一种串联式重度混合动力工程机械传动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及新能源工程机械领域，具体涉及一种串联式重度混合动力工程机械传动系统及其控制方法，该系统包括机械传动系统、电气连接系统和控制系统，发动机输出轴与离合器相连，ECU系统分别与发动机、离合器、液压系统、电动发电机、电机控制器、动力电池、电动机、变速箱等系统连接。ECU系统实时采集信号进行数据分析处理，结合工程机械自身工况特点，制定模糊逻辑控制策略，规划发动机、电动发电机及电动机的工作模式，解决在线实时自适应性和鲁棒性控制问题。

【技术实现步骤摘要】
一种串联式重度混合动力工程机械传动系统及其控制方法
本专利技术涉及新能源工程机械领域，具体涉及一种串联式重度混合动力工程机械传动系统及其控制方法，适用于多路动力输出的铲运工程机械。
技术介绍
工程机械存在能耗高、排放差、发动机效率低、噪音大的缺点，节能问题受到越来越多的关注，因此混合动力技术、新型传动技术、智能控制技术等相关新技术需要广泛推广与应用。工程机械工作环境复杂多变，经常需要工作于如矿井下、易燃易爆区、低噪区、空气稀薄区、室内作业等特殊工况。混合动力系统能够实现节能减排，但系统功率与能量流变得更加错综复杂，亟需要新思路解决多模式能量分流关系，制定高效合理的能量管理与优化策略，才能充分发挥复合储能系统的性能和优势，也是打破车载储能技术瓶颈的关键。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种串联式重度混合动力工程机械传动系统及其控制方法，结构简单，提高系统传动效率的同时进行制动能量回收，混合动力控制策略需要解决复杂非线性系统能量分配问题，结合串联式重度混合动力工程机械自身特点，模糊逻辑具有较好的自适应性和鲁棒性，能够解决在线实时控制问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，包括机械传动系统、电气连接系统及控制系统。所述机械传动系统包括发动机、离合器、分动箱、液压系统、电动发电机、电动机、变速箱和主减速器与差速器，其中发动机输出轴与离合器一端相连，离合器另一端与分动箱输入Ⅰ轴连接，分动箱输入Ⅱ轴与电动发电机输出轴相连，分动箱输出轴与液压系统连接，电动机作为行驶系统的动力元件，电动机输出轴与变速箱的输入轴同轴相连，变速箱的输出轴连接主减速器及差速器；所述离合器控制发动机动力的通断；所述分动箱调整动力系统的功率合成与分配；所述液压系统为混合动力工程机械传动系统的工作系统与转向系统提供液压动力；所述控制器控制电动发电机与电动机的工作；动力电池是整车的第二能源系统，负责电能的储存与释放，通过动力电池的SOC值调整动力系统的功率分配，提高发动机燃油经济性与整车效率；所述变速器实现降速增距的作用，提高传动系统效率与电动机的工作效率；所述主减速器与差速器实现传动系统降速与差速功能；所述ECU系统采集工况信号并进行数据分析及处理，将数据信号输入到模糊逻辑控制器中，根据控制规则制定合理的控制方案，规划发动机、电动发电机及电动机的工作模式。所述电气连接系统包括发动机、离合器、液压系统、电动发电机、电机控制器、动力电池、电动机、变速箱和ECU系统，其中动力电池作为电系统的能量源，与电机控制器输入端相连，电机控制器输出端分别连接电动发电机和电动机，ECU系统分别与发动机、离合器、液压系统、电动发电机、电机控制器、动力电池、电动机及变速箱连接，ECU系统实时在线采集信号、监控并控制各元件工作模式。所述控制系统包括ECU系统和模糊逻辑控制器，其中ECU系统与模糊逻辑控制器连接，ECU系统采集工况信号并进行数据分析及处理，将数据信号输入到模糊逻辑控制器中，根据控制规则制定合理的控制方案，规划发动机、电动发电机及电动机的工作模式。本专利技术还提供一种串联式重度混合动力工程机械传动系统的控制方法，其步骤如下：（1）罗列了125种控制规则，提出一种模糊逻辑智能控制策略，设计模糊逻辑控制器；（2）模糊逻辑控制器实时采集控制信号数据，行驶系统需求功率PL与工作液压系统需求功率PP及动力电池SOC值，将信号数据分5段并模糊化处理，（3）根据控制规则输出控制变量模糊信号，然后数据清晰化处理，电动机输出功率PM、发动机输出功率PE及电动发电机输出功率PG，系统工作过程中，通过在线实时感知负载载荷的大小与动力电池SOC值，控制对应电动机、发动机和电动发电机工作点，通过模糊控制器解决非线性复杂系统能量管理问题。①工程机械系统在纯电动工作过程中，发动机输出功率PE为0，电动发电机输出功率PG满足工作液压系统功率需求量，电动机输出功率PM满足行驶系统功率需求量。②在制动能量回收工作过程中，发动机与电动发电机不输出动力，电动机输出功率值PM≤-PL（-PL代表行驶系统制动功率值），结合SOC状态参数制定回收策略；当SOC值较低SOC∈(0，0.5]，若电机峰值功率PMmax≥-PL时，电动机输出功率值PM=-PL，若电机峰值功率PMmax＜-PL时，电动机输出功率值PM=PMmax；当SOC值在中位SOC∈(0.5，0.8]，若电机额定功率PMe≥-PL时，电动机输出功率值PM=-PL，若电机额定功率PMe＜-PL时，电动机输出功率值PM=PMe；当SOC值较高SOC∈(0.8，1.0]，电动机输出功率值PM=5（1-SOC）*min（PMe，-PL）。③在混合驱动工作过程中，建立模糊逻辑控制器，实时采集PL、PP及SOC值，输出PG及PE值；其中，PM值的大小由PL决定；PL取正值时，代表整车驱动行驶状态，PL取负值时，代表整车制动状态；PG取正值时，代表发电机与电动发电机共同驱动液压系统工作，当PG取0时，代表电动发电机输出功率为0，当PG取负值时，代表SOC值较低或者行驶系统需求功率较大，电动发电机处于发电状态。其中，串联式重度混合动力工程机械传动系统在混合驱动工作过程中模糊逻辑控制器如附图所示，控制规则如下表：表1模糊逻辑规则库其中“——”代表发动机不工作，系统处于纯电动工作状态。本专利技术提供了一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，该系统能够实现四种工作模式，主要包括：发动机单独驱动模式，纯电动驱动模式，混合驱动模式及制动能量回收模式。所述串联式重度混合动力工程机械传动系统进入发动机单独驱动模式时，工作原理：发动机通过离合器将动力输入到分动箱，分动箱一部分动力驱动负载液压系统工作，剩余的动力驱动电动发电机工作，发出的电能供电动机驱动行驶系统工作，多余能量可以储存到动力电池中；所述串联式重度混合动力工程机械传动系统进入纯电动驱动模式，工作原理：在特殊工况或发动机出现故障情况下，动力电池同时驱动两台电机工作，电动机驱动行驶系统工作，电动发电机通过分动箱驱动液压系统工作；所述串联式重度混合动力工程机械传动系统进入混合驱动模式，工作原理如下：①发动机单独驱动液压系统，电动机单独驱动行驶系统；②电动机单独驱动行驶系统，发动机与电动发电机联合驱动液压系统；③发动机部分动力驱动液压系统，剩余动力驱动电动发电机工作，将发出的电能与动力电池共同驱动电动机工作。所述串联式重度混合动力工程机械传动系统进入制动能量回收模式，工作原理：当整车制动过程时，驱动电动机产生制动力进行制动能量回收，回收的能量为动力电池充电。当系统纯电动工作时，离合器断开，其他工况下离合器均处于闭合状态；所述电动发电机在系统纯电动模式下，作为电动机驱动液压系统工作，在混合模式工作时，又可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，包括机械传动系统、电气连接系统和控制系统，其特征在于，所述机械传动系统包括发动机（1）、离合器（2）、分动箱（3）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电动机（8）、变速箱（9）和主减速器与差速器（10），其中发动机（1）输出轴与离合器（2）一端相连，离合器（2）另一端与分动箱（3）输入Ⅰ轴连接，分动箱（3）输入Ⅱ轴与电动发电机（5）输出轴相连，分动箱（3）输出轴与液压系统（4）连接，电动机（8）作为行驶系统的动力元件，电动机（8）输出轴与变速箱的（9）输入轴同轴相连，变速箱（9）的输出轴连接主减速器和差速器（10）；/n所述电气连接系统包括发动机（1）、离合器（2）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电机控制器（6）、动力电池（7）、电动机（8）、变速箱（9）和ECU系统（11），其中电机控制器（6）的输入端与动力电池（7）连接，输出端分别连接电动发电机（5）和电动机（8），ECU系统（11）分别与发动机（1）、离合器（2）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电机控制器（6）、动力电池（7）、电动机（8）及变速箱（9）连接；/n所述控制系统包括ECU系统（11）和模糊逻辑控制器，其中ECU系统（11）与模糊逻辑控制器连接；/n所述ECU系统采集工况信号并进行数据分析及处理，将数据信号输入到模糊逻辑控制器中，根据控制规则制定合理的控制方案，规划发动机、电动发电机及电动机的工作模式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，包括机械传动系统、电气连接系统和控制系统，其特征在于，所述机械传动系统包括发动机（1）、离合器（2）、分动箱（3）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电动机（8）、变速箱（9）和主减速器与差速器（10），其中发动机（1）输出轴与离合器（2）一端相连，离合器（2）另一端与分动箱（3）输入Ⅰ轴连接，分动箱（3）输入Ⅱ轴与电动发电机（5）输出轴相连，分动箱（3）输出轴与液压系统（4）连接，电动机（8）作为行驶系统的动力元件，电动机（8）输出轴与变速箱的（9）输入轴同轴相连，变速箱（9）的输出轴连接主减速器和差速器（10）；
所述电气连接系统包括发动机（1）、离合器（2）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电机控制器（6）、动力电池（7）、电动机（8）、变速箱（9）和ECU系统（11），其中电机控制器（6）的输入端与动力电池（7）连接，输出端分别连接电动发电机（5）和电动机（8），ECU系统（11）分别与发动机（1）、离合器（2）、液压系统（4）、电动发电机（5）、电机控制器（6）、动力电池（7）、电动机（8）及变速箱（9）连接；
所述控制系统包括ECU系统（11）和模糊逻辑控制器，其中ECU系统（11）与模糊逻辑控制器连接；
所述ECU系统采集工况信号并进行数据分析及处理，将数据信号输入到模糊逻辑控制器中，根据控制规则制定合理的控制方案，规划发动机、电动发电机及电动机的工作模式。


2.根据权利要求1所述的一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，其特征在于，系统在发动机单独驱动模式下工作时，发动机（1）一部分能量驱动液压系统（4）工作，另一部分能量驱动电动发电机（5）工作，产生的电能通过驱动电动机（8）供行驶系统工作。


3.根据权利要求1所述的一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，其特征在于，当动力电池（7）SOC值较低时，系统在混合模式下工作，发动机（1）驱动液压系统（4）工作，多余的能量驱动电动发电机（5）发电，产生的电能一部分驱动电动机（8）供行驶系统工作，剩余的电能给动力电池（7）充电。


4.根据权利要求1所述的一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，其特征在于，当动力电池（7）SOC值处于中位时，系统在混合模式下工作，发动机（1）只驱动液压系统（4）工作，而动力电池（7）驱动传动系统工作。


5.根据权利要求1所述的一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，其特征在于，当动力电池（7）SOC值较高且液压系统（4）需求功率较大时，系统在混合模式下工作，发动机（1）与电动发电机（5）共同驱动液压系统（4）工作，而动力电池（7）驱动电动机（8）供传动系统工作。


6.根据权利要求1所述的一种串联式重度混合动力工程机械传动系统，其特征在于，当动力电池（7）SOC值较高，系统在纯电动模式下工作，发动机（1）不工作，离合器（2）断开，系统能量来源于动力电池（7），电动机（8）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志文，李晓杰，董小瑞，杜文杰，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14