基于復合電液式的大慣量回轉機構制動能量回收研究

王天義，田勇，徐鳳乾

(河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450001)

0 前言

在能源短缺和節能發展的時代背景下，綠色節能技術越來越受到國內外學者的關注。液壓挖掘機作為工程機械中的領航機械，廣泛應用于城市建設、礦山開采、水利電力等工程領域。傳統挖掘機的能量利用率很低，只有15%～20%。據統計，回轉系統的工作時間占一個標準工況的50%～60%，分為滿載正轉和空載反轉兩部分，制動過程中大量的動能經過溢流閥轉換為熱能浪費，導致回轉平臺部分的發熱量占整車發熱量的30%～40%，因此工程機械回轉制動能的回收利用研究對減輕系統發熱和節能減排具有重大意義。

目前已有很多學者針對挖掘機等工程機械的大慣量回轉部分進行了研究，根據儲能方式不同，大致分為三類，電氣式、液壓式和電液復合式。電氣式回收的主要儲能單元是蓄電池和超級電容，體積較小、能量密度大。劉昌盛等[1]在馬達的出口接液壓馬達-發電機回收單元，仿真研究表明，轉臺的穩定性得到提高，相比于傳統的挖掘機節能約40%。GONG等[2]利用液壓馬達-輔助泵-發電機回收單元，進行實機測試，證明回轉節能系統可以有效回收溢流損耗能量，降低了系統能耗。液壓式回收系統的主要儲能元件是液壓蓄能器，功率密度大，可以有效吸收制動過程的壓力脈動。姜繼海、HO等[3-4]研究了基于二次元件的能量回收系統，利用液壓泵/馬達四象特性的特點，將回轉制動的動能轉換為液壓能儲存在蓄能器中，實現動能的回收。秦濤等人[5]在回轉系統中加入蓄能器，用于回收制動動能，在下一次反轉時蓄能器釋放高壓油到液壓馬達入口，輔助電機驅動回轉系統，研究表明該回收系統一個標準工況內可降低能耗37.26%～53.29%，電氣式回收雖然采用綠色能源，但由于傳遞鏈長，而且受超級電容功率密度限制的原因，效率較低。液壓式回收能量轉換環節少，但受能量密度的限制，占整體空間較大。近幾年，如何合理地配置兩個回收方式成為研究熱點。權龍、李潔、CHEN等[6-8]針對挖掘機提出了一種電液復合式的回轉回收系統，在回轉馬達的出口接入液壓馬達-發電機回收單元和蓄能器，利用蓄能器快速回收大部分制動動能，同時通過馬達-發電機的組合機構可以實時補償蓄能器非線性充壓特性的影響。LIN、劉薇等人[9-10]為提高電驅工程機械的能量利用率，在電氣式回收系統中加入單個蓄能器，先由蓄能器吸收大量的液壓能，之后再驅動液壓馬達-發電機將液壓能轉換為電能儲存在超級電容中。這種方式避免了在一個工況中發電機的頻繁啟停，延長了充電時間。

目前，現有的能量回收系統研究忽略了實際工況和儲能元件配合的問題。因此，本文作者提出一個復合式電液回轉節能系統。在基礎電氣式回收模塊中加入小容積高壓蓄能器和大容積低壓蓄能器，分別用于滿載制動和空載制動2個階段，對回收單元進行參數設計，提出針對工況的能量回收策略并建立仿真模型，分析對比原系統與改進系統的節能效果。

1 復合式電液能量回收系統原理

1.1 電氣式回收系統

如圖1所示，傳統的回轉系統在制動過程中，以正轉為例，馬達A口壓力減小，B口壓力增大，回轉平臺的機械能轉換為出口油液的液壓能，當油液壓縮后的壓力升到溢流閥的設定值時，高壓油通過溢流閥流回油箱，溫升過大，大量動能被浪費，此時溢流閥起到制動作用。電氣式回收系統則是在回轉馬達的A、B口接入回收馬達-發電機回收單元，高壓油可驅動回收馬達發電。其缺點是馬達-發電機組動態響應慢，挖掘機制動時間一般為2～3 s，若此時處于非標準工況，回轉平臺需要微動作調整時，若角度太小難以實現回收，而且回收馬達的頻繁啟停對電機的壽命有較大影響。

圖1 電氣式回轉能量回收系統原理

1.2 復合電液式能量回收系統

充分利用蓄能器功率密度大和超級電容能量密度大的特點，設計如圖2所示的改進后的挖掘機回轉制動能量回收系統。

圖2 復合電液式回轉能量回收系統原理

該系統由轉臺回轉模塊和能量回收模塊組成，其中回收模塊又分為蓄能器回收和超級電容回收兩部分。

規定一個標準工況里，正轉為滿載，反轉為空載。當回轉平臺滿載制動時，換向閥9和16左位得電，回轉馬達14此時處于泵的狀態，B口的高壓油通過換向閥充入小容積高壓蓄能器17中，由于高壓蓄能器建立壓力的速度快，可以快速提供制動轉矩,減少機械制動的參與比例。當空載制動時，轉動慣量較小，由于蓄能器有效體積與容積正相關，選擇較大容積的低壓蓄能器18作為儲能元件，可以回收更多的制動能量，吸收壓力沖擊，增加系統的可靠性。當制動停止后，蓄能器17和18中儲存的高壓油可與換向閥21、23配合，以較低的速度驅動回收馬達22發電，延長充電時間，使發電機在1 500～2 000 r/min高效率區間內運行。能量回收系統控制策略如圖3所示，其中pacc17、pacc18、pmin17、pmin18、pmax17、pmax18分別表示蓄能器17和18的實時壓力、最小壓力和最大壓力。

圖3 能量回收系統控制策略流程

2 回收單元參數匹配

以某型號23t液壓挖掘機為研究對象，其回轉機構部分參數如表1所示。

表1 回轉部分參數

2.1 蓄能器

氣體加載式蓄能器吸放油液時間較短，可看作絕熱過程，取氣體多變常數n=1.4，系統中蓄能器與回轉馬達連接，故最大工作壓力為轉臺最大壓力，取p2=29 MPa，最低工作壓力p1和與預充壓力p0可根據經驗公式(1)—(3)[11]計算。

p1=(0.6～0.85)p2

(1)

p2≤3p1

(2)

0.25p2

(3)

蓄能器中的油液主要來自于回轉馬達出口流量的積累，按照傳統回轉系統制動時輸出的油液來計算蓄能器的有效體積Vw：

(4)

式中：Q為回轉馬達出口的瞬時流量，L/min；t1為制動開始時間，min；t2為制動結束時間，min。

將挖掘機實際參數代入仿真，測得滿載制動過程中馬達出口油液體積為4.5 L，空載制動過程中馬達出口油液體積為3.2 L，已知蓄能器有效容積占總容積的10%～25%，則蓄能器總容積為

(5)

計算后可得蓄能器的預充壓力為7～22 MPa，體積為10～25 L。

2.2 發電機

由于一個標準工況中回轉制動時間很短，要求發電機動態響應好、發電效率高，所以系統中選擇永磁同步電機作為回收元件。

電機力矩平衡方程為

(6)

式中：Tm為電機電磁轉矩，N·m；Tmec為輸出機械轉矩，N·m；J為轉子及負載轉動慣量，kg·m2；θ為旋轉角度，(°)；RΩ為黏滯摩擦因數。

2.3 超級電容

超級電容由于能量存儲方式為物理過程，相比于蓄電池可容納更多的電荷量，具有能量密度大、循環壽命長、綠色環保的優點。其等效電路如圖4所示。

圖4 超級電容等效圖

充放電電流和端電壓的關系式：

Uc=Ut+IcRs

(7)

(8)

超級電容可存儲能量E的表達式為

(9)

式中:C為超級電容額定容量，F；Uc為超級電容等效電壓，V；Ut為超級電容端電壓，V；RL為自放電耗損電阻，Ω；Rs為充放電電阻，Ω；Is為漏電電流，A;Ic為超級電容充放電電流，A。

3 挖掘機回轉系統仿真模型

根據目前已有回轉系統的原理圖，基于上文介紹的部分元件數學模型，利用AMESim軟件進行回轉制動能回收效率仿真研究。整車和部分元件參數如表2所示，搭建模型如圖5所示。

表2 回收單元基本參數

圖5 復合電液式能量回收系統模型

4 仿真結果分析

仿真模型設定步長為0.01 s，仿真過程如表3所示。

表3 各階段仿真動作

4.1 蓄能器參數對節能效果的影響

蓄能器的預充壓力對于整個回收系統至關重要，若蓄能器的預充壓力過低，則回轉平臺制動的時間會變長，影響駕駛員操作，而且制動結束后壓力也會較低，回收馬達啟動時的角加速度較小，影響下一階段回收；若蓄能器預充壓力過高，回轉馬達出口油液無法全部儲存在蓄能器中，增加了回路溢流量。為考慮高效充電時長和溢流量的問題，應該根據實際制動時制動能的大小搭配對應參數的蓄能器。令其他參數不變，根據公式(3)預選后，取蓄能器的壓力為15～18 MPa

由表4和表5可知：隨著蓄能器預充壓力變大，回收馬達最大轉速隨之增加，對于電氣回收單元，如果回收馬達轉速波動較大，能量回收系統穩定性變差，直接影響電機壽命，受發電機最高轉速限制，高壓蓄能器壓力不易過高；隨著壓力降低，制動時間相應延長，對于低壓蓄能器，如果初始壓力過大，會導致在向超級電容儲能時出現反轉現象。不同預充壓力下電機轉速曲線如圖6所示，綜合考慮回轉系統制動時間的延長與高效發電時長，避免液壓馬達出現反轉，選擇高壓蓄能器初始壓力為17 MPa，低壓蓄能器初始壓力15 MPa，高效充電時間7.08 s。

表4 滿載制動階段回收系統各項參數

表5 空載制動階段回收系統各項參數

圖6 不同低壓蓄能器預充壓力下電機轉速曲線

4.2 轉臺回轉特性分析

在一個工作周期內，3種系統的轉臺轉速曲線對比如圖7所示。可以看出：復合電液式回收系統在兩次制動階段所需時間(2.73、2.13 s)相比于傳統回轉系統所需時間(2.35、1.48 s)、電氣式回收系統所需時間(2.6、1.66 s)較長。這是由于改進后的系統在制動階段沒有開啟溢流閥，制動過程中的全部油液都通過換向閥進入了高低壓蓄能器，蓄能器壓力越大，充液速度變慢，導致制動時間延長。其次，轉臺轉速的峰值與原系統相差不大，總體來看，復合電液式回收系統的速度變化波動在允許范圍內，不影響挖掘機的正常作業。

圖7 回轉平臺轉速對比曲線

4.3 回收過程分析

圖8所示為一個循環內滿載和空載制動時蓄能器的充放液情況。以滿載制動階段為例，高壓蓄能器接入馬達B口，將制動過程中泵出的油液全部儲存在蓄能器中，蓄能器氣體體積受壓由初始的16 L降到11.5 L，同時氣體壓力由17 MPa升到27.1 MPa，接近安全閥調定壓力，在下一階段，蓄能器內高壓油驅動發電機恒速發電。氣體壓力與體積均恢復到初始值，表明液壓回收單元充放平穩，不影響下次回收，低壓蓄能器回收過程同理。發電機轉速如圖9所示。可知：電氣式回收系統由于制動時間的限制，響應慢、發電時間較短。改進后的系統，電氣回收單元獨立于回轉系統單獨進行能量回收，通過換向閥與液壓回收單元相連，實現動能回收。超級電容SOC值變化曲線如圖10所示。可知：電氣式回收系統的SOC值在一次循環中增加至64.4%，復合電液式回收系統的SOC為70.8%，增加了10.8%。

圖8 高低壓蓄能器氣體體積與壓力變化

圖9 發電機轉速曲線 圖10 超級電容SOC值變化曲線

4.4 節能效果分析

圖11和圖12所示分別為一個工作周期(20 s)內回轉系統油液和能量的損耗情況。可知：3種系統在正反轉階段均有溢流損失，但可以看出電氣式回收系統相比于傳統系統的溢流量有所降低，由于電機響應較慢，仍存在溢流損失現象，在制動階段分別溢流了2.3 L(滿載)和1.56 L(空載)；而復合電液式回收系統新增的液壓回收環節功率密度大，在兩次制動階段(5～10 s、15～20 s)均無溢流損失。

圖11 回轉過程中油液體積變化曲線

圖12 回轉過程能量變化曲線

如表6所示，原傳統回轉系統的流量利用率和能量利用率都較低，分別僅為58.83%和45.03%，電氣式回收系統有所改善，但提升幅度不大，改進后的復合電液式回收系統，綜合流量利用率達75.59%，綜合能量利用率達67.43%，相比于傳統回轉系統提升效果明顯。

表6 3種回轉系統系統性能參數

5 結論

結合不同儲能元件特性，提出一種復合電液式能量回收系統，在電氣式回收系統中加入了雙蓄能器并考慮了不同的制動階段。經仿真，得到如下結論：

(1)與原系統相比，復合電液式回收系統轉臺位移曲線跟隨性良好、運行平穩、正反轉均能滿足工作要求；

(2)改進后的系統可將制動過程損耗的能量最大程度地轉換為電能儲存在超級電容中，并改善了原系統在制動過程中存在的較大溢流損耗現象；與原系統相比，流量利用率提高了16.76%，能量利用率提高了22.4%，節能及操控效果良好。