液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能特性及試驗(yàn)研究

劉昌盛等

摘要：針對(duì)目前液壓挖掘機(jī)能量利用率低、油耗高的問題，分析挖掘機(jī)在典型作業(yè)工況下的能量損耗，確定混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究的重要方向.根據(jù)混合動(dòng)力挖掘機(jī)的特點(diǎn)，提出基于超級(jí)電容與電機(jī)的并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，以山河智能公司20噸級(jí)液壓挖掘機(jī)為平臺(tái)建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力耦合特性、控制策略及超級(jí)電容SOC等因素給混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)能效果帶來(lái)的影響進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配.搭建液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明，采用油電并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并選擇合適的動(dòng)力耦合參數(shù)、瞬時(shí)優(yōu)化控制策略及超級(jí)電容SOC補(bǔ)償參數(shù)有利于提高液壓挖掘機(jī)的節(jié)能指標(biāo)，節(jié)能效率可改善20%以上.

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；混合動(dòng)力系統(tǒng)；節(jié)能；仿真模型；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Energy Saving Performance and Experimental Study

on Hybrid System of Hydraulic Excavator

LIU Changsheng1， HE Qinghua1，2， GONG Jun1， ZHAO Yuming1

（1.State Key Laboratory of High Performance Complicated， Central South Univ， Changsha，Hunan410083， China；

2.Sunward Intelligent Equipment Co Ltd， Changsha，Hunan410100，China）

Abstract：Based on low utilization rate of energy and high fuel consumption， the energy losses in the hydraulic excavator during typical working condition were analyzed， and the major directions of the energy saving research for the hybrid power system were derived. A parallel hydraulic & electric configuration for hybrid excavator was proposed based on capacitor and motor. For the hybrid power system based on SUNWARD 20T hybrid excavator， the paper established simulation model， and the effect of the power coupling characteristics， the control strategy， the capacitors State Of Charge on the hybrid excavator were studied by contrast calculation and simulation. And the key parameters were optimized and matched. At last the energy saving effect was studied by building test platform of hybrid system， and found that adopting the parallel hydraulic & electric system， selecting the appropriate parameters in power coupling， instantaneous optimization of control strategy， compensating parameter of capacitor SOC are helpful to improve the energy saving effect of hybrid excavator， and the energy saving efficiency can reach above 20%.

Key words： hydraulic excavator； hybrid system； energy saving； simulation model； experimental study

鑒于全球范圍內(nèi)能源短缺以及日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，各工程機(jī)械制造商和研究機(jī)構(gòu)開始重視工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用.作為工程機(jī)械的典型產(chǎn)品——液壓挖掘機(jī)，由于其負(fù)載工況惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)受到負(fù)載波動(dòng)的影響大，工作點(diǎn)大部分時(shí)間處于低效區(qū)，而且系統(tǒng)在能量傳遞過程中損失大，重力勢(shì)能和制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能浪費(fèi)嚴(yán)重，造成油耗大，能量利用率低，排放增加.因此，展開節(jié)能減排技術(shù)研究，降低油耗、減少排放、提高挖掘機(jī)能量利用率已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1，2].

近年來(lái)，混合動(dòng)力挖掘機(jī)的研究已成為工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)技術(shù)人士關(guān)注的焦點(diǎn).自2004年日本小松公司研制出世界上第一臺(tái)混合動(dòng)力挖掘機(jī)后，國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)制造企業(yè)如日本的神鋼、日立建機(jī)以及美國(guó)的卡特彼勒等都開展了混合動(dòng)力挖掘機(jī)研究工作[3-8].國(guó)內(nèi)山河智能、柳工等已開始研究混合動(dòng)力技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并完成了樣機(jī)研制[9].浙江大學(xué)張彥廷、王冬云等對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能效果、控制策略和節(jié)能方案等進(jìn)行了仿真研究[10-11].中南大學(xué)李鐵輝對(duì)混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收系統(tǒng)、參數(shù)匹配、控制算法等進(jìn)行了建模仿真和試驗(yàn)研究[12].

本文以液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，分析液壓挖掘機(jī)在典型作業(yè)工況下的能耗損失、節(jié)能潛力以及能量回收的主要途徑.設(shè)計(jì)基于超級(jí)電容與電機(jī)的并聯(lián)式油電混合動(dòng)力節(jié)能方案，建立系統(tǒng)仿真模型，分析系統(tǒng)動(dòng)力耦合特性、控制策略及超級(jí)電容SOC等因素對(duì)整機(jī)節(jié)能效果的影響，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配.搭建挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果和關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

1液壓挖掘機(jī)能量損耗分析

1.1挖掘機(jī)工況分析

液壓挖掘機(jī)的典型作業(yè)模式主要為挖掘土方作業(yè)，以山河智能公司20噸級(jí)液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，在分析其實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可得到液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況循環(huán)下的功率.圖1為挖掘機(jī)的典型作業(yè)循環(huán)，在單個(gè)挖掘作業(yè)周期內(nèi)，液壓挖掘機(jī)先后完成了挖掘、滿載舉升回轉(zhuǎn)、卸載和空載返回四個(gè)階段.

1.2挖掘機(jī)能耗分析

液壓挖掘機(jī)在作業(yè)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過液壓泵輸出動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)工作裝置（動(dòng)臂、斗桿、鏟斗）進(jìn)行挖掘，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn).此工況下挖掘機(jī)為定點(diǎn)挖掘，無(wú)行走動(dòng)作，執(zhí)行元件行走馬達(dá)不產(chǎn)生功率消耗.

液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)工況的需求功率和能量為

為了便于分析和比較，選取液壓泵的總輸出能量為基準(zhǔn)值，計(jì)算得到的各單元能量損耗均取此基準(zhǔn)值的相對(duì)值.根據(jù)山河智能20噸級(jí)液壓挖掘機(jī)的性能參數(shù)和實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到挖掘機(jī)在典型挖掘作業(yè)循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量損耗比，如圖2所示.

由圖2可知，回轉(zhuǎn)動(dòng)作能耗在液壓挖掘機(jī)典型挖掘作業(yè)工作循環(huán)總能耗中所占比重較大，達(dá)到了38%，因此可將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為液壓挖掘機(jī)節(jié)能的研究對(duì)象.另一方面，液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)具有波動(dòng)性和周期性強(qiáng)的特點(diǎn)，其負(fù)載功率曲線如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在該負(fù)載工況下輸出功率變化范圍大、波動(dòng)劇烈，造成工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最佳高效工作區(qū)域，工作效率低下，能量利用率不高，所以研究動(dòng)力源與負(fù)載的功率匹配實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能也具有重要意義.

2混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

液壓挖掘機(jī)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)液壓泵的唯一動(dòng)力源，液壓泵吸收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率并輸出壓力油驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，挖掘機(jī)工作時(shí)的制動(dòng)能均以節(jié)流的方式轉(zhuǎn)化為熱能消耗.根據(jù)前文分析，在傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)得到本文的液壓挖掘機(jī)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)整體方案，主要增加了油電混合驅(qū)動(dòng)單元、電回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)單元、電儲(chǔ)能單元以及整機(jī)能量管理單元.如圖4所示.

在該系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過動(dòng)力耦合作為輔助動(dòng)力源，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載.具體地，當(dāng)液壓泵需求功率高于發(fā)動(dòng)機(jī)高效功率段時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在電動(dòng)模式，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作；同理當(dāng)液壓泵需求功率較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電模式，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的多余功率，并儲(chǔ)存在電儲(chǔ)能系統(tǒng).這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)外負(fù)載的“削峰填谷”作用，以穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工況，保證其工作在合理高效工作區(qū)間來(lái)獲得較優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性.

針對(duì)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)，采用回轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)及回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量的回收再利用.這樣不僅能避免回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)原液壓馬達(dá)產(chǎn)生的溢流損失，而且能在回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程中將回轉(zhuǎn)平臺(tái)的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)回收再利用，提高能量利用率.

3理論結(jié)果及分析

3.1混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真建模

為了從理論上對(duì)液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，在分析系統(tǒng)各單元元件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在AMESim環(huán)境下建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示.模型中變量泵出口壓力由比例溢流閥控制，來(lái)模擬挖掘機(jī)負(fù)載壓力；主泵的輸出流量可通過調(diào)節(jié)變量泵排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，來(lái)模擬負(fù)載流量.變量泵出口壓力和流量數(shù)據(jù)可通過液壓挖掘機(jī)實(shí)際工作過程采集獲得.

這里以20噸級(jí)液壓挖掘機(jī)為混合動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，整車和動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示.

3.2動(dòng)力耦合特性

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)提供挖掘機(jī)作業(yè)負(fù)載的平均功率輸出，與其同軸并聯(lián)耦合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)則輸出負(fù)載需求力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)力矩的差值，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供重載挖掘時(shí)的大功率輸出或輕載時(shí)的輸入儲(chǔ)能.因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩響應(yīng)特性對(duì)其與發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵的動(dòng)力耦合性能的影響較大.圖6（a）～（d）為驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩響應(yīng)時(shí)間分別在300 ms，150 ms，100 ms，10 ms時(shí)的系統(tǒng)力矩分配曲線.從圖中可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩響應(yīng)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)力矩輸出的穩(wěn)定性有較大影響，其力矩響應(yīng)時(shí)間越快，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩曲線波動(dòng)越小，工作更平穩(wěn).

3.3動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略是整個(gè)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，它的優(yōu)劣將直接影響到挖掘機(jī)節(jié)能減排的效果.目前常用的控制策略主要為基于規(guī)則的邏輯門限控制、自適應(yīng)PID控制等[13-15].

這里提出一種以系統(tǒng)瞬時(shí)全局能量消耗率最小為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略，在所設(shè)定的挖掘機(jī)負(fù)載條件下，決定發(fā)動(dòng)機(jī)、超級(jí)電容、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)之間的最優(yōu)輸入輸出功率分配，使系統(tǒng)在挖掘機(jī)工作過程中的瞬時(shí)能量消耗最少.

具體方法是通過將系統(tǒng)各能量單元的輸入輸出功率等效為發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗方程，從而建立混合動(dòng)力系統(tǒng)瞬時(shí)全局能量消耗率最小的目標(biāo)函數(shù)，以功率守恒和負(fù)載需求為條件，求出最優(yōu)解.以系統(tǒng)瞬時(shí)全局能量消耗率最小為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力分配的同時(shí)還引入超級(jí)電容SOC（State of Change，荷電狀態(tài)）補(bǔ)償函數(shù)，保證SOC穩(wěn)定在安全合理范圍內(nèi).

建立系統(tǒng)等效能量消耗函數(shù)為

3.4超級(jí)電容SOC

前文的瞬時(shí)優(yōu)化控制策略在綜合考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)能量消耗率最小的同時(shí)，還需考慮超級(jí)電容的工作荷電范圍SOC，通過加入SOC補(bǔ)償函數(shù)，采取主動(dòng)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)SOC保持在合理波動(dòng)范圍.

SOC補(bǔ)償函數(shù)如下式所示

其中：Sop為超級(jí)電容最優(yōu)工作點(diǎn)；λ為電容SOC調(diào)整系數(shù).考慮到挖掘機(jī)實(shí)際工況和超級(jí)電容特性，避免出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，電容SOC的正常工作范圍設(shè)為50%～90%，最優(yōu)工作點(diǎn)為70%，以保證超級(jí)電容可以同時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作或能量回收充電的需求.

當(dāng)超級(jí)電容SOC偏離工作荷電狀態(tài)上下限值時(shí)，通過提高或降低電機(jī)與超級(jí)電容的等效能量消耗率，來(lái)使等效能量目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解趨向于放電釋能或充電儲(chǔ)能.所以通過標(biāo)定調(diào)整系數(shù)λ，來(lái)保持電容SOC在合理工作范圍.若取λ>0，從式中可以得出，當(dāng)SOC>Sop時(shí)， α<1，函數(shù)最優(yōu)解趨向于放電釋能；當(dāng)SOC1，函數(shù)最優(yōu)解趨向于充電儲(chǔ)能，使電容SOC維持在最優(yōu)工作點(diǎn)Sop附近.

圖8是液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)在調(diào)整系數(shù)λ不同取值下的超級(jí)電容SOC波動(dòng)范圍，由圖中可得，當(dāng)瞬時(shí)優(yōu)化控制策略未引入補(bǔ)償函數(shù)α?xí)r（即α=1），SOC的波動(dòng)范圍為24%到100%，波動(dòng)相對(duì)值大于75%，超出了超級(jí)電容工作荷電狀態(tài)上限，出現(xiàn)了電容過充現(xiàn)象，這表示單純的全局優(yōu)化控制策略無(wú)法保持電容SOC的穩(wěn)定工作.當(dāng)λ取0.1時(shí)，SOC波動(dòng)范圍相對(duì)值縮小至54%，隨著λ取值增大，SOC的波動(dòng)范圍越來(lái)越小，趨于穩(wěn)定在最優(yōu)工作區(qū)間，具體如表3所示.

所以在同一工況下，λ取值越大，超級(jí)電容SOC的波動(dòng)范圍越小.但需要注意的是，若λ取值太大，則SOC工作區(qū)間小，能量?jī)?chǔ)存和釋放的容量就越小，系統(tǒng)功率分配和能量回收功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)原則，最終將對(duì)系統(tǒng)綜合能量消耗率造成影響.因此系數(shù)λ的取值應(yīng)在保證電容SOC允許范圍內(nèi)盡可能選最小值，根據(jù)超級(jí)電容的工作特性，以SOC波動(dòng)范圍相對(duì)值在40%作為λ取值的條件，選取λ=0.18.

4試驗(yàn)研究

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果分析，在山河智能20噸級(jí)挖掘機(jī)上搭建混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，在典型挖掘作業(yè)循環(huán)下進(jìn)行節(jié)能效果研究并驗(yàn)證關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配的有效性，如圖9所示.系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)單元、回轉(zhuǎn)電機(jī)單元、超級(jí)電容單元、整車控制器及筆記本電腦通過CAN總線連接，整車控制器作為下位機(jī)來(lái)采集傳感器和手柄操作數(shù)據(jù)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出控制指令，并向上位機(jī)筆記本電腦發(fā)送傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，上位機(jī)完成系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).

圖10為挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)在瞬時(shí)優(yōu)化控制策略下的能量消耗曲線.在70 s測(cè)試時(shí)間里，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)和基于瞬時(shí)優(yōu)化控制策略的混合動(dòng)力系統(tǒng)所消耗能量分別為1 134 kJ，867 kJ，節(jié)能效率改善達(dá)到23.6%.與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，瞬時(shí)優(yōu)化控制策略在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作過程中進(jìn)行功率最優(yōu)分配使能量消耗明顯減少，燃油經(jīng)濟(jì)性更高.圖11為混合動(dòng)力系統(tǒng)中超級(jí)電容SOC波動(dòng)曲線，由圖中可以看出，引入SOC補(bǔ)償函數(shù)并取適當(dāng)?shù)恼{(diào)整系數(shù)λ，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)較高節(jié)能效率的同時(shí)，保持超級(jí)電容SOC工作在50%～90%的合理波動(dòng)范圍內(nèi).

根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)負(fù)流量特性，當(dāng)主閥處于中位時(shí)，液壓泵泵口壓力較低，輸出流量小，設(shè)計(jì)當(dāng)斗桿在外擺行程終點(diǎn)時(shí)，快速操作手柄以獲得主泵溢流壓力使發(fā)動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊負(fù)載，來(lái)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)力矩響應(yīng)性.如圖12所示，在21 s前發(fā)動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊負(fù)載的影響，轉(zhuǎn)速?gòu)? 820 r/min掉至1 707 r/min，從29 s開始引入驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩200 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩從617 N·m減小到403 N·m，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減弱，發(fā)動(dòng)機(jī)工況得到有效優(yōu)化，工作平穩(wěn).

5結(jié)論

1）對(duì)液壓挖掘機(jī)在典型作業(yè)工況下能耗，以及混合動(dòng)力挖掘機(jī)的節(jié)能潛力和主要途徑進(jìn)行了分析.

2）設(shè)計(jì)了一種基于電機(jī)+超級(jí)電容回收方式的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力耦合特性、控制策略及超級(jí)電容SOC等因素對(duì)混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)能效果的影響進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真分析，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配.

3）搭建了挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的節(jié)能效果和關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明，根據(jù)液壓挖掘機(jī)工況特點(diǎn)，采用油電并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并選擇合適的動(dòng)力耦合參數(shù)、瞬時(shí)優(yōu)化控制策略及超級(jí)電容SOC補(bǔ)償參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)有利于提高挖掘機(jī)的節(jié)能指標(biāo).

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