Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１４ 混合动力工程机械关键技术分析 赵园园，张丹，柯小毛，凌文文，杨西安静 （长安大学工程机械学院，陕西摘７１００６４） 要：简要分析了混合动力技术应用于工程机械领域时，存在关键技术问题。具体分析了不同混合动力类型的适用范 围、结构类型选择、系统参数匹配、可靠性、能量分配及控制策略、研究的难点等问题。并对混合动力工程机械的前景给予 充分肯定。 关键词：混合动力结构类型及应用；参教匹配；可靠性；控制策略 中图分类号：ＴＵ６０ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２０１ ４）０８—０２５４—０２ 当前，研究高效性、节能性、环保性的工程机械 ２混合动力结构类型选择 具有重要意义。混合动力技术在汽车领域的应用研 究取得了可观成果，这也为工程机械的节能研究提 混合动力的结构类型具体包括：串联混合动力 供了一个崭新的研究思路。工程机械在短时间内负 系统、并联混合动力系统、混联混合动力系统，而这 载冲击大，有强变、突变特点，与车辆相比，在工作模 三种结构的适用情况不尽相同。 式、系统布置、能量回收模式、控制策略及重要元件 串联混合动力系统，具体为由大功率柴油发电 等方面存在明显差异，所以，二者之间的关键技术差 机组带电机，该系统具有传动链短、结构简单、效率 别明显。其次，混合动力技术目前正处于研发阶段， 高等优点，在特大机型中电力传动形式应用较为普 初步投入使用。这决定了混合动力技术在工程机械 遍。但由于串联混合动力系统包含复杂的电控系统， 领域的应用，有一些关键技术亟待突破。本文指明了 在制造、维护成本较高，就决定了应用于中、小机型 具体的关键技术，指明了具体的突破方向，为混合动 时会增加成本，不具有经济性。并联混合动力系统可 力技术在工程机械领域的应用起到指引作用。 以在传统机型上进行少量改动即可实现，结构布置 和设计较为容易，而且对新部件开发的需求也较小， １ 混合动力类型及适用范围 适用于使用量庞大、应用广泛的中小吨位的机型。 混联混合动力形式则是串联和并联形式的综 通常将混合动力系统分为电动混合动力系统和 合，该系统增加了传动方案设计的灵活性，并且通常 液压混合动力系统。而根据储能装置的不同，电动混 包含有功率耦合机构。该传动形式的优点在于能够 合动力系统又可以细分为超级电容混合动力系统， 实现较为复杂的动力源组合和功率传递路线。但是，蓄电池混合动力系统和燃料电池混合动力系统三大 相比并联式，该系统结构布置和操纵控制系统要复 零部件数量也较多，设计、制造成本较高。 类。液压混合动力采用液压蓄能器作为能量存储装 杂的多，置。不同的混合动力储能装置的储能特性有所不同。 超级电容储能元件能够适用于存在频繁起、停工况 ３混合动力系统参数匹配 的中型工程机械机型；蓄电池储能装置多适用于小 型工程机械机型。 混合动力工程机械的参数匹配问题是一个多变 超级电容、蓄电池、燃料电池、飞轮，优于液压蓄 量、多目标的优化问题。即在满足动力性、燃油经济 能器，能量密度大，可以长时间提供能量，这一特性 性的基础上合理地确定各部件参数，达到整机性能 优于液压蓄能器。然而，液压蓄能器具有功率密度大 的优化目标。整机零部件参数的选择与所选用的动 的特点，能够在短时间内存储和释放能量，能够满足 力传动、结构形式、使用工况有很大关系。参数匹配的 车辆制动时的能量需求。因此，液压混合动力技术更 内容包括发动机、电机、电池／电容、液力变矩器、液 适用于中重型工程机械的行走装置和军用车辆。 压蓄能器、传动系等部件或零件的关键Ｉ生能参数。经 收稿日期：２０１４—０５—０２ 作者简介：赵园园（１９８８一），女，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：混合动力系统。 ２５４ 《装备制造技术｝２０１４年第８期 过参数匹配后的混合动力系统应满足如下具体要求： （１）发动机在主要工况下工作在高效区域。 （２）高负载情况下，在电机和储能元件助力下整 机输出功率满足整机循环工况的峰值要求。 （３）轻载或空载情况下，储能元件存储冗余能 量，可有效的调节发动机的工作点。 （４）对于一个完整循环工况，整机动力系统可维 持能量平衡。 （５）特殊工况下，整机仍可有效地满足使用要求。 过低效区。此外，要考虑对驾驶员意图的解读、发动 机工作点优化和电池容能量平衡等。对于自动化程 度高的控制系统还要考虑换挡控制策略、离合制策 略等。 ６结束语 混合动力技术可有效降低油消耗和尾气排放， 具有巨大的社会效益，能够带动促进相关零部件生 产企业的发展，现在还处于起步阶段，但是这将是未 ４混合动力工程机械的可靠性 来工程机械的技术发展方向。 混合动力工程机械的亟待突破的难点： 混合动力工程机械的可靠性包括两个方面，即 （１）混合动力工程机械性能好但成本高，用户普 混合动力系统的可靠性和关键部件的可靠性。混合 遍难接受。 动力系统应满足整机在工作条件差、散热条件差、电 （２）关键部件的功能特性和可靠性，有待于提高。 磁环境复杂等苛刻情况下正常运行。这就要求混合 （３）能量存储装置系统的性能有待提高。 动力系统应具备良好的防护性、散热性及电磁兼容 （４）混合动力装置重量大对于中、小型机型影响 性。此外，对于电动机、发电机、储能元件等关键部 较明显，设计室时需要减重。 件，需满足能适应工程机械负载变化频繁、功率需求 （５）明确整机的实际工程约束条件和完善控制 变化剧烈、充放电频率要求高等情况的要求。此外， 策略，来提高整机重要性能指标。 混合动力工程机械还应考虑到机器的操控性和由于 元件增加所带来的安装布局等问题。 参考文献： ［１］张彦廷．基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究 ５混合动力的能量分配及其控制策略 ［Ｄ］．杭州：浙江大学博士学位论文，２００６． ［２１肖 清．液压挖掘机混合动力系统的控制策略与参数匹配研 混合动力工程机械的不同机型，需要根据其特 究【１）］．杭州：浙江大学，２００８． ［３］孙辉，姜继海，王昕．静液传动混合动力车辆再生制动 点进行能量流的分配研究，并且对动力系统输出功 策略研究【Ｊ］．东北大学学报，２００８，６（２９）：２４４—２５２． 率和主控阀能量损失进行计算和仿真，得到最优化 【４］张海洋．工程机械液压系统节能措施及发展趋势【Ｊ】．公路与 的系统。混合动力工程机械的能量管理需要根据工 汽运，２００８￣）２０２－２０５． 作负载对输出功率的需求进行动态规划，从而控制 ［５】邹乃威，章二平，戴群亮，等．并联混合动力装载机建模与仿 发动机、电机的能量输出，控制能量储能系统的存储 真研究［Ｊ］．工程机械，２０１０，４１（１１）：６—１２． 和释放能量。目前，控制策略主要有，基于规则的能 ［６】石荣玲．装载机并联液压混合动力系统设计与控制策略研究 量管理策略、智能控制策略、瞬时优化控制策略和全 ［Ｄ】．徐州：中国矿业大学，２０１１． 局最优控制方法等。实现整机的高效率需要让每个 ［７】王庆丰，张彦廷，肖 清．混合动力工程机械节能效果评价及 液压系统节能仿真研究叨．机械工程学报，２００５（１２）：１３５—１４０． 子系统尽量工作在各自的高效区间。因此，混合动力 【８１刘昌盛，张大庆等．工程机械混合动力技术的发展与应用［Ｊ］． 控制的基本思想是通过电机的辅助使发动机尽快通 建筑机械，２００９，（５）：５９—６３． Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＺＨＡＯ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｎ，ＫＥ Ｘｉａｏ－ｍａｏ，ＬＩＮＧ Ｗｅｎ－ｗｅｎ，ＹＡＮＧ Ｊｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ａｎａｌｙｓｅｓ ｓｏｍｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｐｐｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｆｉｅｌｄ．Ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｒｍ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｍａｔｃｈｉｎｇ，ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｎａｄ ｔｈｅ ｄｉｆｉｃｕｌｔ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｈｔｅ ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｒａｅ ｆｕｌｌｙ ａｆｉｆｒｍｅｄ ｉｎ ｈｔｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｒｍ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍａｔｃｈｉｎｇ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ２５５