液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)節(jié)能特性及試驗研究*

劉昌盛，何清華，龔 俊，趙喻明

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100)

液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)節(jié)能特性及試驗研究*

劉昌盛1?，何清華1,2，龔 俊1，趙喻明1

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100)

針對目前液壓挖掘機能量利用率低、油耗高的問題，分析挖掘機在典型作業(yè)工況下的能量損耗，確定混合動力系統(tǒng)進行節(jié)能研究的重要方向.根據混合動力挖掘機的特點，提出基于超級電容與電機的并聯式油電混合動力系統(tǒng)方案，以山河智能公司20噸級液壓挖掘機為平臺建立系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)動力耦合特性、控制策略及超級電容SOC等因素給混合動力挖掘機節(jié)能效果帶來的影響進行理論計算和仿真分析，并對系統(tǒng)關鍵參數進行了優(yōu)化匹配.搭建液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)試驗平臺，對系統(tǒng)的節(jié)能效果進行試驗驗證.研究結果表明，采用油電并聯混合動力系統(tǒng)，并選擇合適的動力耦合參數、瞬時優(yōu)化控制策略及超級電容SOC補償參數有利于提高液壓挖掘機的節(jié)能指標，節(jié)能效率可改善20%以上.

液壓挖掘機；混合動力系統(tǒng)；節(jié)能；仿真模型；試驗研究

鑒于全球范圍內能源短缺以及日趨嚴格的排放法規(guī)，各工程機械制造商和研究機構開始重視工程機械節(jié)能技術的研究與應用.作為工程機械的典型產品——液壓挖掘機，由于其負載工況惡劣，發(fā)動機受到負載波動的影響大，工作點大部分時間處于低效區(qū)，而且系統(tǒng)在能量傳遞過程中損失大，重力勢能和制動動能轉為熱能浪費嚴重，造成油耗大，能量利用率低，排放增加.因此，展開節(jié)能減排技術研究，降低油耗、減少排放、提高挖掘機能量利用率已成為當前國內外研究熱點[1，2].

近年來，混合動力挖掘機的研究已成為工程機械行業(yè)內技術人士關注的焦點.自2004年日本小松公司研制出世界上第一臺混合動力挖掘機后，國內外挖掘機制造企業(yè)如日本的神鋼、日立建機以及美國的卡特彼勒等都開展了混合動力挖掘機研究工作[3-8].國內山河智能、柳工等已開始研究混合動力技術在挖掘機上的應用，并完成了樣機研制[9].浙江大學張彥廷、王冬云等對混合動力系統(tǒng)的節(jié)能效果、控制策略和節(jié)能方案等進行了仿真研究[10-11].中南大學李鐵輝對混合動力挖掘機能量回收系統(tǒng)、參數匹配、控制算法等進行了建模仿真和試驗研究[12].

本文以液壓挖掘機為研究對象，分析液壓挖掘機在典型作業(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.設計基于超級電容與電機的并聯式油電混合動力節(jié)能方案，建立系統(tǒng)仿真模型，分析系統(tǒng)動力耦合特性、控制策略及超級電容SOC等因素對整機節(jié)能效果的影響，并對關鍵參數進行了優(yōu)化匹配.搭建挖掘機混合動力系統(tǒng)試驗平臺，對系統(tǒng)的節(jié)能效果和關鍵參數優(yōu)化匹配進行試驗驗證.

1 液壓挖掘機能量損耗分析

1.1 挖掘機工況分析

液壓挖掘機的典型作業(yè)模式主要為挖掘土方作業(yè)，以山河智能公司20噸級液壓挖掘機為研究對象，在分析其實地測試數據的基礎上，可得到液壓挖掘機作業(yè)工況循環(huán)下的功率.圖1為挖掘機的典型作業(yè)循環(huán)，在單個挖掘作業(yè)周期內，液壓挖掘機先后完成了挖掘、滿載舉升回轉、卸載和空載返回四個階段.

1.2 挖掘機能耗分析

液壓挖掘機在作業(yè)過程中，發(fā)動機通過液壓泵輸出動力來驅動工作裝置(動臂、斗桿、鏟斗)進行挖掘，以及驅動轉臺回轉.此工況下挖掘機為定點挖掘，無行走動作，執(zhí)行元件行走馬達不產生功率消耗.

圖1 液壓挖掘機的典型作業(yè)循環(huán)

液壓挖掘機挖掘作業(yè)工況的需求功率和能量為

P=P動臂+P斗桿+P鏟斗+P回轉+P附件，

(1)

(2)

式中：P動臂，P斗桿，P鏟斗分別為動臂、斗桿、鏟斗油缸驅動功率；P回轉為回轉馬達驅動功率；P附件為整機附件功率.

其中，液壓各執(zhí)行元件在挖掘作業(yè)工況下的驅動功率分別為

Ppi=ppiQpi，

(3)

(4)

式中：ppi為各執(zhí)行元件進口壓力；Qpi為各執(zhí)行元件進口流量.

為了便于分析和比較，選取液壓泵的總輸出能量為基準值，計算得到的各單元能量損耗均取此基準值的相對值.根據山河智能20噸級液壓挖掘機的性能參數和實測試驗數據，計算得到挖掘機在典型挖掘作業(yè)循環(huán)中各液壓執(zhí)行元件的能量損耗比，如圖2所示.

挖掘機執(zhí)行元件動作

由圖2可知，回轉動作能耗在液壓挖掘機典型挖掘作業(yè)工作循環(huán)總能耗中所占比重較大，達到了38%，因此可將回轉系統(tǒng)作為液壓挖掘機節(jié)能的研究對象.另一方面，液壓挖掘機動力系統(tǒng)具有波動性和周期性強的特點，其負載功率曲線如圖3所示，發(fā)動機在該負載工況下輸出功率變化范圍大、波動劇烈，造成工作點遠離最佳高效工作區(qū)域，工作效率低下，能量利用率不高，所以研究動力源與負載的功率匹配實現發(fā)動機工作在高效區(qū)對挖掘機節(jié)能也具有重要意義.

時間/s

2 混合動力系統(tǒng)結構與原理

液壓挖掘機傳統(tǒng)動力系統(tǒng)中柴油發(fā)動機作為驅動液壓泵的唯一動力源，液壓泵吸收發(fā)動機輸出的功率并輸出壓力油驅動各執(zhí)行機構，挖掘機工作時的制動能均以節(jié)流的方式轉化為熱能消耗.根據前文分析，在傳統(tǒng)液壓挖掘機的基礎上，結合國內外應用最廣泛的混合動力驅動技術，設計得到本文的液壓挖掘機并聯式混合動力系統(tǒng)整體方案，主要增加了油電混合驅動單元、電回轉驅動與制動單元、電儲能單元以及整機能量管理單元.如圖4所示.

圖4 混合動力系統(tǒng)結構原理圖

在該系統(tǒng)中，驅動電機通過動力耦合作為輔助動力源，與發(fā)動機共同協調驅動負載.具體地，當液壓泵需求功率高于發(fā)動機高效功率段時，驅動電機工作在電動模式，輔助發(fā)動機驅動液壓泵工作；同理當液壓泵需求功率較小時，驅動電機工作在發(fā)電模式，吸收發(fā)動機的多余功率，并儲存在電儲能系統(tǒng).這樣實現對外負載的“削峰填谷”作用，以穩(wěn)定發(fā)動機工況，保證其工作在合理高效工作區(qū)間來獲得較優(yōu)的燃油經濟性.

針對液壓挖掘機回轉系統(tǒng)特點，采用回轉電機來實現轉臺驅動及回轉制動能量的回收再利用.這樣不僅能避免回轉啟動時原液壓馬達產生的溢流損失，而且能在回轉制動過程中將回轉平臺的動能實現回收再利用，提高能量利用率.

3 理論結果及分析

3.1 混合動力系統(tǒng)仿真建模

為了從理論上對液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)進行仿真評價，在分析系統(tǒng)各單元元件數學模型的基礎上，在AMESim環(huán)境下建立了混合動力系統(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，來模擬挖掘機負載壓力；主泵的輸出流量可通過調節(jié)變量泵排量和發(fā)動機轉速實現，來模擬負載流量.變量泵出口壓力和流量數據可通過液壓挖掘機實際工作過程采集獲得.

圖5 混合動力系統(tǒng)仿真模型

這里以20噸級液壓挖掘機為混合動力系統(tǒng)平臺進行仿真分析，整車和動力系統(tǒng)的主要參數如表1所示.

3.2 動力耦合特性

在混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機持續(xù)提供挖掘機作業(yè)負載的平均功率輸出，與其同軸并聯耦合的驅動電機則輸出負載需求力矩與發(fā)動機目標力矩的差值，輔助發(fā)動機提供重載挖掘時的大功率輸出或輕載時的輸入儲能.因此，驅動電機的力矩響應特性對其與發(fā)動機、液壓泵的動力耦合性能的影響較大.圖6(a)～(d)為驅動電機力矩響應時間分別在300ms,150ms，100ms，10ms時的系統(tǒng)力矩分配曲線．從圖中可知，驅動電機力矩響應特性對發(fā)動機力矩輸出的穩(wěn)定性有較大影響，其力矩響應時間越快，發(fā)動機輸出力矩曲線波動越小，工作更平穩(wěn).

表1 整機和動力系統(tǒng)主要參數

為了定量分析發(fā)動機穩(wěn)定性所受到的影響，計算得到驅動電機在不同力矩響應時間下與之相對應的發(fā)動機輸出力矩波動差值，如表2所示．

表2 驅動電機力矩響應對發(fā)動機穩(wěn)定性的影響

由表2可得出，隨著驅動電機輸出力矩響應時間的加快，發(fā)動機力矩波動差值明顯減小，發(fā)動機工作的穩(wěn)定性增強.目前在混合動力系統(tǒng)中常采用的永磁同步電機，其力矩響應時間為100～300 ms，綜合電機實際特性與混合驅動性能，可將驅動電機力矩響應時間定為150 ms.

時間/s(a)響應時間為300 ms

時間/s(b)響應時間為150 ms

時間/s(c)響應時間為100 ms

時間/s(d)響應時間為10 ms

3.3 動力系統(tǒng)控制策略

混合動力系統(tǒng)控制策略是整個系統(tǒng)的研究重點，它的優(yōu)劣將直接影響到挖掘機節(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PID控制等[13-15].

這里提出一種以系統(tǒng)瞬時全局能量消耗率最小為目標的優(yōu)化控制策略，在所設定的挖掘機負載條件下，決定發(fā)動機、超級電容、驅動電機和回轉電機之間的最優(yōu)輸入輸出功率分配，使系統(tǒng)在挖掘機工作過程中的瞬時能量消耗最少.

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)動機能量消耗方程，從而建立混合動力系統(tǒng)瞬時全局能量消耗率最小的目標函數，以功率守恒和負載需求為條件，求出最優(yōu)解.以系統(tǒng)瞬時全局能量消耗率最小為基礎進行動力分配的同時還引入超級電容SOC(State of Change，荷電狀態(tài))補償函數，保證SOC穩(wěn)定在安全合理范圍內.

建立系統(tǒng)等效能量消耗函數為

GSYS(GE,GM,SOC)=GE+α·GM．

(5)

式中：GSYS為系統(tǒng)等效能量消耗率；GE為發(fā)動機能量消耗率；GM為驅動、回轉電機和超級電容等效能量消耗率；α為電容SOC的補償函數.由發(fā)動機萬有特性曲線，采集數據輸出轉矩和轉速查詢能量消耗曲線可得發(fā)動機瞬時燃油消耗率，如式6所示：

GE=f(TE,nE)．

(6)

式中：TE為發(fā)動機輸出轉矩，nE為發(fā)動機轉速.

在混合動力挖掘機作業(yè)過程中，根據負載變化和執(zhí)行機構動作，驅動電機與回轉電機可分別切換電動、發(fā)電兩種工作模式，聯合超級電容可得四種工況下驅動、回轉電機和超級電容等效能量消耗函數：驅動電機和回轉電機均為電動模式GM1，驅動電機發(fā)電而回轉電機電動模式GM2，驅動電機電動和回轉電機發(fā)電模式GM3，驅動電機和回轉電機均為發(fā)電模式GM4.

(7)

(8)

(9)

(10)

GM=[GM1,GM2,GM3,GM4]．

(11)

因此，優(yōu)化問題為超級電容SOC工作在合理范圍的約束下，求使得瞬時系統(tǒng)能量消耗率最小的功率分配方案，可描述為

(12)

式中：SOCmin為超級電容SOC下限值；SOCmax為超級電容SOC上限值.

圖7為采用瞬時優(yōu)化控制策略下發(fā)動機的工作點分布圖，從圖中可以看出，發(fā)動機的工作點分布雖然相對分散，但主要工作點仍集中于高效經濟區(qū)間，實現了系統(tǒng)能量消耗率最優(yōu)的目標，改善了燃油經濟性.

時間/s

3.4 超級電容SOC

前文的瞬時優(yōu)化控制策略在綜合考慮混合動力系統(tǒng)能量消耗率最小的同時，還需考慮超級電容的工作荷電范圍SOC，通過加入SOC補償函數，采取主動策略來實現SOC保持在合理波動范圍.

SOC補償函數如下式所示

(13)其中：Sop為超級電容最優(yōu)工作點；λ為電容SOC調整系數.考慮到挖掘機實際工況和超級電容特性，避免出現過充過放現象，電容SOC的正常工作范圍設為50%～90%，最優(yōu)工作點為70%，以保證超級電容可以同時滿足驅動電機工作或能量回收充電的需求.

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

圖8是液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)在調整系數λ不同取值下的超級電容SOC波動范圍，由圖中可得，當瞬時優(yōu)化控制策略未引入補償函數α時(即α=1)，SOC的波動范圍為24%到100%，波動相對值大于75%，超出了超級電容工作荷電狀態(tài)上限，出現了電容過充現象，這表示單純的全局優(yōu)化控制策略無法保持電容SOC的穩(wěn)定工作.當λ取0.1時，SOC波動范圍相對值縮小至54%，隨著λ取值增大，SOC的波動范圍越來越小，趨于穩(wěn)定在最優(yōu)工作區(qū)間，具體如表3所示．

時間/s1：λ=0；2：λ=0.1；3：λ=0.2；4：λ=0.4；5：λ=0.6；6：λ=0.8

表3 不同調整系數λ下超級電容SOC波動范圍

所以在同一工況下，λ取值越大，超級電容SOC的波動范圍越小.但需要注意的是，若λ取值太大，則SOC工作區(qū)間小，能量儲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法實現最優(yōu)原則，最終將對系統(tǒng)綜合能量消耗率造成影響.因此系數λ的取值應在保證電容SOC允許范圍內盡可能選最小值，根據超級電容的工作特性，以SOC波動范圍相對值在40%作為λ取值的條件，選取λ=0.18.

4 試驗研究

根據系統(tǒng)方案設計和仿真結果分析，在山河智能20噸級挖掘機上搭建混合動力系統(tǒng)試驗平臺，在典型挖掘作業(yè)循環(huán)下進行節(jié)能效果研究并驗證關鍵參數優(yōu)化匹配的有效性，如圖9所示.系統(tǒng)中的驅動電機單元、回轉電機單元、超級電容單元、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來采集傳感器和手柄操作數據，對混合動力系統(tǒng)輸出控制指令，并向上位機筆記本電腦發(fā)送傳感器實時數據和系統(tǒng)狀態(tài)反饋數據，上位機完成系統(tǒng)狀態(tài)實時顯示和測試數據的存儲.

圖10為挖掘機混合動力系統(tǒng)在瞬時優(yōu)化控制策略下的能量消耗曲線．在70s測試時間里，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)和基于瞬時優(yōu)化控制策略的混合動力系統(tǒng)所消耗能量分別為1 134kJ，867kJ，節(jié)能效率改善達到23.6%.與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，瞬時優(yōu)化控制策略在混合動力系統(tǒng)工作過程中進行功率最優(yōu)分配使能量消耗明顯減少，燃油經濟性更高.圖11為混合動力系統(tǒng)中超級電容SOC波動曲線，由圖中可以看出，引入SOC補償函數并取適當的調整系數λ，系統(tǒng)在實現較高節(jié)能效率的同時，保持超級電容SOC工作在50%～90%的合理波動范圍內.

圖9 混合動力系統(tǒng)試驗平臺

時間/s

時間/s

根據挖掘機液壓系統(tǒng)負流量特性，當主閥處于中位時，液壓泵泵口壓力較低，輸出流量小，設計當斗桿在外擺行程終點時，快速操作手柄以獲得主泵溢流壓力使發(fā)動機受到沖擊負載，來驗證驅動電機電動力矩響應性.如圖12所示，在21s前發(fā)動機受到沖擊負載的影響，轉速從1 820r/min掉至1 707r/min，從29s開始引入驅動電機力矩200N·m，發(fā)動機輸出力矩從617N·m減小到403N·m，轉速波動明顯減弱，發(fā)動機工況得到有效優(yōu)化，工作平穩(wěn).

時間/s

5 結 論

1)對液壓挖掘機在典型作業(yè)工況下能耗，以及混合動力挖掘機的節(jié)能潛力和主要途徑進行了分析.

2)設計了一種基于電機+超級電容回收方式的并聯混合動力系統(tǒng)，建立了混合動力系統(tǒng)的仿真模型，并對系統(tǒng)動力耦合特性、控制策略及超級電容SOC等因素對混合動力挖掘機節(jié)能效果的影響進行了理論計算和仿真分析，對關鍵參數進行了優(yōu)化匹配.

3)搭建了挖掘機混合動力系統(tǒng)試驗平臺，對該試驗系統(tǒng)的節(jié)能效果和關鍵參數優(yōu)化匹配進行了試驗驗證.研究結果表明，根據液壓挖掘機工況特點，采用油電并聯混合動力系統(tǒng)，并選擇合適的動力耦合參數、瞬時優(yōu)化控制策略及超級電容SOC補償參數等關鍵參數有利于提高挖掘機的節(jié)能指標.

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Energy Saving Performance and Experimental Study on Hybrid System of Hydraulic Excavator

LIU Chang-sheng1?, HE Qing-hua1,2, GONG Jun1, ZHAO Yu-ming1

(1.State Key Laboratory of High Performance Complicated, Central South Univ, Changsha,Hunan 410083, China;2.Sunward Intelligent Equipment Co Ltd, Changsha,Hunan 410100,China)

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 capacitor’s 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 capacitorSOCare helpful to improve the energy saving effect of hybrid excavator, and the energy saving efficiency can reach above 20%.

hydraulic excavator; hybrid system; energy saving; simulation model; experimental study

1674-2974(2015)08-0040-07

2014-04-21

國家科技支撐計劃資助項目(2014BAA04B01,2013BAF07B02)；國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2010AA044401)；湖南省科技計劃重點資助項目(2010GK2007)

劉昌盛(1982-)，男，湖北咸寧人，中南大學博士研究生

?通訊聯系人，E-mail:liuchangsheng@csu.edu.cn

TH39

A