器會控制發(fā)動機一直維持在設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速上運行，所以具體發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，只要向發(fā)動機控制器讀取就好了，此為常規(guī)技術(shù)；η為電機系統(tǒng)效率，這個值由電機廠家提供； t就是增力間隔時間。8)、在增力時間間隔內(nèi)，電機按計算發(fā)電扭矩向電容充電；充電完畢退出瞬時增力功能。說明充電完畢是指從瞬時增力功能結(jié)束時刻起電機按公式計算的扭矩向電容充電，此時瞬時增力間隔定時器開始計時，計時時間到達最小間隔時間后停止向電容充電，這時候該定時器還要一直計時。電機停止向電容充電后馬上自動退出瞬時增力功能，不需要任何開關(guān)動作。SP，具體如下9)、檢測瞬時增力間隔時間定時器的值，判斷是否到達增力最小間隔時間，當增力間隔時間定時器的值沒有到達最小間隔時間，則轉(zhuǎn)至8)，否則轉(zhuǎn)至10)；10)、電機發(fā)電扭矩設(shè)為ONm。應(yīng)用實例1 —種混合動力液壓挖掘機的瞬時控制方法，瞬時增力工況前，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 1800rpm，在實施例1中液壓泵比例閥電流值為635mA，此時泵處于恒功率工況下，所需驅(qū)動扭矩和其出口壓力之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，在泵出口壓力大于16MPa時，所對應(yīng)的驅(qū)動扭矩588Nm，再加上發(fā)動機對附件驅(qū)動扭矩，則系統(tǒng)所需扭矩超過了圖2所示的發(fā)動機在最大轉(zhuǎn)速時的最大扭矩 565Nm。圖2為應(yīng)用實例1中的發(fā)動機的萬有特性曲線圖，橫坐標為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，縱坐標為發(fā)動機的負載扭矩，圖中每一點表示了發(fā)動機的一個工況點。圖中11條線中有10條上表明了數(shù)字，1條沒有標數(shù)字，沒標數(shù)字的曲線稱為發(fā)動機外特性曲線，該條曲線表明了發(fā)動機的工作能力和工況點的縱向范圍，即發(fā)動機的載荷如果超過了外特性曲線則發(fā)動機要熄火；另外標了數(shù)字的10條曲線是發(fā)動機的等油耗線，每條線上的數(shù)字是發(fā)動機的燃油消耗率，單位為g/kw.h，反映了發(fā)動機的效率，數(shù)字越大，效率越低。發(fā)動機有無數(shù)個工況點，每個工況點都有效率，把效率相同的工況點連起來就構(gòu)成了等油耗線，即該線上的各點效率相同。圖中A點為發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000rpm時，負荷率為95%的位置，該點接近發(fā)動機極限功率，并且該點的效率較高。圖4為瞬時增力工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、電機扭矩、超級電容電壓變化過程。

通過本發(fā)明所述控制方法，在瞬時增力工況下，控制發(fā)動機的輸出扭矩始終在 560Nm左右，也就是圖2的A點附近，一方面使發(fā)動機工作最大功率處，充分利用發(fā)動機功率，另一方面發(fā)動機的效率較高。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，其特征是包括以下步驟1)、設(shè)定增力時間、增力最小間隔時間、發(fā)動機目標負荷率、變量泵的比例閥電流值、發(fā)動機增力轉(zhuǎn)速和安全閥壓力；2)、通過檢測增力開關(guān)狀態(tài)和瞬時增力間隔時間定時器，判斷挖掘機是否允許啟動瞬時增力功能 當增力開關(guān)被按下且瞬時增力間隔時間定時器的值大于所設(shè)定的增力最小間隔時間， 允許啟動瞬時增力功能，進入步驟3)；反之，則禁止啟動瞬時增力功能，并退出瞬時增力控制程序；3)、瞬時增力時間定時器開始計時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下的轉(zhuǎn)速， 比例閥電流值調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下變量泵的比例閥電流，系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力調(diào)節(jié)為設(shè)定的瞬時增力工況下的安全閥壓力；并記錄超級電容當前電壓；4)、檢測發(fā)動機實際負荷率；5)、比較發(fā)動機實際負荷率和目標負荷率，當發(fā)動機實際負荷率大于發(fā)動機目標負荷率，則電動發(fā)電機工作在電動狀態(tài)，電機目標扭矩為(發(fā)動機實際負荷率-發(fā)動機目標負荷率)X發(fā)動機最大扭矩；否則電機目標扭矩為ONm;6)、檢測瞬時增力時間定時器，判斷增力時間是否到達；當增力時間結(jié)束，則瞬時增力間隔時間定時器開始計時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值、系統(tǒng)安全閥壓力都恢復(fù)為瞬時增力工況前的設(shè)定值，并記下超級電容當前電壓；否則轉(zhuǎn)至4)；7)、計算電機發(fā)電扭矩；8)、電機按步驟7)所得的發(fā)電扭矩向電容充電；9)、檢測瞬時增力間隔時間定時器的值，判斷是否到達增力最小間隔時間，當增力間隔時間定時器的值沒有到達最小間隔時間，則轉(zhuǎn)至8)，否則轉(zhuǎn)至10)；10)、電機發(fā)電扭矩設(shè)為ONm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，其特征是每次瞬時增力功能結(jié)束后，在增力間隔時間內(nèi)電機工作在發(fā)電模式向超級電容充電，發(fā)電扭矩為U2-JJ2T^c」——c為超級電容電容值，U1為瞬時增力功能啟動時超級電容的電壓，U2為瞬 Zxtxn0 χη'時增力功能結(jié)束時超級電容的電壓，％為發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速，η為電機系統(tǒng)的效率，t為瞬時增力間隔時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，其特征在于所述混合動力挖掘機是噸位為13 40噸的中型混合動力挖掘機，持續(xù)增力時間為8 10s， 增力間隔時間4 6s，發(fā)動機目標負荷率95%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比例閥電流值和系統(tǒng)安全閥都設(shè)定為最大值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合動力挖掘機的瞬時增力控制方法，包括以下步驟1)、設(shè)定增力時間等；2)、通過檢測增力開關(guān)狀態(tài)和瞬時增力間隔時間定時器，判斷挖掘機是否允許啟動瞬時增力功能；3)、記錄超級電容當前電壓；4)、檢測發(fā)動機實際負荷率；5)、比較發(fā)動機實際負荷率和目標負荷率；6)、檢測瞬時增力時間定時器，判斷增力時間是否到達；7)、計算電機發(fā)電扭矩；8)、電機向電容充電；9)、檢測瞬時增力間隔時間定時器的值，判斷是否到達增力最小間隔時間；10)、電機發(fā)電扭矩設(shè)為0Nm。本發(fā)明的方法能充分利用發(fā)動機的極限功率，同時防止發(fā)動機熄火并維持超級電容電壓平衡。
文檔編號E02F9/22GK102383455SQ20111023483
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者姚洪, 王慶豐 申請人:浙江大學(xué)