混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)建模與試驗(yàn)研究

劉昌盛，何清華，，龔俊，趙喻明，李賽白

（1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 山河智能裝備股份有限公司 技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙，410100）

混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)建模與試驗(yàn)研究

劉昌盛1，何清華1，2，龔俊1，趙喻明1，李賽白2

（1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 山河智能裝備股份有限公司 技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙，410100）

為了回收液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)階段的制動(dòng)能量，對(duì)挖掘機(jī)典型作業(yè)工況及能耗進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種以液壓馬達(dá)+電機(jī)為回收方式、超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案。構(gòu)建回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、回收馬達(dá)、超級(jí)電容等關(guān)鍵元件數(shù)學(xué)模型，在對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確認(rèn)與能量回收模式切換、回收電機(jī)力矩輸出控制和超級(jí)電容SOC判斷的基礎(chǔ)上，建立能量回收系統(tǒng)的仿真模型，以挖掘機(jī)實(shí)際載荷譜為輸入對(duì)系統(tǒng)能量回收效果進(jìn)行仿真分析。搭建挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的能量回收效果和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：該能量回收方案可行，在不影響挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能的同時(shí)，平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收效率可達(dá)到40%以上。

混合動(dòng)力挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)制動(dòng)；能量回收；仿真分析；試驗(yàn)平臺(tái)

近年來(lái)，混合動(dòng)力挖掘機(jī)的研究已成為工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)節(jié)能技術(shù)研究的焦點(diǎn)。自2004年日本小松公司研制出世界上第一臺(tái)混合動(dòng)力挖掘機(jī)后，國(guó)內(nèi)外許多挖掘機(jī)制造企業(yè)如神鋼、日立建機(jī)以及山河智能等也紛紛開(kāi)發(fā)了混合動(dòng)力挖掘機(jī)樣機(jī)［1-3］?；旌蟿?dòng)力技術(shù)在挖掘機(jī)上的成功應(yīng)用，為挖掘機(jī)的能量回收節(jié)能技術(shù)研究提供了新的思路。國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力挖掘機(jī)大多采用并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)負(fù)載和執(zhí)行機(jī)構(gòu)能量回收為主要方向［4-5］。目前混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收主要集中在動(dòng)臂下降勢(shì)能［6-7］，對(duì)平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收研究不多，概括起來(lái)比較典型的研究方案有 2種：一種是變頻電機(jī)替代液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電儲(chǔ)能元件［8-10］，系統(tǒng)將回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和能量回收功能集成在一起，雖然能量傳遞效率得以提高但卻降低了系統(tǒng)的可靠性。另一種是基于液壓蓄能器的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案［11-12］，但在蓄能器釋放壓力油到主泵出口輔助驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，若蓄能器壓力低于負(fù)載壓力，壓力油將不能釋放，所回收的能量得不到再利用的同時(shí)影響下一階段的能量回收。而且蓄能器釋放壓力油時(shí)間短，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度不可控，若通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速閥的開(kāi)口面積實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作，系統(tǒng)存在一定的節(jié)流損失，能量回收再利用效率不高。本文作者提出一種混合動(dòng)力挖掘機(jī)上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案，在對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確認(rèn)與能量回收模式切換、回收電機(jī)力矩輸出控制和超級(jí)電容SOC判斷的基礎(chǔ)上，建立能量回收系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析。搭建挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的能量回收效果和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 挖掘機(jī)工況分析

液壓挖掘機(jī)的典型作業(yè)模式主要為挖掘土方作業(yè)，節(jié)能潛力分析則以挖掘作業(yè)工況為依據(jù)。以山河智能公司7 t級(jí)液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，在分析其實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可得到液壓挖掘機(jī)在典型作業(yè)工況循環(huán)下的功率。圖1所示為挖掘機(jī)的典型作業(yè)循環(huán)。在單個(gè)挖掘作業(yè)周期內(nèi)，液壓挖掘機(jī)先后完成挖掘、滿載舉升回轉(zhuǎn)、卸載和空載返回4個(gè)階段。

1.2 挖掘機(jī)能耗分析

液壓挖掘機(jī)在挖掘作業(yè)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)液壓泵主要用于驅(qū)動(dòng)工作裝置（動(dòng)臂、斗桿、鏟斗）進(jìn)行挖掘土方，以及驅(qū)動(dòng)上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)。此工況下挖掘機(jī)為定點(diǎn)挖掘，無(wú)行走動(dòng)作，執(zhí)行元件行走馬達(dá)不產(chǎn)生功率消耗。

圖1 液壓挖掘機(jī)的典型作業(yè)循環(huán)Fig.1 Typical work cycle of hydraulic excavator

液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)工況的需求功率和能量為：

式中：P動(dòng)臂，P斗桿和P鏟斗分別為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗油缸驅(qū)動(dòng)功率；P回轉(zhuǎn)為回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功率；P附件為整機(jī)附件功率。

液壓各執(zhí)行元件在挖掘作業(yè)工況下的驅(qū)動(dòng)功率和能量分別為：

式中：pip 為各執(zhí)行元件進(jìn)出口壓力；piQ 為各執(zhí)行元件進(jìn)出口流量。

圖2所示為挖掘機(jī)在挖掘作業(yè)工況下實(shí)際測(cè)得的一個(gè)周期內(nèi)變量泵組出口壓力和流量變化曲線，圖3所示為回轉(zhuǎn)馬達(dá)在上車(chē)平臺(tái)連續(xù)交替順逆時(shí)針回轉(zhuǎn)90°的出口壓力曲線。為了便于分析和比較，選取液壓泵的總輸出能量為基準(zhǔn)值，根據(jù)以上可計(jì)算得到各單元能量損耗的相對(duì)值。以山河智能7 t級(jí)液壓挖掘機(jī)的性能參數(shù)和實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到挖掘機(jī)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4所示。

由圖4可知：回轉(zhuǎn)動(dòng)作能耗在液壓挖掘機(jī)典型挖掘作業(yè)循環(huán)總能耗中所占比例較大，達(dá)到了38%，因此可將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為液壓挖掘機(jī)節(jié)能的主要研究對(duì)象。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中工作點(diǎn)變化范圍大波動(dòng)劇烈，遠(yuǎn)離最佳高效工作區(qū)域，造成工作效率低下，能量利用率不高，所以通過(guò)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收再利用研究實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載的功率匹配對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能具有重要意義。

圖2 變量泵組出口壓力和流量曲線Fig.2 Outlet pressure and flow curve of variable pumps

圖3 回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口壓力曲線Fig.3 Outlet pressure curve of rotary motor

圖4 挖掘機(jī)典型作業(yè)循環(huán)各執(zhí)行元件能耗比Fig.4 Energy ratio of excavator actuators in typical work cycle

1.3 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案

根據(jù)前文分析，頻繁的上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)在挖掘機(jī)挖掘作業(yè)過(guò)程中存在著大量的可回收能量，這些能量在原液壓系統(tǒng)中都轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)在平衡閥閥口。

本文在挖掘機(jī)原液壓動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，引入由液壓回收馬達(dá)、電機(jī)、電機(jī)控制器、超級(jí)電容構(gòu)成的能量回收系統(tǒng)。采用液壓回收馬達(dá)+發(fā)電機(jī)+電儲(chǔ)能元件的能量回收方式，選用永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件。設(shè)計(jì)得到混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle of rotary braking energy recovery system

1.4 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)工作原理分析

當(dāng)操作者操作回轉(zhuǎn)動(dòng)作手柄使上車(chē)平臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主閥17左移，變量泵組2輸出的液壓油經(jīng)過(guò)閥17左位進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)16的B口，此時(shí)上車(chē)平臺(tái)處于加速階段，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收閥13處于下位，回收系統(tǒng)不起作用，回轉(zhuǎn)液壓回路與傳統(tǒng)挖掘機(jī)相同；當(dāng)操作者操作回轉(zhuǎn)動(dòng)作手柄回中位時(shí)，閥17處于中位，上車(chē)平臺(tái)處于制動(dòng)減速階段，控制器通過(guò)采集手柄先導(dǎo)壓力傳感器的壓力作出判斷，使回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收閥13處于上位，而上車(chē)回轉(zhuǎn)平臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)慣性沿原運(yùn)轉(zhuǎn)方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)16此時(shí)工作在泵模式，其排出的壓力油一小部分經(jīng)馬達(dá)內(nèi)的溢流閥溢流，另外的主要部分經(jīng)閥13在回收馬達(dá)12入口處產(chǎn)生壓力，推動(dòng)回收馬達(dá)12和與其聯(lián)軸的發(fā)電機(jī)9運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)9工作所產(chǎn)生的發(fā)電量通過(guò)整流/逆變器6進(jìn)入超級(jí)電容7中，控制器通過(guò)檢測(cè)傳感器Pg5信號(hào)以及電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)綜合判斷并給電機(jī)控制器發(fā)送制動(dòng)扭矩命令，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)-馬達(dá)轉(zhuǎn)速而控制系統(tǒng)背壓，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)馬達(dá)16出口的壓力調(diào)節(jié)，從而達(dá)到回轉(zhuǎn)馬達(dá)減速制動(dòng)的目的，在完成液壓挖掘機(jī)上車(chē)平臺(tái)減速制動(dòng)至指定位置的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能的能量回收。

2 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)建模

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回收馬達(dá)、超級(jí)電容等進(jìn)行建模。為提高模型精度，在對(duì)各元件數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)上，采用理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方式來(lái)描述其性能參數(shù)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

由發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線及臺(tái)架試驗(yàn)所得特性曲線建立均值模型，根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查詢能量消耗曲線得到當(dāng)前能耗率。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩為

式中：Te，Me，Je，Ce和ωe分別為發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、黏性阻尼系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)角速度。

2.2 回轉(zhuǎn)馬達(dá)和回收馬達(dá)模型

回轉(zhuǎn)馬達(dá)的力矩平衡方程：

回收馬達(dá)的力矩平衡方程：

式中：p1為回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)口的壓力，MPa；V1和 V2分別為回轉(zhuǎn)、回收馬達(dá)的排量，L/r；J1為上車(chē)平臺(tái)等效到回轉(zhuǎn)馬達(dá)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為回收馬達(dá)-電機(jī)等效到回收馬達(dá)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；1ω和2ω分別為回轉(zhuǎn)、回收馬達(dá)的角速度，rad/s；bm1和bm2分別為回轉(zhuǎn)、回收馬達(dá)的黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；Tf1為上車(chē)平臺(tái)等效到回轉(zhuǎn)馬達(dá)上的摩擦力矩；Tf2為回收馬達(dá)-電機(jī)等效到回收馬達(dá)上的摩擦力矩；TN為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.3 電機(jī)模型

發(fā)電機(jī)是能量回收系統(tǒng)將經(jīng)回收馬達(dá)傳遞而來(lái)的上車(chē)平臺(tái)制動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的元件，這里選用永磁同步電機(jī)。電機(jī)效率與輸入轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可用下式表示：

電機(jī)力矩平衡方程為

式中：Tm和TL分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載慣量；mω 為電機(jī)機(jī)械角速度；B為黏滯摩擦因數(shù)。

2.4 超級(jí)電容模型

超級(jí)電容的等值模型如圖6所示，有如下數(shù)學(xué)關(guān)系［13］：

超級(jí)電容的端電壓為

通過(guò)超級(jí)電容充電至某一確定電壓值所需的能量，可得知其儲(chǔ)存的能量，即：

圖6 超級(jí)電容等值電路Fig.6 Equivalent circuit of super-capacitor

式中：C為超級(jí)電容的電容；RL為絕緣材料的漏電阻；Rs為串聯(lián)電阻；Vc為超級(jí)電容電位；Vt為超級(jí)電容端電壓；I為充放電電流。

3 控制策略

系統(tǒng)控制策略是制動(dòng)狀態(tài)判斷和能量回收管理的重點(diǎn)，與傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)需考慮：根據(jù)超級(jí)電容SOC狀態(tài)判斷系統(tǒng)是否將回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)接入原回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)；采集手柄先導(dǎo)壓力傳感器信號(hào)和回收電機(jī)轉(zhuǎn)速判斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而控制回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收閥通斷和回收電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)；電機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，調(diào)節(jié)回收電機(jī)的輸入電流大小和方向使回收電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)圖7。

圖7 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制策略框圖Fig.7 Control algorithm diagram of rotary braking energy recovery system

3.1 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確認(rèn)和系統(tǒng)工作模式切換

平臺(tái)回轉(zhuǎn)動(dòng)作主要分為加速、勻速及減速制動(dòng) 3個(gè)階段。根據(jù)前面描述，本文所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)僅在上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收，因此為了不影響整機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能，需在確認(rèn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制器控制電磁換向閥的通斷并使回收馬達(dá)+電機(jī)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩，并實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)能能量回收。而在平臺(tái)制動(dòng)結(jié)束時(shí)，斷開(kāi)能量回收系統(tǒng)與原回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)接。準(zhǔn)確快速識(shí)別回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化并進(jìn)行系統(tǒng)工作模式切換是進(jìn)行能量回收的關(guān)鍵因素。

這里提出一種通過(guò)檢測(cè)回轉(zhuǎn)先導(dǎo)手柄的先導(dǎo)壓力變化趨勢(shì)來(lái)判斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法。根據(jù)液壓手柄工作特性，操作桿的行程與先導(dǎo)手柄輸出壓力呈一定的比例關(guān)系。采集3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的先導(dǎo)手柄輸出壓力pctr并進(jìn)行比較，其中每個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)相隔10 ms。

當(dāng)回轉(zhuǎn)先導(dǎo)手柄輸出壓力pctr在t1，t2和t3時(shí)刻壓力呈遞減趨勢(shì)并逐漸變?yōu)榱悖瑒t可判斷平臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由加速或勻速轉(zhuǎn)為回轉(zhuǎn)減速制動(dòng)狀態(tài)，能量回收系統(tǒng)通過(guò)電磁換向閥聯(lián)入回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能回收；當(dāng)pctr在t1，t2和t3時(shí)刻壓力呈遞增趨勢(shì)至某壓力保持不變，則可判斷回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)處于加速或勻速狀態(tài)，能量回收系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)斷開(kāi)聯(lián)接；當(dāng)pctr在t1，t2和t3時(shí)刻壓力均為0 Pa，則可判斷平臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，能量回收系統(tǒng)不起作用。

3.2 回收電機(jī)力矩輸出控制

為了在回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收過(guò)程中最大化回收制動(dòng)能并具有可控性，須保證在制動(dòng)過(guò)程中回轉(zhuǎn)馬達(dá)作為泵工況時(shí)出口壓力得到有效調(diào)節(jié)，這可通過(guò)控制與回收馬達(dá)相連的回收電機(jī)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中回收電機(jī)的控制模式主要為轉(zhuǎn)矩控制。

回轉(zhuǎn)平臺(tái)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回收馬達(dá)與回收電機(jī)組成的多慣量系統(tǒng)力矩平衡方程見(jiàn)式（6）和（7），由 Q1=Q2得

式中：Q1為制動(dòng)過(guò)程中回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出流量，L/min；Q2為制動(dòng)過(guò)程中回收馬達(dá)的輸入流量，L/min。

由式（6），（7）和（14）可得，回收電機(jī)所需輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

在能量回收系統(tǒng)控制中，當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)口壓力逐漸增大，則整機(jī)控制器在回收電機(jī)反饋其當(dāng)前轉(zhuǎn)速n的基礎(chǔ)上，計(jì)算并發(fā)出相應(yīng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令，通過(guò)電機(jī)控制器來(lái)調(diào)節(jié)回收電機(jī)的輸入電流大小和方向來(lái)輸出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)永磁同步電機(jī)的特性，在轉(zhuǎn)子磁鏈參考坐標(biāo)系下［14］，磁鏈方程和電壓方程如下式所示：

式中：dΨ 和qΨ分別為電機(jī)d和q軸磁鏈分量；pmΨ為永磁勵(lì)磁磁鏈；Ld和Lq分別為d和q軸電感；Id和Iq分別為d和q軸電流分量。

式中：ud和uq分別為電機(jī)d和q軸電壓分量；Rs為電樞繞組電阻；ωe為電角速度；Ψf為電機(jī)永磁體磁鏈。

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)d和q軸電流的無(wú)差控制，采用PI（比例-積分）控制算法，將ωeLqIq和ωeLdId+ωeΨf作為擾動(dòng)項(xiàng)，則電機(jī)d軸和q軸電流控制閉環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示：

式中：Kpcd和Kicd分別為電機(jī)d軸電流PI控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)；Kpcq和Kicq分別為電機(jī)q軸電流PI控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

圖8所示為永磁同步電機(jī)電流矢量控制框圖。

圖8 電機(jī)電流矢量控制框圖Fig.8 Control diagram of motor current vector

3.3 超級(jí)電容SOC判斷

在回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)工作前，首先檢測(cè)當(dāng)前超級(jí)電容SOC是否滿足系統(tǒng)正常工作要求。設(shè)定超級(jí)電容SOC正常工作范圍為下限值SOCmin至上限值SOCmax，則

因本文暫不涉及所回收能量的再利用階段，所以此處不考慮SOCmin。當(dāng)SOC小于SOCmax時(shí)，系統(tǒng)判斷可以進(jìn)行上車(chē)平臺(tái)制動(dòng)能量回收；當(dāng)SOC大于SOCmax時(shí)，能量回收系統(tǒng)不工作，仍采用回轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)。

3.4 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制方法

基于前面的分析，對(duì)本文提出的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)制定了整體的控制方法，如圖9所示，在超級(jí)電容SOC處于正常工作范圍的基礎(chǔ)上，根據(jù)回轉(zhuǎn)先導(dǎo)手柄的先導(dǎo)壓力變化趨勢(shì)確認(rèn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)采集回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)口的壓力和回收電機(jī)轉(zhuǎn)速綜合計(jì)算并控制電機(jī)輸出平臺(tái)制動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)上車(chē)平臺(tái)制動(dòng)的同時(shí)完成回轉(zhuǎn)動(dòng)能的回收。

圖9 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)程序流程圖Fig.9 Flow chart of rotary braking energy recovery system

4 仿真研究

4.1 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真建模

根據(jù)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的工作原理，基于前文中系統(tǒng)各元件數(shù)學(xué)模型，在考慮初始條件和邊界條件下，在AMESim環(huán)境下建立了回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回收馬達(dá)、電機(jī)、超級(jí)電容等子模型，在多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams中模擬挖掘機(jī)上車(chē)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)，通過(guò)聯(lián)合仿真來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)回轉(zhuǎn)過(guò)程中的變負(fù)載，得到回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)整體模型如圖10所示。以山河智能7 t級(jí)液壓挖掘機(jī)為混合動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，整車(chē)和動(dòng)力系統(tǒng)部件基本參數(shù)如表1所示。

圖10 回轉(zhuǎn)動(dòng)能回收系統(tǒng)仿真模型Fig.10 Model of rotary braking energy recovery system

表1 整機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)部件基本參數(shù)Table 1 Main parameters of vehicle power system

4.2 仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真模型以實(shí)際載荷譜作為輸入，圖11所示為挖掘機(jī)在進(jìn)行典型挖掘作業(yè)工況下的液壓系統(tǒng)功率變化曲線。選取挖掘機(jī)1個(gè)單工作循環(huán)周期，上車(chē)平臺(tái)在鏟斗滿載和空載下各完成1次回轉(zhuǎn)動(dòng)作，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

圖11 動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載功率曲線Fig.11 Power curve of dynamic system

表2 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of rotary braking energy recovery system

由表2可知：在挖掘機(jī)滿載舉升回轉(zhuǎn)階段，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)所回收能量為3.16 kJ，占挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)可回收能量的 44.1%；在挖掘機(jī)空載回轉(zhuǎn)復(fù)位階段，系統(tǒng)回收能量2.33 kJ，占可回收能量的48.3%。所以挖掘機(jī)在典型挖掘工況下回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收率為η=（3.56+2.33）/（7.97+4.82）×100%=46.1%，實(shí)現(xiàn)了較好的能量回收效率，可回收能量根據(jù)液壓挖掘機(jī)上車(chē)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和回轉(zhuǎn)速度理論計(jì)算可以得到。在挖掘機(jī)工作循環(huán)中，滿載舉升回轉(zhuǎn)階段所回收的能量較空載回轉(zhuǎn)復(fù)位階段高，是因?yàn)殓P斗裝滿土方負(fù)載折合到上車(chē)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比空載時(shí)的大。

5 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的回收效果，在試驗(yàn)樣機(jī)上搭建了能量回收系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。本試驗(yàn)平臺(tái)能量回收模塊原理與本文方案原理圖相同，能量釋放輔助部分本試驗(yàn)暫不考慮。利用本試驗(yàn)平臺(tái)主要進(jìn)行2個(gè)方面的研究工作：能量回收效果研究和回轉(zhuǎn)制動(dòng)性能研究。采用IFM Electronic公司的工程機(jī)械專(zhuān)用控制器CR0200作為下位機(jī)來(lái)采集傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收模塊進(jìn)行控制，通過(guò) CAN總線向上位機(jī)筆記本電腦發(fā)送傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，上位機(jī)完成系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

5.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 7586—2008“液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)方法”［15］，試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn) 90°定點(diǎn)挖掘作業(yè)測(cè)試，工況為典型挖掘工作循環(huán)（動(dòng)臂下放—挖掘—?jiǎng)颖厶嵘?回轉(zhuǎn)90o—卸土—旋轉(zhuǎn)回位），圖12所示為典型挖掘作業(yè)工況試驗(yàn)方法。每次工作15 min，共實(shí)施3次試驗(yàn)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算取平均值。測(cè)定并記錄挖掘作業(yè)時(shí)間、挖掘斗數(shù)、回轉(zhuǎn)次數(shù)等。

挖掘作業(yè)工作循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程如下。

1） 開(kāi)始姿態(tài)。達(dá)到挖掘準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，鏟斗齒尖與鏟斗鉸點(diǎn)呈一直線，斗齒齒尖與地面高度保持在 10 cm以內(nèi)；斗桿在垂直姿態(tài)外伸約30°。

2） 復(fù)合挖掘。以斗桿鉸點(diǎn)為圓心，斗桿從準(zhǔn)備狀態(tài)開(kāi)始內(nèi)收，內(nèi)收角度為-30°，挖掘深度d=1 m。

3） 回轉(zhuǎn)90o、動(dòng)臂提升?；剞D(zhuǎn)至指定位置，動(dòng)臂提升要保證鏟斗斗齒距離地面的卸土高度h=2 m。

4） 鏟斗卸土。鏟斗卸土?xí)r，斗齒齒尖與鏟斗鉸點(diǎn)、斗桿鉸點(diǎn)呈1條直線。

5） 旋轉(zhuǎn)回位?；剞D(zhuǎn)復(fù)位至挖掘開(kāi)始準(zhǔn)備姿態(tài)。

圖12 典型挖掘作業(yè)工況試驗(yàn)方法Fig.12 Test method of typical mining operation

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在典型挖掘作業(yè)工況下，圖13所示為試驗(yàn)樣機(jī)單工作循環(huán)的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收曲線。由圖13可以看出：2次回轉(zhuǎn)制動(dòng)所回收能量經(jīng)積分運(yùn)算合計(jì)為 5.23 kJ，為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)可回收能量的 40.9%，考慮到元器件效率、液壓管路沿程損失等導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的能量損耗，試驗(yàn)中能量回收率與仿真數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性和能量回收方案的有效性。

圖13 系統(tǒng)回收能量曲線Fig.13 Recovery energy curve of system

回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力和能量回收閥控制信號(hào)曲線如圖14所示。在上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)前文提出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷方法，當(dāng)手柄先導(dǎo)壓力從3.5 MPa減小至2.3 MPa時(shí)，整機(jī)控制器向能量回收閥發(fā)出12 V的電壓控制通斷信號(hào)，系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地識(shí)別平臺(tái)進(jìn)入回轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)。圖15所示為回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回收馬達(dá)壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線。當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)進(jìn)入回轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)后，能量回收閥打開(kāi)，能量回收系統(tǒng)接入回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，回收馬達(dá)進(jìn)油口壓力迅速升高至溢流壓力，回收電機(jī)接收控制器指令輸出發(fā)電轉(zhuǎn)矩60 N·m，回收馬達(dá)進(jìn)油口壓力（即回轉(zhuǎn)馬達(dá) B口壓力）下降到控制策略所設(shè)定的15 MPa，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口壓力得到有效調(diào)節(jié)，在完成能量回收的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)的可控性。

圖14 回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力和能量回收閥控制信號(hào)曲線Fig.14 Rotation pilot pressure curve and control signal of energy recovery valve

圖15 回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回收馬達(dá)壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.15 Pressure curve of rotary motor and recovery motor，and torque curve of electric motor

圖16 上車(chē)平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度曲線Fig.16 Rotation speed curve of swing mechanism

圖16所示為平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度曲線。在滿載和空載回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中平臺(tái)角速度由38.2和41.7 （°）/s逐漸減小至0 （°）/s，2次制動(dòng)的時(shí)間分別為0.63和0.48 s，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)下回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間基本一致，操作手在操作具有回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的混合動(dòng)力挖掘機(jī)時(shí)，對(duì)于平臺(tái)回轉(zhuǎn)相同角度，回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)與原有傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)相比基本不變化，因而不影響系統(tǒng)原有的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能和操作性能。

6 結(jié)論

1） 在對(duì)液壓挖掘機(jī)典型作業(yè)工況和能耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種液壓馬達(dá)+電機(jī)為回收方式、超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收方案。

2） 構(gòu)建回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、回收馬達(dá)、超級(jí)電容等關(guān)鍵元件數(shù)學(xué)模型，在對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確認(rèn)與能量回收模式切換、回收電機(jī)力矩輸出控制和超級(jí)電容SOC判斷的基礎(chǔ)上，建立了能量回收系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，以挖掘機(jī)實(shí)際載荷譜為輸入對(duì)系統(tǒng)能量回收效果進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收效果較好。

3） 搭建了混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的能量回收效果和回轉(zhuǎn)制動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該能量回收方案可行，在不影響挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能的同時(shí)，平臺(tái)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收效率可達(dá)到40%以上，為下一步進(jìn)行回收能量再利用以提高挖掘機(jī)能量利用率和降低尾氣排放奠定基礎(chǔ)。

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（編輯 陳愛(ài)華）

Modeling and experimental research on rotary braking energy recovery system of hybrid excavator

LIU Changsheng1， HE Qinghua1，2， GONG Jun1， ZHAO Yuming1， LI Saibai2

（1. State Key Laboratory of High Performance Complicated， Central South University， Changsha 410083， China；2. R&D Center， Sunward Intelligent Equipment Co. Ltd， Changsha 410100， China）

In order to recover the braking energy from the hydraulic excavator during rotary phase， the typical working condition and energy losses were analyzed， and a rotary braking energy recovery program for hybrid excavator was proposed based on hydraulic motor and electric motor as recovery method and capacitor as energy storage element. The mathematical model of key components such as engine， electric motor， hydraulic motor and capacitor was established. For the rotary braking energy recovery system， the simulation model was established based on rotary motion state recognition and energy recovery mode switching， electric motor torque output control and capacitor SOCjudgment， and the effect of energy recovery system was analyzed by simulation based on the actual load spectrum of hydraulic excavator as input signal. At last the recovery effect and rotary drive performance was studied by building test platform of rotary braking energy recovery system. The results show that not only the recovery program is feasible， but the rotary braking energy recovery efficiency can reach above 40% without affecting rotary driving performance of the excavator.

hybrid excavator； rotary braking； energy recovery； simulation analysis； test platform

TH39

A

1672-7207（2016）05-1533-10

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.012

2015-08-08；

2015-10-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAA04B01）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2010AA044401）；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2010GK2007） （Project（2014BAA04B01） supported by the National Science and Technology Pillar Program； Project（2010AA044401）supported by the National High Technology Research and Development Program （863 Program） of China； Project（2010GK2007） supported by Science and Technology Plan of Hunan Province）

何清華，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，從事機(jī)電一體化技術(shù)研究；E-mail： shanhe5078@163.com