黃中華，謝 雅，劉少軍，鄧 奕

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭411101；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

0 前 言

混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)通常由柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和蓄電池組成.動(dòng)力系統(tǒng)各部件裝機(jī)功率的設(shè)計(jì)是動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容.動(dòng)力系統(tǒng)各部件的裝機(jī)功率決定了挖掘機(jī)的動(dòng)力性能、操縱性能和節(jié)能特性.不合理的動(dòng)力系統(tǒng)裝機(jī)功率設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)裝機(jī)功率過(guò)低，從而降低了挖掘機(jī)的動(dòng)力性能；也有可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)的裝機(jī)功率過(guò)高，增加挖掘機(jī)的制造成本和能耗.為此，許多學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)部件裝機(jī)功率設(shè)計(jì)方法展開了研究［1－4］.

目前混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)部件裝機(jī)功率設(shè)計(jì)方法大多是結(jié)合具體機(jī)型，在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)各部件裝機(jī)功率設(shè)計(jì)前通常已經(jīng)選定了混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，然后再通過(guò)數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算來(lái)確定各部件的裝機(jī)功率.這種設(shè)計(jì)方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，依賴于混合動(dòng)力系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)［5－9］.實(shí)際上，不同結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)都存在相同的能量傳遞規(guī)律——柴油機(jī)是動(dòng)力系統(tǒng)中唯一的主動(dòng)供能部件.為此，論文從混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞的規(guī)律出發(fā)，提出了一種不依賴于動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基于能量傳遞規(guī)律的混合動(dòng)力系統(tǒng)部件裝機(jī)功率設(shè)計(jì)方法.

1 能量傳遞規(guī)律分析

在進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞規(guī)律分析之前，提出如下研究假設(shè)：

（1）混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件是完全可控的，即控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制各部件的工作狀態(tài)，不考慮控制誤差.

（2）柴油機(jī)的工作效率為常值.不考慮控制策略和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)柴油機(jī)工作效率的影響.在不同結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力系統(tǒng)中柴油機(jī)均能穩(wěn)定工作在高效區(qū)，工作效率為恒定值.

（3）電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率均為常值.不考慮控制策略和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作效率的影響.在不同結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均能穩(wěn)定工作在高效區(qū)，工作效率為恒定值.

（4）蓄電池的充電效率和放電效率為常值.不考慮溫度和使用次數(shù)對(duì)蓄電池充電效率和放電效率的影響.

（5）蓄電池在正常工作范圍內(nèi)工作電壓保持不變.

混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu).圖1是混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng).就動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是混聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩種特殊形式.在不同結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，能量傳遞的規(guī)律是相同的，即動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率必須大于負(fù)載功率才能確保動(dòng)力系統(tǒng)正常工作.為此，論文以混聯(lián)結(jié)構(gòu)為對(duì)象展開動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞規(guī)律分析.

圖1 混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)

令p1為動(dòng)力系統(tǒng)拖動(dòng)負(fù)載所需輸出的最大功率，p2為動(dòng)力系統(tǒng)拖動(dòng)負(fù)載所需輸出的平均功率，p3為動(dòng)力系統(tǒng)拖動(dòng)負(fù)載所需輸出的最小功率，p0為柴油機(jī)用于直接拖動(dòng)負(fù)載的輸出功率，p2為并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)柴油機(jī)拖動(dòng)負(fù)載所需輸出的功率，ηe和ηg分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率.

挖掘機(jī)工作時(shí)其負(fù)載具有典型的周期性.因此動(dòng)力系統(tǒng)的能量傳遞也具有周期性.圖2為混聯(lián)結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)在一個(gè)周期T內(nèi)的能量傳遞過(guò)程示意圖.由圖可知，柴油機(jī)的輸出功率一部分用于直接拖動(dòng)負(fù)載，另一部分用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī).當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)的連接方式為串聯(lián)時(shí)p0＝0；當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)的連接方式為并聯(lián)時(shí)p0＝p′2.改變混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是在改變柴油機(jī)輸出功率的直接用途.由于柴油機(jī)是動(dòng)力系統(tǒng)中唯一的主動(dòng)功能部件，因此負(fù)載功率曲線p和柴油機(jī)用于直接拖動(dòng)負(fù)載的功率p0決定了動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量的傳遞規(guī)律.

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞過(guò)程

2 動(dòng)力系統(tǒng)部件裝機(jī)功率設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率

根據(jù)負(fù)載的變化，電動(dòng)機(jī)可以工作在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)，作為電動(dòng)使用時(shí)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率pe1可以由電動(dòng)機(jī)所需的最大輸出功率乘以裕度系數(shù)k1求得：

作為發(fā)電使用時(shí)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率pe2可以由電機(jī)所需的最大發(fā)電功率乘以裕度系數(shù)k2求得：

2.2 柴油機(jī)裝機(jī)功率

由圖1可知，混合動(dòng)力系統(tǒng)的輸出能量En為負(fù)載曲線的積分：

電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能為負(fù)載曲線p大于p0部分和p0之間部分的積分：

柴油機(jī)用于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能量Ed1為：

柴油機(jī)提供給發(fā)電機(jī)裝置的能量Ed2為

在不考慮控制系統(tǒng)影響的挖掘機(jī)混合動(dòng)力中，柴油機(jī)的輸出功率為穩(wěn)定值，柴油機(jī)的裝機(jī)功率pd0可以由在一個(gè)負(fù)載周期T內(nèi)的平均功率乘以裕度系數(shù)kd求得：

2.3 發(fā)電機(jī)裝機(jī)功率

發(fā)電機(jī)的輸入功率是柴油機(jī)的總輸出功率與用于直接拖動(dòng)負(fù)載功率之差，其裝機(jī)功率pg0為：

其中kg為發(fā)電機(jī)的裕度系數(shù).

2.4 蓄電池裝機(jī)容量

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用是將柴油機(jī)提供的多余能量以電能的形式儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)柴油機(jī)輸出功率不夠時(shí)，蓄電池用儲(chǔ)存的能量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功.在理想狀態(tài)下，一個(gè)負(fù)載周期中蓄電池釋放的能量和儲(chǔ)存的能量相等.

假設(shè)蓄電池的工作電壓為U，用蓄電池的裝機(jī)電容量與蓄電池電壓的乘積QU作為蓄電池裝機(jī)功率的表征值，單位為cv.混合動(dòng)力挖掘機(jī)蓄電池裝機(jī)功率QU0為

蓄電池的最大充電功率為：

蓄電池的最大放電功率為：

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3為某7T液壓挖掘機(jī)工作時(shí)的負(fù)載功率曲線.

圖3 7T挖掘機(jī)負(fù)載功率曲線

對(duì)圖3的負(fù)載功率曲線進(jìn)行計(jì)算可得：負(fù)載功率的最大值P1＝43.97kW，負(fù)載功率的平均值P2＝21.10kW，負(fù)載功率的最小值P3＝1.30kW.

動(dòng)力系統(tǒng)各部件的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，

表1 動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)

蓄電池SOC下限值 δmin 0.6蓄電池容量裕度系數(shù) kc 1.2蓄電池充電功率裕度系數(shù) kc1 1.2蓄電池放電功率裕度系數(shù) kc2 1.2

表2是不同混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下動(dòng)力系統(tǒng)個(gè)部件裝機(jī)功率計(jì)算結(jié)果.

表2 混合動(dòng)力系統(tǒng)部件裝機(jī)功率

從表2可以看出，所提出的設(shè)計(jì)方法可以計(jì)算出混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件的裝機(jī)功率；所提出的設(shè)計(jì)方法與混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān).

4 結(jié) 論

（1）不同結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，本質(zhì)上是在改變柴油機(jī)輸出功率的直接用途.混合動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)載功率和柴油機(jī)用于直接拖動(dòng)負(fù)載的功率決定了動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量的傳遞規(guī)律.

（2）給出了混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件裝機(jī)功率的計(jì)算公式.以7T混合動(dòng)力挖掘機(jī)為例，對(duì)挖掘機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件的裝機(jī)功率進(jìn)行了計(jì)算.

（3）設(shè)計(jì)實(shí)例表明，所提出的設(shè)計(jì)方法可以計(jì)算出混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件的裝機(jī)功率；所提出的設(shè)計(jì)方法與混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān).

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