液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)動能回收與再利用

曹宏利， 馮克溫， 黃偉男， 葛 磊， 權(quán) 龍

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部/山西省重點實驗室， 山西 太原 030024)

引言

環(huán)境問題和能源危機已經(jīng)成為世界性的嚴重問題。行走機械裝備應(yīng)用量大，但油耗高、排放差，提高能源效率一直是業(yè)內(nèi)緊迫且富有挑戰(zhàn)的任務(wù)[1]。多數(shù)行走機械裝備，如輪式裝載機，具有在作業(yè)過程中頻繁啟停和車身重量大的特點，會產(chǎn)生大量的制動能量，如不利用會造成能量損失和產(chǎn)生熱量。對頻繁啟制動行走機械裝備的制動能量回收和再利用，是降低能耗的有效途徑。

目前重型工程裝備動勢能回收的主要方法有液壓回收和電氣回收[2]兩種方式。液壓回收是利用原機液壓馬達或增設(shè)新液壓馬達將制動動能回收到蓄能器中，構(gòu)成液壓混合動力單元，再利用時釋放蓄能器內(nèi)的高壓油液輔助驅(qū)動系統(tǒng)。張濤等[3]、朱曉基等[4]通過臺架試驗分析液壓馬達排量和液壓壓力對蓄能器能量回收效率的影響，增大蓄能器容積以及降低蓄能器最小工作壓力有利于回收制動能量。韓慧仙[5]將此方程案應(yīng)用于裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)中，設(shè)計出了能量回收和輔助驅(qū)動的雙向工作方案。電氣回收則是在原系統(tǒng)中增設(shè)液壓泵/馬達和電動/發(fā)電機，在制動時將制動動能轉(zhuǎn)換為電能，存儲到超級電容中，再利用時將電能轉(zhuǎn)化成液壓能或機械能。林添良等[6-7]對該方案展開了廣泛研究，結(jié)果表明該方案能量回收利用率可達到40%。

在近期政府工作報告和兩會中，多次提及“碳中和”、“碳達峰”要求。與之相應(yīng)，行走機械裝備的動力源，也由燃油發(fā)動機為主逐漸向電動化轉(zhuǎn)變。李潔等[8]提出一種基于超級電容和蓄能器的挖掘機復(fù)合動作能量回收與再利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)比原純電驅(qū)液壓挖掘機系統(tǒng)節(jié)能29%。陳俊屹等[9]對比研究了傳統(tǒng)燃油與電動挖掘機的動力總成，試驗結(jié)果表明在高轉(zhuǎn)速時電動節(jié)能性提高了19%以上。

工程機械裝備的系統(tǒng)配置、部件和運行周期固定之后，其燃油或能耗經(jīng)濟性主要取決于能量控制策略，包括能量再生制動策略和再利用輔助啟動策略。SUN等[10]以最優(yōu)方式協(xié)調(diào)各動力總成部件,設(shè)計了基于邏輯閾值法的能量再生和再利用策略來控制各種運行模式的動態(tài)轉(zhuǎn)換。YU等[11]為提高能量再生效率，提出了液壓馬達與控制閥聯(lián)合和可變蓄能器能量控制策略，通過挖掘機行走試驗臺測試節(jié)能效果，在不同條件下能夠減少23%～ 56%的能耗。WEN等[12]提出一種調(diào)整動力系統(tǒng)混合度的能源管理策略，在裝載機行走系統(tǒng)上進行節(jié)能驗證，減少約18.9%能耗。

近年來，權(quán)龍等[13]將動勢能與液壓能直接轉(zhuǎn)換，提出了液電混合主被動復(fù)合驅(qū)動原理，顯著降低了驅(qū)動電機的裝機功率和系統(tǒng)的能耗。趙斌等[14]在電梯啟制動系統(tǒng)中，利用液壓馬達和蓄能器回收電梯和配重的重力勢能，再利用時輔助驅(qū)動電梯，可顯著降低曳引機裝機功率和系統(tǒng)能耗。喬舒斐等[15]提出電動缸為主、液壓缸-蓄能器為輔的液電混合動臂驅(qū)動方案,液電混合驅(qū)動系統(tǒng)能耗降低50%。郝云曉等[16]根據(jù)此原理設(shè)計了新型液電混合驅(qū)動方案，采用電-機械執(zhí)行器和液壓缸共同驅(qū)動負載，與傳統(tǒng)閥控缸系統(tǒng)相比，液電混合驅(qū)動系統(tǒng)可節(jié)能43.1%。以上研究結(jié)果表明，液電混合驅(qū)動原理的節(jié)能效果顯著，在重型工程機械裝備領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的潛力[1]。但是，目前尚未見到對行走驅(qū)動系統(tǒng)的研究。

本研究提出了一種液電混合裝載機行走動力系統(tǒng)的節(jié)能方案，以捕獲通常因制動損失的動能。在裝載機勻速行走過程中電機作為主驅(qū)動，液壓泵/馬達-蓄能器回收制動動能，再利用時輔助電機啟動。闡述本研究所提液電混合系統(tǒng)工作原理并設(shè)計主要元件參數(shù)，設(shè)計了再生制動和能量再利用策略，在Simulation X環(huán)境下建立了液電混合裝載機仿真模型。仿真結(jié)果表明，該方案有效地提高了裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)的能耗經(jīng)濟性和工作性能，極大降低了行走驅(qū)動電機的裝機功率。

1 工作原理

1.1 電動裝載機工作原理

圖1為電動輪式裝載機工作循環(huán)過程，電機動力通過變速器驅(qū)動裝載機行走。一次完整物料的裝卸作業(yè)循環(huán)包括①～③裝車：空載前進，滿載后退；④～⑥卸車：滿載前進，空載后退。制動時，除地面摩擦阻力產(chǎn)生一部分制動扭矩之外，還需電機額外提供制動扭矩完成制動過程，這部分能量如不回收利用，最終將轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，造成能源浪費。

圖1 電動輪式裝載機工作循環(huán)Fig.1 Work cycle of electric wheel loader

1.2 液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)

液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)工作原理如圖2所示，在原電動驅(qū)動方案上，系統(tǒng)增設(shè)液壓泵/馬達、液壓蓄能器、控制閥、油箱和溢流閥等，與電機共同驅(qū)動裝載機行走系統(tǒng)。與其他解決方案相比，所提出的液電混合動力驅(qū)動主要優(yōu)點是效率和動力性能更高，對傳動系統(tǒng)修改相對較小。

當裝載機開始加速啟動，此時電機處于電動狀態(tài)，三位四通換向閥處于右位全開狀態(tài)，二位二通開關(guān)閥處于右位關(guān)閉，蓄能器釋放高壓油液給液壓泵/馬達， 此時液壓泵/馬達處于 “馬達” 工況，產(chǎn)生驅(qū)動扭矩通過扭矩耦合器與電機共同驅(qū)動，具體受力為：

圖2 液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of traveling drive system of hybrid hydraulic-electric loader

(1)

式中，Tm，TP/M—— 電機，液壓泵/馬達的輸出扭矩

i0—— 電機減速器的減速比

iP/M—— 液壓泵/馬達扭矩耦合器的減速比

J—— 裝載機整車系統(tǒng)的等效慣量

ω—— 行走傳動軸轉(zhuǎn)速

Bm—— 傳動系統(tǒng)的摩擦因數(shù)

當裝載機處于勻速行走階段時，由于行走需求功率低，由電機單獨驅(qū)動行走系統(tǒng)，四位三通換向閥處于中位關(guān)閉狀態(tài)，二位二通開關(guān)閥處于左位全開，液壓泵/馬達的進出油口連通，具體受力為：

i0Tm=Bmω

(2)

當裝載機制動時，四位三通換向閥處于左位全開狀態(tài)，二位二通開關(guān)閥處于右位，液壓泵/馬達出油口與蓄能器接通，處于“泵”工況，回收制動動能，具體受力為：

(3)

1.3 液壓再生制動扭矩分配

液電混合的制動力F分配與純電動驅(qū)動不同，為實現(xiàn)能量最大回收率，設(shè)定在正常制動時，總制動扭矩由液壓再生制動系統(tǒng)提供，如圖3所示，當需要緊急制動時，為確保安全，采用液壓再生制動配合電動制動共同提供制動扭矩的復(fù)合制動方式。除摩擦制動扭矩外，液壓泵/馬達提供的最大再生制動扭矩與所需制動扭矩的差由電動制動系統(tǒng)提供。因此，液電混合的制動扭矩為：

緊急制動：Tbk=i0iP/MTP/M+i0Tm

(4)

式中, Δp—— 液壓馬達進、回油腔壓差

VP/M—— 液壓馬達排量

η—— 機械效率

圖3 制動扭矩分配Fig.3 Braking torque distribution

對于滿載和空載不同工況，裝載機的重量變化很大，會導致制動能量的顯著變化。因此，液壓泵/馬達的排量選定應(yīng)考慮在在滿載正常工況下最大回收制動動能。

1.4 能量再利用輔助啟動策略

液壓蓄能器具有功率密度高、高速率、高頻率充放能量的優(yōu)點，然而能量密度相對較低，需要精心設(shè)計能量再利用策略，最大限度發(fā)揮節(jié)能潛力。因此，如圖4所示，設(shè)計3種能量輔助啟動策略：

圖4 能量輔助啟動策略

策略1：啟動開始，液壓泵/馬達排量調(diào)至較大，液壓泵/馬達和電機共同輸出驅(qū)動扭矩提供行走動力。當蓄能器釋能完畢，壓力下降到最低工作壓力時，蓄能器關(guān)閉，液壓泵/馬達排量進出油口連通，由電機單獨繼續(xù)供行走動力直至加速完畢。

策略2：啟動開始，由電機單獨提供行走動力，裝載機速度上升至一定值時，液壓泵/馬達開始介入。此時，液壓泵/馬達排量調(diào)到合適值，與電機共同提供行走動力完成加速過程。

策略3：啟動開始至勻速整個加速過程，液壓泵/馬達排量調(diào)到較小值，全程由液壓泵/馬達和電機共同提供推進動力。

2 理論分析及參數(shù)設(shè)計

如表1所示，以某6.6 t裝載機參數(shù)，進行理論分析和液壓泵/馬達和蓄能器的參數(shù)設(shè)計。

表1 某6.6 t裝載機參數(shù)Tab.1 Parameters of a 6.6 t loader

2.1 液壓蓄能器

當制動時，液壓泵將液壓油從油箱輸送到蓄能器，密封在蓄能器內(nèi)部的氣體壓力就會增加，從而儲存能量。因此，蓄能器需要具有足夠的容量來儲存裝載機的制動能量，即：

(5)

式中，p0—— 蓄能器最小工作壓力

V0—— 最小工作壓力對應(yīng)的氣體體積

p1—— 蓄能器蓄能時的工作壓力

n—— 氣體多變指數(shù)

v—— 裝載機工作最大速度

m—— 裝載機質(zhì)量

因此，蓄能器的最小工作壓力為：

(6)

式中,r—— 車輪半徑

amax=dvmax/dt—— 最大正常制動加速度

設(shè)定蓄能器最高工作壓力為20 MPa，最小工作壓力為7 MPa，體積為12 L。

2.2 液壓泵/馬達

液電混合裝載機的輔助動力源是一個變排量的軸向柱塞泵/馬達，通過斜盤傾角來調(diào)節(jié)排量，以吸收或產(chǎn)生所需的扭矩。據(jù)此，液壓泵/馬達排量為：

(7)

選定液壓泵/馬達的排量為150 mL/r。

2.3 控制閥

四位三通換向控制閥和二位二通開關(guān)控制閥在工作過程中均處于全開或全閉狀態(tài)，因此，閥的最小流量為：

(8)

選定四位三通換向閥和二位二通開關(guān)閥的流量為200 L/min可滿足要求。

3 仿真研究

在Simulation X環(huán)境下建立液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，以驗證所提出的系統(tǒng)配置和能量控制策略的節(jié)能效果。

圖5 液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型Fig.5 Simulation model of traveling drive system of hybrid hydraulic-electric loader

3.1 制動能量再生仿真

液電混合裝載機行走驅(qū)動系統(tǒng)在正常制動下的液壓再生制動能量回收仿真結(jié)果，如圖6所示。液壓泵/馬達輸出轉(zhuǎn)矩為200 N·m，電機輸出轉(zhuǎn)矩在振蕩之后，輸出約為0 N·m，可知此時電機并未參與制動。在裝載機的行進速度由2.48 m/s下降為0 m/s的2 s內(nèi)，蓄能器的壓力由6.5 MPa上升到8.2 MPa，液壓制動扭矩也隨之升高，裝載機制動完成。定義制動能量再生率為：

(9)

圖6 正常制動的再生能量仿真結(jié)果Fig.6 Regenerative energy simulation results of normal braking

由仿真數(shù)據(jù)計算，在裝載機正常制動模式下,液電混合動力系統(tǒng)的制動能量回收率為55%。

當遇到突發(fā)狀況，需要緊急制動時(制動加速度a>1.24 m/s2)，此時需要協(xié)調(diào)液壓再生制動系統(tǒng)和電動制動系統(tǒng)共同提供總的制動扭矩，復(fù)合制動仿真結(jié)果如圖7所示。液壓泵/馬達輸出扭矩為200 N·m，電機輸出扭矩約為100 N·m。裝載機的速度由2.4 m/s 快速停止,蓄能器的壓力由6.5 MPa上升到7.8 MPa，在1.5 s內(nèi)制動完成。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)計算，液電混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為39%。

圖7 復(fù)合制動的再生能量仿真結(jié)果Fig.7 Regenerative energy simulation results of composite braking

3.2 能量再利用輔助啟動仿真

純電動行走驅(qū)動系統(tǒng)的啟動過程如圖8所示。裝載機速度在4 s內(nèi)由0 m/s逐漸增加到2.48 m/s，在1～2.5 s過程中，由于需要克服系統(tǒng)的靜摩擦，加速度振蕩較激烈。在2.5～5 s，加速過程較穩(wěn)定，電機的輸出扭矩較高，約為230 N·m。在5 s時完成加速過程，電機的輸出扭矩降低至約90 N·m。

圖8 純電動驅(qū)動裝載機啟動過程仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of pure electric drive loader starting process

采用本研究設(shè)計的輔助啟動策略1、策略2和策略3的仿真過程，分別如圖9～圖11所示。策略1在啟動開始就將液壓泵/馬達的輸出扭矩介入，此時電機只需要輸出較小扭矩，約為80 N·m，液壓泵/馬達提供大部分扭矩，約為150 N·m。在1～3.5 s時間里，液壓蓄能器的壓力由8.5 MPa迅速下降到6.4 MPa，液壓泵/馬達的輸出扭矩也降低，為保證啟動加速度不變，電機輸出扭矩上升。在3.5 s時，蓄能器釋能完畢，液壓泵/馬達無法繼續(xù)提供動力，輸出扭矩為0 N·m，電機輸出扭矩迅速上升至230 N·m，裝載機的加速度有比較明顯的振蕩。

圖9 策略1輔助啟動過程仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of strategy 1 assisted start process

策略2在啟動開始階段不進行輔助啟動，因此1～3.7 s 啟動過程與純電動驅(qū)動相同。在3.7 s時，蓄能器釋能，液壓泵/馬達輸出扭矩輔助啟動，液壓泵/馬達提供一部分驅(qū)動扭矩，約為90 N·m，由此電機輸出扭矩由230 N·m降低至140 N·m。

圖10 策略2輔助啟動過程仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of strategy 2 assisted start process

圖11 策略3輔助啟動過程仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of strategy 3 assisted start process

策略3是在啟動的全程進行輔助，因此需要調(diào)整液壓泵/馬達的排量實現(xiàn)蓄能器緩慢釋放能量。此時，液壓泵/馬達可提供的輸出扭矩約為60 N·m，電機輸出扭矩約為170 N·m。全程由液壓泵/馬達和電機共同提供驅(qū)動力，沒有動力源的突然介入和撤出，裝載機行走的加速度較為平順，與純電動驅(qū)動方案均具有較好的運行品質(zhì)。

電機輸出功率和系統(tǒng)能量消耗仿真結(jié)果如圖12所示。在啟動開始，策略1驅(qū)動扭矩大部分由液壓泵/馬達提供，因此電機輸出功率較小。在蓄能器能量釋放完畢時，裝載機速度還未達到行駛速度，就需要電機繼續(xù)高功率運行，因此電機的峰值功率在后半程比較高，與純電動驅(qū)動幾乎相同。策略2與策略1恰好相反，策略2則是在啟動一段時間之后，液壓泵/馬達輔助驅(qū)動再行介入，因此驅(qū)動前半程與純電動驅(qū)動方案相同，后半程則極大地降低了電機的峰值功率。策略3采用全程輔助啟動，由于蓄能器的能量緩慢釋放，電機的輸出功率全程中處于策略1和策略2之間。

圖12 不同輔助啟動策略功率和能量分析Fig.12 Power and energy analysis of different assisted start strategies

從電機的輸出功率平穩(wěn)程度來看，策略1和策略2均在兩種輔助驅(qū)動的切換點(介入和撤出)有較明顯的波動，這是由于系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性差異引起的[17-18]；而策略3啟動全程不存在切換，平穩(wěn)性更好，具有更好的駕駛性能。從能耗來看，相較純電動驅(qū)動方案，3種策略均實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果。

3.3 能耗特性分析

在裝載機典型運行周期下，本研究提出的液電混合驅(qū)動系統(tǒng)主要部件工作控制信號，系統(tǒng)節(jié)能能力在無負載和有負載(1000 kg)情況下的仿真對比，分別如圖13和圖14所示。由表2功率與能耗結(jié)果對比可知：在無負載時，液電混合驅(qū)動峰值功率較純電動驅(qū)動降低10.71 kW，約41%。液電混合驅(qū)動能量消耗較純電動驅(qū)動減少0.36×105J，約32%。在有負載時，液電混合驅(qū)動峰值功率較純電動驅(qū)動降低10.97 kW，約39%。液電混合驅(qū)動能量消耗較純電動驅(qū)動減小0.33×105J，約26%。

按照圖1所示完整的一次裝載機裝卸作業(yè)計算，能量消耗降低約29%，表明該方案較純電動驅(qū)動裝載機行走方案具有更優(yōu)秀的節(jié)能能力。

4 結(jié)論

本研究的主要目的是為行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計一種節(jié)能方案，捕獲制動動能并再利用輔助驅(qū)動，以降低系統(tǒng)能耗，主要結(jié)論如下：

圖13 無負載工況下裝載工作過程仿真Fig.13 Simulation of loading process under no-load condition

圖14 負載工況下裝載工作過程仿真Fig.14 Simulation of the loading process under load conditions

(1) 在安全前提下，應(yīng)盡可能采用液壓制動以最大回收制動動能；采用策略3輔助啟動全程較為平順；

表2 純電動驅(qū)動和液電混合驅(qū)動功率與能耗對比Tab.2 Comparison of power and energy consumption between pure electric and hydraulic-electric hybrid driving

(2) 方案有效地回收和再利用了裝載機的前進或后退的制動動能，驅(qū)動電機的峰值功率降低約39%，一次完整作業(yè)能量消耗減少約29%；

(3) 該方案針對一般的電動化的工程機械的行走驅(qū)動系統(tǒng)具有普遍適用性。