2.2.6 油电混合动力技术的应用实例

图2-38 浙江大学油电混合动力挖掘机研发历程

1.油电混合动力挖掘机的应用实例

对油电混合动力技术研究的典型代表为浙江大学王庆丰教授课题组[8][9][10]。如图2-38所示，其课题组提出了发动机动态工作点控制策略，经过一代样机（图2-39）、二代样机（图2-40）、三代机型、四代机型的不断研制，最终研制出了全球第一台集成了能量管理、发动机工作点动态优化、电动回转制动能量回收、动臂势能回收等技术为一体的新型混合动力挖掘机样机。该油电混合动力挖掘机主要由以下5个子系统组成。

图2-39 浙江大学第一代油电混合动力挖掘机样机结构方案

图2-40 浙江大学第二代油电混合动力挖掘机样机

1）动力系统（发动机和电动机/发电机同轴相连的并联式混合动力系统）。

2）液压系统（国内唯一的针对混合动力改进液压系统）。

3）电驱动回转系统。

4）势能能量回收系统（全球第一台）。

5）电控系统（基于CAN总线的故障诊断）。

混合动力挖掘机发动机动态工作点控制策略的系统框图如图2-41所示，具体实现如下：通过检测负载压力对作业工况进行实时识别；根据工况等级和储能元件SOC，通过一系列逻辑判断规则给出发动机的最佳油门位置控制信号，并结合发动机的机械特性确定其目标转速；当发动机油门位置不变时，构建闭环反馈控制，通过控制电动机/发电机的电磁转矩，补偿发动机和负载之间的波动，保证发动机实际转速稳定于目标转速；当发动机油门位置切换时，通过比较实时检测的喷油量和控制器预存的稳态喷油量，主动预测需求补偿转矩并由电动机输出，从而对油门位置的切换过程进行协调控制，实现油门切换时的快速响应和平稳过渡。

图2-41 混合动力挖掘机发动机动态工作点控制策略的系统框图

如图2-42所示，为了验证采用混合动力辅助驱动单元电动机/发电机能否通过其对负载的削峰填谷，实验中假设发动机工作在某个经济工作档位，从图中可以看出虽然变量泵的输出功率动态变化，但发动机的输出功率基本不变。

动态工作点控制策略保证了发动机油门位置不变时的工作点优化，也保证了油门位置切换的快速性和动力系统输出的平稳过渡，同时使得储能元件SOC处于平衡状态。试验结果表明，采用该控制策略后，发动机工作点和储能元件SOC均处于稳定的工作状态，相比于传统动力系统节省燃油消耗超过15%；不同油门切换模式下，系统响应具有预期的快速性和稳定性，如图2-43所示。

2.油电混合动力装载机的应用实例

以常林ZLM15B轮式装载机为原型，进行了相应的轮边电力驱动系统研究，其整体改造方案如图2-44所示。

图2-42 油电混合动力系统的功率分配实验曲线

图2-43 发动机油门切换时的转速响应曲线

行走驱动系统取消了液力变矩器和变速箱等机械部件，改由2个固定传动比的永磁同步电动轮前轮驱动，动力源为柴油发动机，由发动机驱动发电机，为永磁同步电动机提供电源。工作装置也改由异步电动机串联液压齿轮泵来驱动。2个永磁同步电动轮除能实现行走功能外，也能完成制动功能，包括行车制动和驻车制动，行车制动能量由一个超级电容回收。

永磁同步电动轮集永磁同步电动机、制动器和行走减速器三种功能模块于一体。永磁同步电动机选用永磁体内置结构形式，并采用转矩控制，可实现弱磁扩速自适应路面变化。制动器选用湿式多盘结构形式，并采用电液线控技术，布置灵活，响应快，可实现防滑牵引力控制。行走减速器选用多级行星减速结构形式，可变速比，以满足轮式工程机械不同工况之间的转换。三种功能模块分体安装，可根据不同需求选配相应型号，具有结构简单、组合灵活、维修方便等特点。

通过ZLM15B整机试验，对轮边电力驱动系统的关键技术的性能进行了综合实验分析。通过空载、重载的直线行驶实验，可知电力驱动装载机具有良好的加速特性；通过空载、重载转向实验，外侧车轮没有出现滑移，并且内、外侧驱动轮的滑转率较小，可知电力驱动装载机具有良好的差速特性；再生能量回收效率可达67.9%，控制策略作用明显；通过空载、重载牵引实验，验证了电力驱动系统的牵引特性。从而，验证了油电混合动力系统的可靠性和良好的操控性。

图2-44 ZLM15B总体改造方案