趙鵬宇,陳英龍,周　華

(浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

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油液混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)及控制策略研究綜述

趙鵬宇,陳英龍,周華

(浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

摘要:針對(duì)油液混合動(dòng)力工程機(jī)械能量損失較大、能量回收效率偏低以及控制策略相對(duì)單一等問(wèn)題,從混合動(dòng)力系統(tǒng)液壓原理和控制策略2個(gè)方面分析.將油液混合動(dòng)力工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分為泵控液壓系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)和復(fù)合結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)3種形式,研究液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和工作原理，將油液混合動(dòng)力工程機(jī)械控制策略分為門(mén)限值控制策略、模糊控制策略和優(yōu)化控制策略3類,分析適用工況,對(duì)比油電混合動(dòng)力汽車控制策略與油液混合動(dòng)力工程機(jī)械控制策略.油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的發(fā)展方向包括利用泵控系統(tǒng)代替閥控系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能元件、設(shè)計(jì)針對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的控制策略以及控制目標(biāo)多樣化.

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；液壓系統(tǒng)；工程機(jī)械；控制策略

近年來(lái),隨著世界油氣資源緊缺的加劇以及環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯,工程機(jī)械領(lǐng)域?qū)τ跍p少燃油消耗技術(shù)的需求越來(lái)越迫切.有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少尾氣排放的措施包括減輕工程機(jī)械的體積和重量、直噴汽柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等[1]；而在傳動(dòng)技術(shù)方面,研發(fā)重心已逐漸轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力技術(shù)和燃料電池技術(shù).燃料電池技術(shù)正處于起步階段,還不能形成廣泛的應(yīng)用,因此混合動(dòng)力技術(shù)成為現(xiàn)階段緩解資源和環(huán)境問(wèn)題的重要方法[2].

混合動(dòng)力系統(tǒng)包含2種或2種以上能量源,通常一種能量源用于將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,其余能量源用于儲(chǔ)存能量,通過(guò)能量源的混合可以大幅度提高燃料和能量的利用效率.按照能量源的不同,混合動(dòng)力系統(tǒng)分為油電混合(燃油/電池混合)和油液混合(燃油/液壓混合)[3].油電混合技術(shù)以高燃油效率和高能量密度的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于中小型客車.但由于電池功率密度小、體積龐大、污染環(huán)境以及價(jià)格昂貴等原因,對(duì)于如挖掘機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械等大功率、頻繁啟停的工程機(jī)械并不適用[4].油液混合動(dòng)力技術(shù)具有高功率密度、環(huán)境友好和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),在大型重載工程機(jī)械中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性[5].因此,工程機(jī)械普遍采用油液混合動(dòng)力技術(shù).

油液混合動(dòng)力系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)的不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[6].串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵向蓄能器充液,同時(shí)蓄能器和液壓泵向液壓馬達(dá)提供能量驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行.發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行獨(dú)立于車速和道路條件,因而可選用較小的發(fā)動(dòng)機(jī),并使其運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)附近,避免了怠速和低速工況,提高效率,降低排放[7-8].串聯(lián)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,但能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多,效率不高[2].并聯(lián)結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其優(yōu)勢(shì)在于液壓系統(tǒng)的功率可根據(jù)工程機(jī)械的性能需求選定,而不需要滿足工程機(jī)械的全部功率需求,因此液壓系統(tǒng)體積較小,液壓系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源,系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單,成本也相對(duì)較低[7].由于該結(jié)構(gòu)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)元件,其動(dòng)力特性更趨近于內(nèi)燃機(jī)汽車[9].混聯(lián)結(jié)構(gòu)可以看作是串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的集成[10],能夠根據(jù)實(shí)際的駕駛需求運(yùn)行于串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)模式.可選用小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng),大大提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力，但其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置復(fù)雜,控制技術(shù)要求高[11].油液混合動(dòng)力系統(tǒng)分類及結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,各種油液混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)如表1所示.

圖1　混合動(dòng)力系統(tǒng)分類Fig.1　Classification of hydraulic hybrid system

比較內(nèi)容串聯(lián)式并聯(lián)式混聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單較復(fù)雜復(fù)雜系統(tǒng)布置較復(fù)雜簡(jiǎn)單復(fù)雜可靠性低高高控制策略簡(jiǎn)單較復(fù)雜復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換效率低高較高

工程機(jī)械平均作業(yè)速度較低,作業(yè)周期較短,在作業(yè)過(guò)程中存在頻繁啟停和往復(fù)運(yùn)動(dòng).由于整機(jī)重量大,在減速、制動(dòng)及機(jī)械臂下降過(guò)程中會(huì)釋放出大量能量[12].這部分能量通常被轉(zhuǎn)化為熱能而浪費(fèi),同時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱和元件壽命縮短[13].因此,采用油液混合動(dòng)力技術(shù)回收工程機(jī)械制動(dòng)動(dòng)能和重力勢(shì)能成為節(jié)能降耗的一項(xiàng)有效措施.現(xiàn)有油液混合動(dòng)力工程機(jī)械雖然起到一定的能量回收作用,但能量利用率和回收效率仍然較低；液壓系統(tǒng)儲(chǔ)存能量有限,對(duì)于作業(yè)周期有較大限制；控制策略較為單一,難以適應(yīng)工程機(jī)械復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工況.

本文綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于油液混合動(dòng)力工程機(jī)械液壓系統(tǒng)和控制策略的部分研究成果,總結(jié)各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,進(jìn)而分析油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的發(fā)展方向.

1油液混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)

目前,油液混合動(dòng)力系統(tǒng)大多利用泵/馬達(dá)和液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件,壓力和流量的調(diào)節(jié)多采用減壓閥或節(jié)流閥,而這種閥控系統(tǒng)會(huì)造成較大的能量損失.同時(shí),為解決油液混合動(dòng)力系統(tǒng)能量密度較小所帶來(lái)的限制,部分設(shè)計(jì)方案采用蓄能器和電池或電容的組合作為混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能元件,但電能和液壓能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程伴隨著大量的能量損失.為減少能量在液壓系統(tǒng)中的損失,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了幾種新的應(yīng)用于油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的液壓系統(tǒng).

1.1泵控液壓系統(tǒng)

泵控系統(tǒng)首先由美國(guó)Sundstrand公司于20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于壓路機(jī)、攪拌車和攤鋪機(jī)[14].經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐發(fā)現(xiàn),雖然閥控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性和可控性,但與之相比，泵控系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯,液壓系統(tǒng)效率顯著提升[15].因此,近年來(lái)將泵控系統(tǒng)應(yīng)用于液壓混合動(dòng)力工程機(jī)械的研究日漸增多.

美國(guó)普渡大學(xué)MonikaIvantysynova教授團(tuán)隊(duì)[16-17]提出容積式泵控液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)系統(tǒng),由4個(gè)容積式變量泵/馬達(dá)控制3個(gè)執(zhí)行液壓缸和1個(gè)液壓馬達(dá)動(dòng)作.系統(tǒng)中的低壓蓄能器用作低壓流量源,補(bǔ)充或儲(chǔ)存閉式系統(tǒng)中的單出桿液壓缸活塞桿伸出和收回時(shí)缺少或多出的流量,高壓蓄能器用于回收能量,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.通過(guò)對(duì)5t挖掘機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)可節(jié)省40%的燃油,并將發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸減小50%.

圖2　容積式泵控挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)Fig.2　Displacement-controlled excavator hydraulic system

圖3　負(fù)載敏感和容積式泵控結(jié)合的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)Fig.3　Hydraulic hybrid system with combination of load sensing and displacement control system

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Sugimura等[15]提出一種適用于挖掘機(jī)的負(fù)載敏感系統(tǒng)和容積式泵控系統(tǒng)相結(jié)合的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng).該系統(tǒng)兼具負(fù)載敏感系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),既有良好的負(fù)載適應(yīng)性,又可提高挖掘機(jī)的能量利用率，其液壓系統(tǒng)如圖3所示.當(dāng)挖掘機(jī)只有單一負(fù)載時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)只驅(qū)動(dòng)泵/馬達(dá)2工作;當(dāng)挖掘機(jī)工作于雙負(fù)載工況時(shí),泵/馬達(dá)1所在回路為負(fù)載敏感系統(tǒng),泵/馬達(dá)2所在回路為容積式泵控系統(tǒng).在工作循環(huán)仿真中,液壓回路效率為75.7%,泵效率為73.7%,發(fā)動(dòng)機(jī)效率為38%,整體效率為21.2%.該系統(tǒng)在單一負(fù)載工況下,由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效燃油區(qū)間,整體能量效率較高.在雙負(fù)載工況下,負(fù)載敏感系統(tǒng)只向其中一個(gè)負(fù)載提供動(dòng)力,相比于傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng),其能量損失較小.該結(jié)構(gòu)的不足之處在于,當(dāng)泵/馬達(dá)1為多于2個(gè)負(fù)載提供動(dòng)力時(shí),其能量損失與傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)相當(dāng).Hydac公司的Erkkil?等[18]提出一種利用負(fù)載敏感系統(tǒng)控制泵排量的液壓混合動(dòng)力系統(tǒng),液壓泵/馬達(dá)的2個(gè)進(jìn)出油口分別通過(guò)開(kāi)關(guān)閥與泵出口和蓄能器相連.該系統(tǒng)可減小發(fā)動(dòng)機(jī)和泵體積,提高能量回收效率,并具有較好的負(fù)載適應(yīng)性.

圖4　雙泵油液混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)Fig.4　Double-pump hydraulic hybrid system

芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的Tikkanen等[19]提出一種雙泵油液混合動(dòng)力系統(tǒng),可以減小系統(tǒng)對(duì)泵功率和轉(zhuǎn)矩的需求從而減小電機(jī)尺寸以增加功率密度.該系統(tǒng)適用于液壓缸有桿腔負(fù)載較小的工況.系統(tǒng)原理如圖4所示,液壓缸負(fù)載方向和活塞桿運(yùn)動(dòng)方向確定2個(gè)泵/馬達(dá)分別工作于泵工況或馬達(dá)工況,從而確定蓄能器充放液狀態(tài)和電池充放電狀態(tài).通過(guò)仿真分析可知,在選取的工作循環(huán)中,通過(guò)合理選擇液壓系統(tǒng)壓力等參數(shù),可以將電機(jī)額定功率減小26.7%,從而減小混合動(dòng)力系統(tǒng)體積,提高功率密度和能量利用率.該結(jié)構(gòu)的不足之處在于特定工況下,蓄能器和電池能量相互轉(zhuǎn)化,增加了能量損失.

此外,德國(guó)Liebherr公司的Boehm等[20]提出用于混合動(dòng)力挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng).該系統(tǒng)由2個(gè)變量泵共同組成1個(gè)開(kāi)式系統(tǒng)和1個(gè)閉式系統(tǒng)：由開(kāi)式系統(tǒng)控制挖掘機(jī)鏟斗和斗桿,由閉式系統(tǒng)控制挖掘機(jī)動(dòng)臂,并由蓄能器儲(chǔ)存機(jī)械臂的重力勢(shì)能.該系統(tǒng)可將裝機(jī)功率減小25%,同時(shí)將機(jī)械臂提升速度和加速度提高80%.美國(guó)卡特彼勒、日本日立建機(jī)等公司近年來(lái)也開(kāi)發(fā)了利用泵控液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的混合動(dòng)力系統(tǒng),并應(yīng)用于液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī),取得了較好的節(jié)能效果.

泵控系統(tǒng)可通過(guò)改變泵排量或轉(zhuǎn)速,使泵出口流量適應(yīng)負(fù)載需要,避免了節(jié)流閥能量損失,從而提高系統(tǒng)效率[21].利用變量泵/馬達(dá)控制液壓缸運(yùn)動(dòng)是目前最高效的液壓驅(qū)動(dòng)方式[19],該方式在能量源與執(zhí)行器之間無(wú)耗能元件,且利用同一元件回收能量.同時(shí),變量泵/馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)軸相連,可直接控制液體流動(dòng)方向,從而減少方向控制閥.執(zhí)行器通過(guò)液壓系統(tǒng)與泵/馬達(dá)相連,實(shí)現(xiàn)能量的回收.

1.2二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)

二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)[22]最早由德國(guó)漢堡國(guó)防科技大學(xué)的Nikolaus于1977年提出.在20世紀(jì)八九十年代,德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和德國(guó)國(guó)防工業(yè)大學(xué)等研究單位[23]深入研究了二次調(diào)節(jié)技術(shù),并提出應(yīng)用于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法,為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).1997年,荷蘭Innas和Noax公司[24]提出的新型液壓變壓器,不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,而且可以無(wú)節(jié)流損失地改變變壓比,其效率可達(dá)到80%以上,成為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)常用的二次元件.二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以恒壓網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的壓力耦聯(lián)系統(tǒng),二次元件不經(jīng)過(guò)任何其他元件直接與恒壓油源相連,負(fù)載之間沒(méi)有互相影響,不存在節(jié)流損失,從而提高了系統(tǒng)效率[25].因此,二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)非常適用于負(fù)載變化較大及多負(fù)載工況的工程機(jī)械.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜繼海等[26]提出了一種基于恒壓網(wǎng)絡(luò)的全液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)，其液壓系統(tǒng)如圖5所示.當(dāng)挖掘機(jī)制動(dòng)時(shí),液壓泵/馬達(dá)工作于液壓泵工況,回收挖掘機(jī)制動(dòng)動(dòng)能,并儲(chǔ)存于高壓液壓蓄能器中.在動(dòng)臂缸下降工況中,通過(guò)液壓變壓器改變壓力,將液壓能儲(chǔ)存于高壓蓄能器中.在挖掘機(jī)起動(dòng)、回轉(zhuǎn)及動(dòng)臂缸上升過(guò)程中,回收的液壓能為車輛提供輔助動(dòng)力.液壓泵的主動(dòng)沖壓功能調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況,使其工作于最佳經(jīng)濟(jì)區(qū).該系統(tǒng)具有較高的能量回收率,能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于高效區(qū)或怠速區(qū),從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性,改善了挖掘機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,與傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)相比,減少了節(jié)流能量損失.沈偉等[27-28]對(duì)類似恒壓網(wǎng)絡(luò)混合動(dòng)力挖掘機(jī)設(shè)計(jì)了控制策略并進(jìn)行了仿真.通過(guò)仿真可知,在給定工況循環(huán)下的燃油消耗量由44.9g下降為30.1g,降低了33.0%,制動(dòng)前速度v與能量回收率r之間的關(guān)系如表2所示.

圖5　基于恒壓網(wǎng)絡(luò)的液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)Fig.5　Hydraulic system of hydraulic hybrid excavator based on constant pressure rail

v/(r·min-1)r/%v/(r·min-1)r/%40025.380039.060035.2100040.0

圖6　挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)Fig.6　Circuit diagram of common pressure rail (CPR) system of hydraulic excavator

福州大學(xué)的林述溫等[29]提出一種類似的挖掘機(jī)恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng),其系統(tǒng)原理如圖6所示.該系統(tǒng)油源采用低壓定量葉片泵與高壓柱塞變量泵串聯(lián)組合的形式,高壓柱塞變量泵的進(jìn)油口與低壓定量葉片泵的出油口相接,分別為高壓和低壓油路供油.進(jìn)入執(zhí)行單元的油液流量和壓力根據(jù)負(fù)載需要完全由液壓變壓器調(diào)節(jié),液壓變壓器的高壓油出口通過(guò)換向閥和開(kāi)關(guān)閥與執(zhí)行元件相連,使恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)技術(shù)更好地與挖掘機(jī)系統(tǒng)的功能相結(jié)合.通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)具體工況的模擬和不同液壓回路的能耗分析對(duì)比,結(jié)果表明該系統(tǒng)較傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)節(jié)約了58.46%的能量,幾乎消除了工況中的位能損失和節(jié)流損失,節(jié)能效果顯著.

Innas公司的Achten等[30]提出一種用于油液混合動(dòng)力系統(tǒng)的四象限液壓變壓器,并為其設(shè)計(jì)了傳動(dòng)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用換向閥控制液壓變壓器工作模式,提高了液壓變壓器的壓力調(diào)節(jié)范圍和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.

基于液壓變壓器的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)將液壓系統(tǒng)分為高、低壓2條共用管路,通過(guò)改變液壓變壓器的變壓比完成對(duì)負(fù)載的適應(yīng),從原理上消除了節(jié)流損失,并通過(guò)蓄能器回收制動(dòng)能和重力勢(shì)能. 系統(tǒng)具有較高的能量回收效率,系統(tǒng)負(fù)載之間無(wú)相互影響,具有較好的可控性,因而具有廣闊的發(fā)展前景[31].進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵在于二次元件和能量回收元件性能的改善,包括可靠性、調(diào)壓范圍、負(fù)載適應(yīng)性及傳動(dòng)效率等.

1.3復(fù)合結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)

復(fù)合結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)利用復(fù)合蓄能器、復(fù)合液壓缸等元件及復(fù)合能量回收系統(tǒng)等結(jié)構(gòu),系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)不完全依賴于閥或泵,使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化,減少了能量損耗.傳統(tǒng)的液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)采用集中式能量源為液壓系統(tǒng)提供能量,優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本相對(duì)低廉,弊端在于由于能量源提供恒定壓力,系統(tǒng)效率較低[32].

浙江大學(xué)的Xiao等[33]提出一種流量耦合油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)系統(tǒng),利用復(fù)合能量再生系統(tǒng)作為油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量源,系統(tǒng)原理如圖7所示.復(fù)合能量回收系統(tǒng)包括2個(gè)能量回收子系統(tǒng),分別用于回收機(jī)械臂的重力勢(shì)能和制動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能.通過(guò)控制換向閥,可以使油液混合動(dòng)力系統(tǒng)工作于常規(guī)工況和混合動(dòng)力工況.由于液壓馬達(dá)回收動(dòng)能和液壓缸回收勢(shì)能時(shí)的壓力不同,機(jī)械臂的勢(shì)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能分別以不同壓力儲(chǔ)存.該結(jié)構(gòu)通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂扑惴蓪⒛芰炕厥招侍岣?0.1%.丹麥奧爾堡大學(xué)的Andersen等[34]提出用于液壓叉車的復(fù)合結(jié)構(gòu)勢(shì)能回收系統(tǒng),在高速和低速運(yùn)行工況下分別將效率由56%和39%提高到74%和69%.

芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的Huova等[35]提出一種基于復(fù)合液壓缸的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖8所示.該系統(tǒng)采用四腔復(fù)合液壓缸作為執(zhí)行器,液壓缸4個(gè)工作容腔的面積之比為8∶4∶2∶1,通過(guò)開(kāi)關(guān)閥將4個(gè)容腔分別連接在高壓管路和低壓管路上,以此獲得16種不同的輸出力.由于泵和液壓缸之間僅通過(guò)開(kāi)關(guān)閥控制油路通斷,能量損失很少.該系統(tǒng)的不足之處在于對(duì)小慣性負(fù)載的可控性較差,且復(fù)合液壓缸作為執(zhí)行器的液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)采用恒壓蓄能器作為儲(chǔ)能裝置.由于蓄能器儲(chǔ)存的能量與最大壓力和最小壓力有關(guān),為保證系統(tǒng)能量供應(yīng),需要采用容積較大的蓄能器,混合動(dòng)力系統(tǒng)的體積也隨之增大.

圖7　流量耦合油液混合液壓系統(tǒng)Fig.7　Flow coupling hydraulic hybrid system

圖8　四腔液壓缸混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)Fig.8　Hydraulic hybrid system with four cavity hydraulic cylinders

為解決這一問(wèn)題,Stauch等[36]提出一種基于復(fù)合活塞式蓄能器的混合動(dòng)力系統(tǒng).由于蓄能器活塞直徑的不同,使一個(gè)蓄能器可以輸出4種不同的壓力.蓄能器的每一個(gè)壓力出口通過(guò)開(kāi)關(guān)閥與液壓缸相連,以調(diào)節(jié)液壓缸的輸出力.

基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)減少了能量源與執(zhí)行器之間的能量轉(zhuǎn)換元件或控制元件,從而減小能量損失,提高系統(tǒng)效率.但復(fù)合元件制造難度較大,且在模式切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)[35],因此對(duì)于控制系統(tǒng)提出了較高的要求.

2控制策略

混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略主要解決能量管理的問(wèn)題.通過(guò)優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求在馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的分配比例,以適應(yīng)復(fù)雜的工況,最小化燃油消耗,同時(shí)維持電池荷電狀態(tài)與蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)的平衡.目前,基于油電混合動(dòng)力技術(shù)的控制策略已發(fā)展得較為完善,但基于油液混合動(dòng)力技術(shù),尤其是應(yīng)用于工程機(jī)械上的油液混合動(dòng)力技術(shù)的控制策略還比較單一,尚有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā).

2.1門(mén)限值控制策略

基于門(mén)限值控制策略是通過(guò)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)確定一系列工程機(jī)械可能處于的工作狀態(tài),并將其按照一定的規(guī)則劃分區(qū)域[37].根據(jù)設(shè)置的臨界工作點(diǎn)的值來(lái)判斷工程機(jī)械所處的工況,從而采取相應(yīng)的控制方式.

浙江大學(xué)的Xiao等[38]根據(jù)恒溫器控制策略提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)恒工作點(diǎn)控制策略.恒工作點(diǎn)控制策略由發(fā)動(dòng)機(jī)提供平均轉(zhuǎn)矩,儲(chǔ)能元件提供周期變化的功率,使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率保持恒定.利用該策略可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)維持在高效燃油區(qū)間,減少排放量.通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,采用恒工作點(diǎn)控制策略可使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)范圍減小50%左右,同時(shí)減少了系統(tǒng)能量損耗.恒溫器控制策略是一種簡(jiǎn)單的控制算法,利用蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)和駕駛員操作決定發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停[39],無(wú)法在所有工況下滿足車輛的功率需求.而且由其控制特性可知,這種控制算法僅適用于串聯(lián)混合動(dòng)力工程機(jī)械,特別是需要經(jīng)常加速和制動(dòng)的輪式機(jī)械.

為解決這一問(wèn)題,Xiao等[38,40]又提出了發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)控制策略和動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)控制策略,Sun等[41]也針對(duì)挖掘機(jī)提出了制動(dòng)能量回收控制策略,根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)以及工作點(diǎn).吉林大學(xué)的Zhang等[42]對(duì)油液混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械行駛控制策略和制動(dòng)控制策略進(jìn)行了仿真分析.通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)可以得出,在特定工作循環(huán)中,制動(dòng)能量回收率可達(dá)60.03%.這種控制方式類似于功率跟隨控制策略,沒(méi)有對(duì)工況的預(yù)測(cè)能力,而是將車輛運(yùn)行所需要的轉(zhuǎn)矩盡可能多地分配給液壓系統(tǒng).出于安全原因,發(fā)動(dòng)機(jī)不可關(guān)閉,因此該控制策略的整體傳動(dòng)效率和尾氣排放均不是最優(yōu)的[43].

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Liu等[44]提出實(shí)時(shí)邏輯門(mén)限值控制策略和利用遺傳算法優(yōu)化的邏輯門(mén)限值控制策略.利用實(shí)時(shí)邏輯門(mén)限值控制策略控制油液混合動(dòng)力車輛可回收24.36%的能量,利用遺傳算法優(yōu)化邏輯門(mén)限值控制策略可將能量回收率提高至32.4%,同時(shí)車輛牽引力由42.0kN提高至58.7kN.

門(mén)限值控制策略以發(fā)動(dòng)機(jī)效率曲線和需求轉(zhuǎn)矩作為能量分配的主要依據(jù),實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工作模式間的切換,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作于燃油經(jīng)濟(jì)區(qū).門(mén)限值控制策略的控制原理相對(duì)簡(jiǎn)單,具有較好的魯棒性,且發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的效率較高,排放較低.但這種控制策略基于預(yù)先設(shè)定好的門(mén)限值,對(duì)于工況變化和參數(shù)漂移的適應(yīng)能力較差.并且該控制策略一般只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,而較少考慮系統(tǒng)整體效率,加之發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)、關(guān)時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗,使系統(tǒng)總體損失功率變大,能量轉(zhuǎn)換效率降低,導(dǎo)致混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體工作效率并不能達(dá)到最優(yōu).

2.2模糊控制策略

傳統(tǒng)模糊邏輯控制策略由韓國(guó)首爾大學(xué)的Lee等[45]于1998年提出并應(yīng)用于油電混合動(dòng)力車輛.利用該策略可減少20%氮氧化物的排放.該策略主要問(wèn)題在于電池荷電狀態(tài)難以保證.北京理工大學(xué)的Dai等[46]提出一種適用于油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)的模糊PID控制策略,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制機(jī)械臂動(dòng)作速度,提高能量回收效率.通過(guò)仿真可知,能量回收效率為60.3%，而同樣的系統(tǒng)利用傳統(tǒng)PID控制,回收效率為51.5%.

Wang等[47]提出一種利用遺傳算法優(yōu)化模糊控制器隸屬度函數(shù)的模糊控制策略，其原理如圖9所示.模糊控制器分為上下兩層,上層控制器的輸入信號(hào)為蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)和需求轉(zhuǎn)矩,輸出信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳節(jié)氣門(mén)角度；下層控制器根據(jù)節(jié)氣門(mén)角度生成發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)的控制信號(hào).通過(guò)對(duì)5t挖掘機(jī)進(jìn)行仿真可知,這種控制方式較傳統(tǒng)控制方式可以多節(jié)省4.1%的燃油.由于該控制策略主要以蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)作為輸入信號(hào),而蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)的反饋存在一定的滯后,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率并不能時(shí)刻滿足需求功率.因此,這種控制策略僅適用于離線優(yōu)化控制,而不能應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制.

圖9　模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)Fig.9　Structure of fuzzy logic controller

浙江大學(xué)的Lai等[48]提出一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)模糊邏輯控制策略.該策略通過(guò)評(píng)估當(dāng)前外部負(fù)載水平、電池荷電狀態(tài)以及發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行判斷,形成并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或純液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).澳大利亞莫納什大學(xué)的Matheson等[49]也提出一種基于功率需求和系統(tǒng)狀態(tài)的模糊邏輯控制策略,并應(yīng)用于液壓混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械.通過(guò)仿真分析可知,單位燃油行駛里程增加了14.38%,加速性能提高了49.10%.

模糊控制策略適用于非線性時(shí)變以及數(shù)學(xué)模型難以精確計(jì)算的系統(tǒng).一般以儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能狀態(tài)、需求轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào),模糊控制器根據(jù)輸入信號(hào)查詢基于專家經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則庫(kù)中的相關(guān)規(guī)則,以計(jì)算出各動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,從而對(duì)能量進(jìn)行分配.模糊控制策略的優(yōu)勢(shì)在于處理無(wú)法用精確參數(shù)表達(dá)的控制規(guī)則,不僅可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn),而且可以優(yōu)化儲(chǔ)能元件、動(dòng)力元件及傳動(dòng)元件等,實(shí)現(xiàn)各部分的折衷,以達(dá)到整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的最優(yōu)[50].但模糊規(guī)則的確定需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn),難以直觀確定最佳規(guī)則.在控制過(guò)程中,各變量的論域和控制規(guī)律均固定,無(wú)法根據(jù)不同的工況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受到較大限制.目前的發(fā)展方向是將模糊控制策略與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等控制優(yōu)化算法相結(jié)合,形成復(fù)合控制策略以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化.

2.3優(yōu)化控制策略

基于優(yōu)化的控制策略適用于難以獲得準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)[2],對(duì)于工程機(jī)械這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況條件多變、難以按照固定閾值建立控制方法找到滿足整機(jī)性能要求的最佳工作點(diǎn)的系統(tǒng)尤其具有較好的適應(yīng)性.目前采用較多的是自學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等控制策略,而預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等控制策略多用于鏟土運(yùn)輸機(jī)械中的運(yùn)輸機(jī)械等工程機(jī)械中.

韓國(guó)首爾大學(xué)的Park等[51]提出一種利用在線自學(xué)習(xí)方式控制的油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)又分為機(jī)械控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng).機(jī)械系統(tǒng)采用滑?？刂扑惴?控制器輸出信號(hào)決定機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡.液壓系統(tǒng)采用基于在線學(xué)習(xí)的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法決定液壓缸的輸出力.仿真結(jié)果顯示,機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載的不確定性表現(xiàn)出了較強(qiáng)的魯棒性.這種控制算法的優(yōu)勢(shì)在于不需要對(duì)液壓伺服系統(tǒng)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較高的控制精度,同時(shí)對(duì)于外界干擾有較強(qiáng)的抑制作用.

德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Bender等[43]提出一種適用于油液混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械的預(yù)測(cè)控制策略.獲取循環(huán)工況的每一個(gè)位置運(yùn)輸機(jī)械的啟停、速度、加速度等信息,對(duì)未來(lái)一段時(shí)間車輛所需能量做出預(yù)判,根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的能量分配作出相應(yīng)調(diào)整.利用該控制策略,系統(tǒng)的瞬時(shí)能量分配并非最優(yōu)的,但對(duì)于整體節(jié)油效果較明顯.利用7.5t油液混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)行仿真和試驗(yàn),在經(jīng)過(guò)幾次循環(huán)工況后,控制器可以得出系統(tǒng)的加速度和速度分布曲線.通過(guò)數(shù)值優(yōu)化,可多節(jié)省5%的燃油.電子科技大學(xué)的Feng等[52]提出一種隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制策略.這種控制策略適用于串聯(lián)油液混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械,可將系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性提高44.2%～61.9%.現(xiàn)有的預(yù)測(cè)控制策略大多針對(duì)混合動(dòng)力運(yùn)輸機(jī)械提出,其不足之處在于,如果實(shí)際工況與預(yù)測(cè)工況出現(xiàn)較大偏差,則整體效率會(huì)降低很多.同時(shí),現(xiàn)有控制策略沒(méi)有考慮運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量及道路坡度等的變化.

美國(guó)密歇根大學(xué)的Wu等[53]對(duì)油液混合動(dòng)力中型載重貨車的能量分配策略進(jìn)行優(yōu)化,并利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,取得了較好的燃油經(jīng)濟(jì)性.這種動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略利用液壓馬達(dá)作為運(yùn)輸機(jī)械加速過(guò)程中的唯一動(dòng)力源,使得混合動(dòng)力系統(tǒng)維持在高負(fù)載、中速的狀態(tài),從而提高了系統(tǒng)的效率.通過(guò)對(duì)系統(tǒng)仿真可知,較之于傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)械,該系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性可以提高28%～47%.

基于優(yōu)化的控制策略是應(yīng)用優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配控制策略.目前應(yīng)用于油液混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略大多屬于全局優(yōu)化控制策略,該策略建立以整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與排放為目標(biāo)、系統(tǒng)狀態(tài)變量為約束的全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,通過(guò)優(yōu)化算法求得最優(yōu)混合動(dòng)力分配控制策略.全局優(yōu)化控制策略無(wú)法直接在實(shí)際工況中實(shí)時(shí)應(yīng)用,主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)工況循環(huán)下對(duì)實(shí)時(shí)控制策略進(jìn)行評(píng)估,以及根據(jù)基于優(yōu)化的控制策略的結(jié)果進(jìn)行規(guī)則提取,組成實(shí)用的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略.

3發(fā)展方向

從上述分析可以看出,油液混合動(dòng)力工程機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于減少能量在液壓系統(tǒng)內(nèi)部的損失.減少能量損失的常用方法有2種：減少能量在系統(tǒng)中傳遞過(guò)程的損失,以及減少能量在二次元件轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損失.

目前所采用的混合動(dòng)力工程機(jī)械多采用閥控系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力和流量,導(dǎo)致能量損失較大.為減少能量傳遞損失,可利用泵控系統(tǒng)代替閥控系統(tǒng),采用閉式變量泵或數(shù)字泵控制系統(tǒng)的壓力及流量,并簡(jiǎn)化能量傳遞路徑,利用二次調(diào)節(jié)等技術(shù)減少執(zhí)行器與能量源之間的元件數(shù)量.

油液混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)由于液壓蓄能器能量密度較低等因素的限制,多數(shù)仍然采用蓄能器和電池共同作為儲(chǔ)能元件,由液壓系統(tǒng)提供峰值功率,電力系統(tǒng)提供5%～10%的發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率[54],而能量在電能和液壓能之間的轉(zhuǎn)化伴隨著大量的損耗.為減少能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損失,可考慮優(yōu)化液壓蓄能器的性能、開(kāi)發(fā)適合液壓蓄能器作為儲(chǔ)能元件的混合動(dòng)力系統(tǒng)以及尋找替代儲(chǔ)能元件等.

控制策略的優(yōu)化是改善混合動(dòng)力系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段之一.油電混合動(dòng)力技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,已經(jīng)形成了一系列較為完善的控制策略,其控制策略可以分為兩大類,分別是基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略[2].

基于規(guī)則的控制策略其優(yōu)勢(shì)在于能量分配的實(shí)時(shí)性.該策略基于“削峰填谷”的思想,主要通過(guò)啟發(fā)式算法、直觀判斷以及數(shù)學(xué)模型確定能量分配方式,使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳效率點(diǎn),通常不需對(duì)工況循環(huán)進(jìn)行預(yù)測(cè).基于規(guī)則的控制策略又可分為確定算法理論和模糊算法理論.確定算法理論根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)效率曲線或排放曲線,通過(guò)查表法將功率分配給不同的能量轉(zhuǎn)換器.模糊算法理論適用于非線性和時(shí)變系統(tǒng).模糊算法不需要精確的數(shù)學(xué)模型,而且控制規(guī)則易于調(diào)整,因此具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性.

基于優(yōu)化控制策略利用價(jià)值函數(shù)表征燃油消耗量和排放量,通過(guò)功率分配使價(jià)值函數(shù)取得最小值,從而使燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu).基于優(yōu)化控制策略又分為全局優(yōu)化理論和實(shí)時(shí)優(yōu)化理論.全局優(yōu)化理論通過(guò)對(duì)車輛運(yùn)行工況的功率需求進(jìn)行整理,并以此確定功率分配方式,使得循環(huán)工況整體燃油消耗和排放得到優(yōu)化.該方法不適用于實(shí)時(shí)控制,但可以作為評(píng)價(jià)其他控制策略的基礎(chǔ).實(shí)時(shí)優(yōu)化理論建立瞬時(shí)價(jià)值函數(shù),根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前參數(shù)分配功率,使價(jià)值函數(shù)達(dá)到最小值.在循環(huán)工況整體而言,使用該方法得到的燃油消耗量和排放量并不是最優(yōu)的,但其可用于實(shí)時(shí)控制.

由此可以看出,相比于油電混合動(dòng)力,在油液混合動(dòng)力工程機(jī)械領(lǐng)域，控制策略仍有很大的發(fā)展空間.油電混合動(dòng)力車輛控制策略亦可以作為油液混合動(dòng)力工程機(jī)械控制策略的借鑒和參考.由于工程機(jī)械的傳動(dòng)方式多種多樣,應(yīng)基于特定的結(jié)構(gòu)形式有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的控制策略.同時(shí),油液混合動(dòng)力的特性給控制策略提出了更多的要求和目標(biāo),油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的控制目標(biāo)應(yīng)不僅僅局限于減少燃油消耗量和排放量,還應(yīng)考慮系統(tǒng)其他特性的優(yōu)化,例如：系統(tǒng)的振動(dòng)控制和噪聲抑制等.

油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的發(fā)展方向主要包括如下方面：1)利用泵控系統(tǒng)代替閥控系統(tǒng),減少能量在液壓系統(tǒng)傳遞過(guò)程中的能量損失；2)開(kāi)發(fā)新的儲(chǔ)能元件以及能量轉(zhuǎn)換元件,以提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度,減少能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)更好地適應(yīng)混合動(dòng)力系統(tǒng)較大的速度變化范圍以及模式切換過(guò)程引起的波動(dòng)；3)借鑒油電混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略,針對(duì)特定油液混合動(dòng)力工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略；4)控制策略目標(biāo)的多樣化.

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DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.03.008

收稿日期：2015-08-17.

基金項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目(2013TD01).

作者簡(jiǎn)介：趙鵬宇(1990-)，男，博士生，從事流體傳動(dòng)與控制研究. ORCID：0000-0002-0514-2548. E-mail：zpy@zju.edu.cn 通信聯(lián)系人：周華，男，教授，博導(dǎo). ORCID：0000-0001-8375-3291. E-mail：hzhou@sfp.zju.edu.cn

中圖分類號(hào)：TH 137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)03-011-0449

Overviewofhydraulichybridengineeringmachinerysystemandcontrolstrategy

ZHAOPeng-yu,CHENYing-long,ZHOUHua

(State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:The latest research results were reviewed aiming at the problem of hydraulic hybrid engineering machinery, such as the huge loss of energy, low energy recovery efficiency, simple control strategy and so on. The organized research results could be divided into two parts (i) hydraulic principle design and (ii) control strategy selection, respectively. In the hydraulic principle design, three development directions were proposed, which consisted of pump control system, secondary regulation system and composite structure hydraulic system. The mentalities of the designing were studied, and the operating principles were analyzed. In the control strategy selection, three kinds of control strategies were summarized, including threshold control strategy, fuzzy logic control strategy and optimization based control strategy. The working conditions were analyzed. Compare the control strategies of hybrid electric vehicles with those of hydraulic hybrid machineries. According to the above, the development directions of hydraulic hybrid machinery were proposed, such as using pump control system to replace valve control system, developing new components to reduce the energy loss, designing specific control strategy and diversifying the control goal．

Key words:hybrid power; hydraulic system; engineering machinery; control strategy