動臂勢能再生混合儲能系統的設計與分析研究

肖廣鑫，賀湘宇，胡薜禮，譚麗莎

(長沙理工大學 汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410114)

引言

工程機械整體能耗高、排放差，因此針對工程機械的液壓傳動系統的能量再生研究成為熱點[1-2]?，F有的液壓能量再生技術研究主要集中于重力勢能再生、制動動能再生等方面[3-4]。

重力勢能再生是工作裝置或重物下落過程中重力勢能的回收儲存并再利用, 研究對象主要包括液壓挖掘機、叉車和起重機等[5-7]。其中，液壓挖掘機動臂勢能再生是該方向研究最為深入的領域之一[8-9]。GE Lei等[10]針對液壓挖掘機動臂，提出了一種非對稱泵直接閉環驅動工作裝置的新方案。通過該方案，動臂產生的重力勢能向儲能裝置的轉換效率可達82.7%，上升和下降周期的能耗比IMC系統降低75%。夏連鵬等[9，11]為了能有效的回收液壓挖掘機動臂勢能，提出了一種基于三腔液壓缸的綜合驅動能量回收系統，與常規的雙腔液壓缸驅動系統相比，采用三腔液壓缸驅動系統，動臂運行能耗降低了50.1%。LIN T等[12-13]，提出了一種液壓馬達-發電機能量回收系統(MGERS)和液壓蓄能器-液壓馬達-發電機能量回收系統(AMGERS)基于液壓挖掘機動臂下降時產生的勢能回收，建立了兩種能量回收系統的仿真模型,并進行了對比分析。AMGERS的能量再生效率為41%，而MGERS的能量再生效率為17%。HE X等[14]提出了一種采用二次調節靜壓技術能量再生系統(ERS)的電池動力靜壓車輛(BHV)；根據BHV的工作特性，提出了3種能量再生模式(ERMs)，分別為電池模式(模式A)、電池-液壓蓄能器模式(模式B)和液壓蓄能器模式(模式C)；建立了3種ERMs的仿真模型和控制策略，研究結果表明，A模式比B模式和C模式具有更好的能效。

液壓蓄能器廣泛應用于制動能量再生和動臂勢能再生[15-16]。但液壓蓄能器的能量密度低、吸放能壓力波動大嚴重影響了液壓蓄能器的儲能效果，為解決液氣蓄能器能量密度低及氣體熱損失等問題，PEDCHENKO等[17]采用聚氨酯設計了一種高能量密度彈性材料蓄能器，初步實驗測試結果表明，該蓄能器能量密度可達到11～300 kJ/kg。但是，高能量密度彈性材料有時會產生截面載荷分布不均衡的現象，TUCKER等[18]提出分布式活塞彈性體蓄能器，可通過反向拉伸聚氨酯材料來解決此問題，實現了材料性能利用的最大化。VAN D V[19]認為常規蓄能器工作壓力不穩定是由于能量變化所致，因此提出壓縮氣體活塞采用可變面積滾動膜片，不僅保證了液體端輸出壓力恒定，還能增加蓄能器的能量密度。雖然液壓蓄能器取得了大量成果，促進了液壓儲能理論的發展，但是，這些液氣蓄能器在工程裝備上應用依舊存在不足，因此提出了一種集液壓儲能、氣體儲能和電能儲能優點于一體的混合能量儲能系統(HES)[20]。

1 HES工作原理

1.1 基本結構

圖1是HES的原理圖，相比傳統的液壓蓄能器具有如下特點:

圖1 HES的原理圖

(1) 針對傳統蓄能器能量密度低的問題，HES不僅具有氣體儲存單元(ASU)和液壓儲存單元(HSU)，而且通過齒輪齒條的工作特點添加了1個電儲存單元(ESU)，電儲存單元包括增速器，電動機/發電機和蓄電池等；

(2) HES中的ESU的發電機和蓄電池的能量轉化效率比傳統的液壓蓄能器能量轉化效率要高，因此，通過ESU可以降低能量在轉化過程時能量的損耗，提高能量利用率；

(3) HES在釋放的時候，可通過控制ESU中的電動機對液壓油釋放壓力進行調節，穩定釋放壓力波動，從而降低其對主系統回路的影響，并緩解因前期供能過高導致后續供能不足的問題。

1.2 工作原理

以SWE17-ED型1.7 t小型液壓挖掘機為基礎，整體結構如圖2所示。SWE17-ED液壓控制系統如圖3所示，主要規格參數，如表1所示。

表1 SWE17-ED的主要參數

圖2 SWE17-ED型電控液壓挖掘機實驗臺

圖3 SWE17-ED液壓控制系統原理圖

所述的反鏟機械手主要包含動臂、斗桿和鏟斗，分別由動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸進行驅動。這些液壓缸的伸縮是通過改變電液比例閥的位置來控制壓力油方向的。內燃機驅動液壓泵產生壓力油。當操作員拉動操縱桿時，控制器對控制信號進行處理，輸入先導閥，控制先導油，最終改變電液比例閥的位置。

故此，針對動臂油缸升降，采用HES，當動臂下降時，對動臂下降時產生的勢能進行回收儲存。當動臂上升時，再將之前儲存于HES中的能量進行釋放，輔助主油路工作，實現能量再利用。

圖4是基于HES的動臂勢能再生系統原理圖，此系統回收和釋放時的能量流圖，如圖5和圖6所示。

圖4 基于HES的動臂勢能再生系統

圖5 能量回收流圖

圖6 能量釋放流圖

從圖5可知，當液壓挖掘機動臂下降時，比例換向閥在左側位置，換向閥1也處于左側位置，換向閥2在初始位置。動臂無桿腔壓力油進入HSU無桿腔中，從而推動活塞運動，ASU中氣體開始壓縮儲能，與此同時，通過齒輪齒條驅動ESU中的發電機發電，再將電能儲存在電池中，實現能量回收。

當液壓挖掘機動臂上升時，從圖6可知，比例換向閥在右側位置，換向閥1原位關閉狀態，換向閥2處于左側位置。ASU中的壓縮氣體釋放，同時ESU中電池向電機提供動力，通過齒輪齒條，使ASU和ESU中能量釋放，共同推動HSU中活塞運動，氣體壓縮能和電能轉化為液壓能。 HSU的液壓油通過換向閥2、液壓泵和比例換向閥，進入動臂油缸無桿腔，從而推動動臂上升，實現能量再利用。

2 HES仿真建模

2.1 仿真模型及參數

基于某1.7 t液壓挖掘機的技術參數，根據液壓挖掘機工況以及新系統的工作原理，利用HES對動臂下降時的能量進行回收，當動臂上升時，再利用HES中回收的能量。建立的AMESim模型如圖7所示，其部件參數設置如表2所示。

表2 1.7 t液壓挖掘機性能參數

圖7 AMESim模型

2.2 數學模型

液壓蓄能器的力平衡方程為：

(1)

式中，ps—— 液壓系統壓力

pa—— 蓄能器壓力

qa—— 進入蓄能器液體流量

Aa—— 蓄能器活塞面積

ma—— 蓄能器活塞質量

Ba—— 彈性模量

液壓蓄能器的流量連續性方程為：

(2)

式中，Va為蓄能器容積。

ESU中具有電池和發電機/電動機。電池充電時，將電能轉換為化學能，電池放電時，又將化學能轉換為電能，而荷電狀態(SOC)是判斷電池實時容量的重要參數，一般定義為剩余容量與全電荷容量之比。電池充電或放電，在這時間間隔dt內，SOC的變化值ΔS與電流i的關系如下方程:

(3)

式中，由于Q(i)為對應于電流變化率i的電池的安時(Ah)容量。因此，電池的SOC可表達為：

(4)

式中,S0為SOC的初始值，電池的供給能量可表示為：

(5)

式中，u(i,S)是電池的端電壓，是電池電流和SOC的函數。

而電動機/發電機的輸出轉矩是由控制器進行控制?？紤]控制器延時和機械響應，電動機/發電機的機械模型可以表達為：

(6)

式中，τem是電動機/發電機控制器延時常數，Tem,set是電動機/發電機的目標轉矩。電動機/發電機的輸出或輸入機械功率可表達為：

Pem=Temwe

(7)

式中，Pem是電動機/發電機功率，we為電動機/發電機轉矩。電機處于電動機模式時Pem為正；否則，Pem為負。

電動機/發電機的效率可表達方程為：

ηem=f(Tem，we)

(8)

式中，ηem分別為電機處于電動機模式或發電機模式時的效率。

當電動機/發電機工作于電動機模式時，其電輸入功率可通過如下方程式計算：

(9)

式中，Pem,input是電動機/發電機電輸入功率，且為正。

當電動機/發電機工作于發電機模式時，其輸出電功率可通過如下方程式計算：

Pem,output=ηemPem

(10)

式中，Pem,output是電動機/發電機的電輸出功率，且為負。

3 研究結果及分析

首先，根據液壓挖掘機工作特點，以SWE17-ED小型液壓挖掘機技術參數為基礎，選擇了一個典型的工作周期進行仿真分析：動臂上升-下降-再上升。如圖8所示是實驗臺工作循環示意圖，利基于SWE17-ED的空載工作循環，對于HES的仿真模型進行檢驗。圖9為液壓挖掘機動臂油缸整個工作循環時位移曲線圖。當動臂第一次上升時，只有發動機-泵供油，動臂油缸外伸約450 mm，耗時3 s，之后動臂位置不變2 s。當動臂下降時，油缸收縮約400 mm，耗時3 s，在這期間，HES對動臂下降時產生的勢能回收，之后動臂位置不變2 s。最后動臂再上升，耗時約2.6 s，在這期間，HES將之前儲存的能量釋放，協助發動機共同驅動泵工作，向動臂油缸無桿腔供油，推動動臂上升。

圖8 SWE17-ED空載工作循環測試圖

I.動臂第一次上升 II.動臂下降 III.動臂再次上升圖9 動臂油缸位移曲線

分析了動臂下降時所產生的總能量變化，從圖9中可知，當動臂在第7秒時，動臂開始下降，耗時3 s后，動臂下降結束。由于在動臂下降過程中，HES處于打開狀態，對動臂下降勢能進行回收。因此在動臂下降的3 s中，各部分能量分布如圖10所示，在動臂下降的整個過程中動臂產生的總能量約4063 J，其中HES回收的總能量約3630 J, HES中ESU和ASU分別回收一部分能量，其ESU回收能量約2850 J，ASU回收能量約687 J。根據計算，采用HES可以回收約87.05%的勢能。

圖10 HES吸收時能量分布

圖11是HES中液壓儲存單元(HSU)油缸在回收和釋放時的速度和位移特性曲線,圖12是HES中ASU氣缸在回收和釋放時壓力和位移特性曲線，氣體儲存單元氣缸內氣體預壓設置為1 MPa。從圖中可知，在回收的3 s中氣缸收縮約483 mm，氣缸內氣體壓力從1 MPa 上升至1.88 MPa。

圖11 HSU中液壓缸速度位移曲線圖

圖12 ASU中氣缸壓力位移曲線圖

圖13是HES能量釋放圖。當液壓挖掘機工作，動臂再次上升，此時控制HES將之前儲存好的能量進行釋放，釋放時間約2.6 s，HES總共釋放了約1487 J的能量，其中電儲存單元釋放968.3 J，氣體儲存單元釋放660.3 J。其中電儲存單元沒有釋放全部的能量，大部分能量仍然存儲在電池中。

圖13 HES能量釋放

4 結論

提出一種將液壓儲能、氣體儲能和電能儲能優點于一體的HES，并以HES作為儲能元件對液壓挖掘機動臂勢能進行回收和再利用。在AMESim中搭建了仿真模型，通過分析仿真結果，HES可回收約87.05%的勢能，表明HES節能效果顯著。