并聯式油液混合動力挖掘機動力系統仿真研究

張敏杰 王慶九 管 成

浙江大學，杭州，310027

0 引言

液壓挖掘機用量大、排放不佳的特點使其節能研究備受關注。挖掘機工況復雜、負載波動劇烈，傳統的液壓挖掘機無法實現動力系統與負載的優化匹配，柴油機大部分時間工作在非高效區，因此燃油消耗高、排放差。為了改善節能效果，目前的挖掘機采用轉速感應控制實現發動機和泵的匹配，而在負載—泵環節，則采用負載傳感控制或負流量控制［1］。兩個環節都是靠調節泵的排量來實現局部功率匹配的，因此，現有液壓挖掘機不可能實現全局功率匹配，必須重新考慮挖掘機的動力結構［2］。

鑒于混合動力技術在汽車上的成功應用，目前已經受到了不少工程機械領域的專家和企業的關注。目前的混合動力根據儲能元件的不同，可以分為油電混合和油液混合。前者的儲能元件為超級電容和蓄電池，后者的儲能元件為液壓蓄能器。蓄電池的能量密度高，但是它的功率密度卻很低，只有30～100W／kg。而液壓蓄能器的功率密度可以達到500～1000W／kg［3］，能更好地滿足挖掘機瞬時大功率的需求。此外，液壓蓄能器具有的成本低、壽命長的特點使得油液混合動力技術逐漸成為人們的關注焦點之一。美國環保署（EPA）一直致力于該項技術的推廣。美國福特、日本三菱等公司也已經把該項技術應用于城市皮卡、城市垃圾車、城市公交車和重型卡車上。而在液壓挖掘機領域，油液混合技術尚處于起步階段。本文提出一種基于液壓蓄能器的油液混合動力方案，使得發動機能穩定工作在高效區，從而降低排放、提高效率。

1 挖掘機工況及發動機工作點

傳統的液壓挖掘機由行走機構、回轉平臺、動臂、斗桿、鏟斗、行走馬達等工作裝置組成，主要運動有整機行走、轉臺回轉、動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動等。每個動作由多個關節復合完成，每個關節工作所需要的功率相差很大。加上挖掘機工作環境惡劣，土壤情況差，扭矩變化大，因此泵的出口壓力波動劇烈。由于泵直接吸收發動機的輸出扭矩，因此發動機輸出扭矩波動劇烈，如圖1所示。傳統挖掘機發動機的工作點是漂移的，大部分的工作點分布于高油耗區，燃油效率低，如圖2所示。因此，要降低挖掘機的油耗，就必須使得發動機在各個油門開度下的工作點分布于最佳燃油點附近［4］。

圖1 15t液壓挖掘機重載模式下發動機輸出扭矩

圖2 傳統液壓挖掘機發動機工作點分布圖

2 油液混合動力原理及結構

油液混合動力系統是由發動機和帶有液壓蓄能器的液壓馬達／泵作為混合動力源的一種新型的混合動力系統［5］。該系統的關鍵部件為液壓馬達／泵以及蓄能器。液壓馬達／泵可工作于四個象限，既能作液壓泵又能作為液壓馬達。它能輸出較大扭矩，可以減小發動機裝機功率，降低排放，減少油耗，且結構緊湊。蓄能器的功率密度大，響應速度快，可以瞬時完成能量的充放。

現有研究的液壓混合共有串聯和并聯兩種模式，串聯式油液混合動力系統由發動機、變量泵、液壓馬達／泵、液壓蓄能器和動力裝置等以串聯的方式組成，如圖3所示。發動機驅動恒壓變量泵為系統提供恒壓動力油源。當發動機輸出功率大于負載所需功率時，多余的能量通過變量泵存儲在蓄能器中，液壓馬達／泵工作在馬達狀態，帶動變量泵，從而驅動液壓系統。當發動機動力不足，液壓蓄能器作為輔助動力源帶動液壓馬達／泵。當回收勢能時，液壓馬達／泵工作在泵狀態，往蓄能器中存儲能量。串聯系統避免了發動機與外界負載的直接聯系，因此發動機可以在一個特定工況區域內相對穩定地運行。但是串聯式系統能量傳遞環節多，能量損失和噪聲相對較大，并且結構復雜、成本高［6］。并聯系統由發動機和液壓蓄能器組成，如圖4所示。其中發動機、液壓馬達／泵與挖掘機的變量泵同軸相連。系統可以工作在液壓馬達／泵單獨驅動和發動機、液壓馬達／泵聯合驅動兩種模式下。在挖掘機怠速運行時可以關閉發動機，而在挖掘機裝載挖掘時，由于工況復雜，為了使發動機工作在穩態模式，故需要由液壓馬達／泵彌補負載的不足。并聯式靜液傳動混合動力系統整體效率高、元件體積小、噪聲低，但是增加了一個能量環，因此控制難度大。

圖3 串聯式油液混合動力挖掘機結構圖

圖4 并聯式油液混合動力挖掘機結構圖

根據串并聯混合動力系統的特性，本文選擇并聯混合動力系統進行仿真研究，原理圖如圖5所示。當液壓馬達／泵工作在泵狀態，通過液壓轉換系統使得A口和蓄能器相連，B口和油箱相連；當工作在馬達狀態，A口和油箱相連，B口和蓄能器相連。該系統具有兩個特點：①液壓馬達／泵的壓差始終為蓄能器氣體的壓力，方便了計算；②保證了液壓馬達／泵始終朝一個方向旋轉。

圖5 并聯式油液混合動力挖掘機動力系統原理圖

3 油液混合動力系統仿真模型

MATLAB中的仿真模塊如圖6所示，它包含控制模塊、PID模塊、蓄能器模塊、液壓馬達／泵模塊以及發動機模塊。該仿真模型采用閉環控制，控制對象為發動機的轉速。輸入為實際的挖掘機載荷譜。控制模塊根據SOC值確定油門開度以及目標轉速。

圖6 控制原理框圖

3.1 液壓馬達／泵模型

液壓馬達轉矩公式為

qV的計算公式為

式中，d為柱塞直徑；z為柱塞數量；D1為缸體上柱塞分布圓直徑；φ為斜盤轉角；k2為常量系數。

將式（2）代入式（1），則轉矩公式變為

式中，k1為常量系數。

3.2 蓄能器模型

蓄能器有多種形式，其中，氣囊式蓄能器具有氣囊慣性小、油氣隔離性好、比容大、密封性好、反應靈敏、充氣方便等特點［7］。膠囊式蓄能器的膠囊采用耐油橡膠，膠囊內充有氮氣。基于以上特點，本文油液混合動力挖掘機中采用氣囊式蓄能器。

根據理想氣體方程確定壓力與體積的基本關系：

1)PJM電力市場中，電能供需基本均衡。美國容量市場價格的設計原則為：在供需平衡的情況下，容量市場的價格等于發電成本減去在能量市場和輔助服務市場中已補償的成本。在供過于求的形勢下，RTO獲取更多的容量，但價格也會相應下降。總體定價的原則為補償其需求部分機組的全成本。

即

式中，p為蓄能器壓力，Pa；V為壓力為p時氣體的體積，L；p0為蓄能器的充氣壓力，Pa；V0為蓄能器中氣體的初始體積，L；n為氣體指數，對于氮氣，n＝1.4。

蓄能器的流量連續方程為

式中，V為蓄能器氣腔的體積。

而管路里流量為

式中，nm為液壓馬達轉速；V1為從蓄能器到液壓馬達的管路液體體積；βe為液體膨脹系數，取為βe＝6×10－10。

把式（2）代入式（7），聯合式（6）得

3.3 發動機模型

發動機的動力學模型主要是確定發動機輸出轉矩、轉速和油門位置三者的關系。由牛頓第一定律可得三者動力學關系：

式中，Med（ne，α）為發動機主軸輸出扭矩（即負載扭矩）；Me（ne，α）為發動機輸出扭矩，確定了發動機轉速和油門開度后通過查表得出；Je為等效發動機轉動慣量；Ce為等效黏性阻尼；ne為發動機轉速；α為發動機實際油門位置；αcom為發動機目標油門位置。

發動機調速器的動態響應為一階慣性環節，其數學模型為

式中，τ為調速器響應阻尼；k為調速手柄動態響應剛度。發動機模型中，取1。

3.4 控制模塊

除了建立各個部件的數學模型外，還需要有整體控制策略，從而協調各部件工作。為了初步驗證油液混合動力系統的節能效果，本文采用發動機多工作點控制策略。根據發動機萬有特性曲線，發動機每一個擋位下都有一個最佳燃油效率工作點。結合蓄能器SOC的變化來調整油門位置，并使得發動機工作在該油門位置下的最佳工作點，即：①根據負載情況初步確定發動機的目標油門開度α，本文初定油門開度為0.8；② 當蓄能器SOC≤SOCmin，發動機油門提高到最大值1，用于充能，直至充滿；③當蓄能器SOC≥SOCmax，發動機降低一擋油門至0.7；④ 當蓄能器SOCmin≤SOC≤SOCmax，發動機保持油門位置不變；⑤根據目標油門開度查表獲得確定目標轉速nset；⑥通過PID控制使得發動機轉速穩定到目標轉速。

蓄能器的SOC值設定為蓄能器瞬時油液量和蓄能器最大進油量之比［8］。當SOC為0時，蓄能器儲能為0；當SOC為1時，蓄能器儲能達到最大值。由于液壓蓄能器具有功率密度高的特點，能在瞬時達到所需功率，因此蓄能器可以實現全充全排。為了安全起見，留有一定余量，故設定SOCmin＝0.2，SOCmax＝0.8。

4 混合動力模型仿真及結果分析

4.1 參數選擇

本文模擬的是15t液壓挖掘機，它的動力系統的額定輸出功率為82kW（2200r／min轉速下），系統的動力配置為：發動機42.9kW（2200r／min轉速下），發動機功率不能選擇過大，以防止瞬時蓄能器被過充；液壓馬達／泵160kW（在35MPa，2200r／min時），在這里選擇大功率的液壓馬達，主要是由于液壓馬達的瞬時功率和蓄能器的壓力成正比，因此需要選擇較大余量，以防止液壓馬達不能補償峰值扭矩差。各部件的參數選擇如表1所示。

表1 并聯式混合動力挖掘機關鍵部件參數

4.2 仿真結果及比較

系統的動力輸入如圖1所示。數據采集于重載工況下15t挖掘機，采樣時間為一個工作循環。MATLAB／Simulink模型見圖7。

圖7 MATLAB／Simulink仿真模塊

圖8為普通液壓挖掘機的發動機轉速圖。由于負載波動劇烈，因此發動機轉速很不穩定，上下波動達到幾百轉。圖9為并聯式油液混合動力挖掘機發動機目標轉速圖，3個油門開度下對應的目標轉速值為：油門開度1，目標轉速2230r／min；油門開度0.8，目標轉速2046r／min；油門開度0.7，目標轉速1900r／min。圖10為實際轉速圖。可見當采用混合動力技術后，負載的波動完全由液壓蓄能器來補償，因此發動機得以穩定工作在各個油門位置下的工作點。圖11所示為蓄能器SOC值。可見在SOC過低或過高時，發動機會提高或降低擋位，保證蓄能器正常工作。

圖12所示為普通液壓挖掘機和并聯油液混合動力挖掘機系統燃油消耗圖。在一個工作循環后，共可節省燃油達30%。可見在采用并聯油液混合動力技術后，系統節省了燃油，減少了排放。

圖8 15t傳統液壓挖掘機發動機轉速圖

圖9 15t并聯油液混合動力液壓挖掘機發動機目標轉速圖

圖10 15t并聯油液混合動力液壓挖掘機發動機實際轉速圖

圖11 SOC值曲線

圖12 燃油消耗圖

5 結束語

仿真結果證明，采用油液混合動力能穩定發動機轉速，降低燃油消耗，從而提高整機動力性能，降低排放。油液混合動力液壓挖掘機在節能方面有著特有的潛力，是一個值得研究的方向。

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