一、研究背景

（一）工程机械行业节能减排形势与现状

中国经济高速增长，但高排放问题突出，节能减排已成为我国重要国策。我国工程机械主机保有量至少300万台，每年消耗大量燃油，排放大量二氧化碳等有害气体，对环境污染严重。工程机械作为内燃机产品的第二大使用行业，工作范围虽限于工地，但因其密度大，排放情况劣于汽车。近年来，国家和地方扩大工程项目投资，工程机械面临快速增长期，如2010年上半年装载机产量同比增长54.3%，销量增长37.5%，创历史新高。然而，“十一五”最后一年赋予其节能减排的更多责任，工程机械行业面临节能降耗的技术难题。其产品工况复杂，为适应各种情况，内燃机需适应最困难工况，导致动力系统与传动系统不匹配、装机功率过大、发动机效率低下、制动能量不可回收等问题，进而使工程机械燃油经济性差、排放高。

（二）混合动力技术在汽车领域的应用启示

混合动力技术最早起源于汽车工业，混合动力车辆装有除内燃机以外的其他形式动力源。与传统内燃机动力相比，混合动力主要优点在于采用高功率能量储存装置（飞轮、超级电容或蓄电池），可回收、存储制动能量，在大负载情况下与内燃机一起释放能量，能减小发动机装机功率、提高效率、降低排放。且混合动力车辆基本不改变现有车辆产业结构、能源体系和用户使用习惯。经过大量研究，许多国家和汽车制造厂家将混合动力系统作为减少燃油消耗和降低排放的首选技术，并在多方面取得重大进展，油电混合动力技术开展最早，在小型汽车上已有多款产品投放市场。但汽车行业常用的油电混合动力技术不一定适用于工程机械，目前油电混合动力技术存在能量存储装置（电池）功率较小，短时间无法接收和释放较大能量，制动能量回收效率低（只有20%左右）；制造成本较高，投入商品化的油电混合动力汽车多处于政府补贴状态；蓄电池对环境敏感，带来不安全隐患，且电池充放电次数有限（以目前性能最好的动力电池为例，保持高性能情况下的充放电次数仅为500次左右），报废电池处理不当会造成环境污染；用于混合动力汽车的电机需具备多种性能特点，目前广泛使用的交流感应电机存在功率和效率之间的矛盾，需进一步研制更高效的电机替代等问题。

（三）液压混合动力技术的兴起

基于油电混合动力车辆的现状，液压混合动力提出采用电液二次调节系统作为传动方式。液压元件和系统具有很高的功率密度，充放能量速度比蓄电池快得多。利用液压蓄能器这一特点，在大中型车辆、城市公交车辆、工程机械上配置带液压蓄能器的能量再生装置，并与发动机动力传动系相结合，改装后的车辆成为多能源驱动的动力车辆。目前，这种混合动力车辆的研究开发受到国外许多大型汽车公司重视，但国内尚未开展深入研究工作。液压混合动力技术目前主要应用在大功率的公路运输车辆上，如大型卡车、大型城市公共交通车辆和工程机械等具有较大驱动功率的车辆上。

二、研究意义

（一）提升工程机械节能效果

液压与电气混合驱动的节能控制策略研究，能够有效解决传统液压动力系统工作效率低、无法实现匹配负载等问题，降低工程机械的耗油水平。通过合理利用电池和柴油机同时工作，在负载较小时柴油机发电储存多余电能，负载压力大时释放储存电能为电机工作提供电力，以及采用液压混合动力技术回收、存储制动能量等方式，提高能源利用效率，减少燃油消耗，降低二氧化碳等有害气体排放，对节能减排具有重要意义。

（二）推动工程机械行业发展

研究该节能控制策略有助于提升工程机械的整体性能和质量。一方面，降低劳动强度、减少使用成本，提高工作效率，使工程机械在市场竞争中更具优势；另一方面，适应国家节能减排政策要求，避免因高排放等问题受到限制，促进工程机械行业的可持续发展。同时，为工程机械行业的技术创新提供方向和思路，推动行业向智能化、节能化方向发展。

（三）促进相关技术融合与应用

液压与电气混合驱动涉及液压传动技术、电气控制技术、智能控制算法等多学科知识的融合。研究该领域的节能控制策略，能够促进不同技术之间的交叉应用和创新发展，推动智能传感器、工业以太网通信、新型材料等相关技术在工程机械中的应用，提升工程机械的智能化水平和可靠性。

三、研究内容

（一）电液复合驱动系统协同工作机制研究

着重研究电液复合驱动系统中泵控与阀控技术的融合机制。通过大量实验数据，明确不同工况下二者协同工作的最佳参数范围。例如在不同负载、不同运动速度等工况下，确定泵的排量、压力和阀的开口大小、流量等参数的最优组合，以提升系统整体的能量转换效率，实现液压与电气驱动的高效协同。

（二）智能控制算法在电液复合驱动装备中的应用研究

聚焦智能控制算法在电液复合驱动装备中的应用，采用模糊自适应PID控制算法等。依据系统实时反馈的压力、流量等参数，动态调整控制参数，实现精准的位置与速度控制。例如在工程机械的起重臂升降、挖掘机的铲斗挖掘等动作中，通过智能控制算法使执行机构能够按照预定的轨迹和速度准确运动，提高作业精度和效率。

（三）电液复合驱动系统故障诊断机理研究

深入剖析机械装备电液复合驱动系统的故障诊断机理，利用故障特征提取技术，结合振动信号、油液分析等多源数据，建立故障模式库。例如通过对液压系统油液中的金属颗粒含量、粘度等参数的分析，以及振动信号的频谱分析，判断液压泵、液压阀等部件的磨损、泄漏等故障类型，快速准确地定位故障点，为系统的维护和维修提供依据。

（四）电液复合驱动系统节能优化策略研究

探索电液复合驱动系统的节能优化策略，基于模型预测控制理论，提前预测负载需求，优化油泵电机的运行模式，降低系统能耗。例如根据工程机械的工作循环和历史数据，预测下一个工作阶段的负载大小，提前调整油泵电机的转速和功率输出，避免不必要的能量消耗。据实际案例统计，采用节能优化策略可节能15% - 20%。

（五）电液复合驱动系统可靠性研究

开展机械装备电液复合驱动系统的可靠性研究，通过可靠性增长试验，分析系统关键部件的失效模式与寿命分布。例如对液压缸、液压马达等关键部件进行长时间的运行试验，记录其故障发生的时间和类型，分析其寿命分布规律，制定针对性的维护策略，如定期更换易损件、加强部件的润滑和冷却等，延长系统使用寿命。

（六）智能传感器在电液复合驱动及智能控制中的应用研究

研究智能传感器在电液复合驱动及智能控制中的应用，如高精度的压力传感器和位移传感器等。这些传感器能够实时、准确地获取系统运行状态信息，为智能控制提供可靠数据支持。例如压力传感器可以实时监测液压系统的工作压力，位移传感器可以准确测量执行机构的位置，将这些数据反馈给控制系统，实现对系统的精准控制。

（七）电液复合驱动系统动态特性分析与控制器设计

分析电液复合驱动系统的动态特性，运用系统辨识方法建立精确的数学模型。基于此模型设计合适的控制器，改善系统的响应速度和稳定性。例如通过建立液压系统的传递函数模型，设计PID控制器或其他先进控制器，使系统在受到外部干扰时能够快速恢复到稳定状态，提高系统的动态性能。

（八）电液复合驱动及智能控制的网络化发展研究

关注机械装备电液复合驱动及智能控制的网络化发展，构建工业以太网通信架构，实现设备远程监控与故障诊断。例如通过工业以太网将工程机械的控制系统与远程监控中心连接起来，操作人员可以在监控中心实时监测设备的运行状态，及时发现故障并进行诊断和处理，提高设备管理的便捷性与高效性。

（九）电液复合驱动系统与新型材料结合应用研究

致力于电液复合驱动系统与新型材料的结合应用研究，例如采用高性能的轻量化材料制造液压缸体。在减轻设备重量的同时，提升系统的强度与耐用性。如使用碳纤维复合材料制造液压缸体，既可以降低液压缸的重量，减少能量消耗，又可以提高液压缸的抗压能力和耐磨性，延长使用寿命。

（十）机械装备电液复合驱动及智能控制的人机协作研究

进行机械装备电液复合驱动及智能控制的人机协作研究，开发友好的人机交互界面，通过手势识别、语音控制等技术，实现操作人员与设备的高效协同作业。例如操作人员可以通过手势指令控制工程机械的起重臂升降和旋转，通过语音指令调整挖掘机的工作模式，提高操作的便捷性和安全性。