純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)電氣式動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)研究

關(guān) 澈， 程 珩， 權(quán) 龍， 郝云曉， 劉學(xué)成， 李 潔

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024)

引言

純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)是一種使用電機(jī)代替柴油機(jī)作為動(dòng)力源的新型挖掘機(jī)，具有節(jié)能、高效、低噪聲與無(wú)廢氣污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行研究在國(guó)家推廣新能源工程機(jī)械的大背景下具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。挖掘機(jī)動(dòng)臂作為挖掘機(jī)的重要工作機(jī)構(gòu)，在運(yùn)行過(guò)程中需要反復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)臂下落時(shí)其重力勢(shì)能會(huì)在液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)速的過(guò)程中被浪費(fèi)掉。對(duì)這部分能量進(jìn)行回收再利用可以進(jìn)一步的提升純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能效果。

LEI GE[1]提出了一種轉(zhuǎn)速排量協(xié)調(diào)控制的純電驅(qū)挖掘機(jī)動(dòng)力源并研究了其在不同載荷下的能耗特性。梁濤[2]研究了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵進(jìn)行流量匹配時(shí)動(dòng)臂的運(yùn)行特性。目前研究仍主要集中于純電驅(qū)挖掘機(jī)參數(shù)匹配和控制優(yōu)化方面[3-4]。缺乏對(duì)純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收與能量管理的研究。

動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)在混合動(dòng)力挖掘機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)有了很多成熟的研究，主要方法有蓄能器回收技術(shù)[5]與電氣式回收技術(shù)[6]。電氣式回收技術(shù)中，王滔等[7]提出的液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)回收單元串聯(lián)節(jié)流閥系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)40%～50%的能量轉(zhuǎn)化效率。林添良等[8]提出的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能電氣式回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將動(dòng)臂勢(shì)能通過(guò)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)回收單元回收到超級(jí)電容，效率達(dá)到了39%。但是以上系統(tǒng)的方案中超級(jí)電容直接連接電機(jī)整流/逆變器，在實(shí)際使用中不穩(wěn)定的直流母線電壓會(huì)使整流逆變器電流長(zhǎng)時(shí)間大于額定值，降低其效率與壽命[9]。而且這些研究沒(méi)有考慮如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂回收能量的管理與再利用，在動(dòng)臂反復(fù)上升下降的工況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

本研究針對(duì)純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，在使用伺服電機(jī)、定量回收馬達(dá)作為回收單元的基礎(chǔ)上，在超級(jí)電容與電機(jī)之間引入了DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)控制超級(jí)電容能量流動(dòng)并穩(wěn)定母線電壓。對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵元件的參數(shù)匹配與損耗模型進(jìn)行了研究，并在SimulationX中搭建了純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真分析研究了系統(tǒng)能耗特性，進(jìn)而驗(yàn)證了系統(tǒng)在節(jié)能方面的有效性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

作為電源的380 V動(dòng)力電經(jīng)過(guò)不可控整流后形成525 V的直流母線，而主電動(dòng)機(jī)則通PWM逆變器從直流母線饋電。動(dòng)臂上升時(shí)，閥2處于右位，此時(shí)使用了節(jié)流與容積復(fù)合調(diào)速，主電機(jī)定轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變液壓泵排量與比例方向閥1閥芯位移來(lái)控制缸的速度。

動(dòng)臂下降時(shí)，閥1處于右位，閥2處于左位，泵為有桿腔補(bǔ)油并維持有桿腔壓力。無(wú)桿腔高壓油液被單向閥阻隔，經(jīng)閥2驅(qū)動(dòng)回收伺服電機(jī)-定量馬達(dá)回收單元發(fā)電。動(dòng)臂下降過(guò)程中的速度控制通過(guò)改變伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。而發(fā)電機(jī)發(fā)出的電則通過(guò)PWM整流器轉(zhuǎn)換為直流電壓輸入直流母線。

直流母線上接有超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，其由超級(jí)電容與雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，接直流母線的雙向DC/DC負(fù)責(zé)在保持直流母線電壓穩(wěn)定的前提下將電機(jī)輸直流母線的電能存入超級(jí)電容，或者在直流母線需要電能時(shí)將超級(jí)電容中的電能放出。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)匹配

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和伺服電機(jī)-定量馬達(dá)回收單元在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，需根據(jù)系統(tǒng)工況對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 回收單元參數(shù)匹配

作為研究對(duì)象的某型6 t液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓缸活塞桿直徑55 mm，無(wú)桿腔直徑100 mm，行程720 mm，由挖掘機(jī)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)實(shí)際物理參數(shù)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析可以得出進(jìn)行空載作業(yè)時(shí)動(dòng)臂油缸不同伸出位置的受力狀況。圖2為動(dòng)臂液壓缸受力隨位移變化曲線。

圖2 動(dòng)臂液壓缸活塞受力

通過(guò)圖2可分析得出受力最大的點(diǎn)在挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸伸出量接近最大行程時(shí)出現(xiàn)，值約為55 kN。

動(dòng)臂液壓缸動(dòng)力學(xué)方程如式(1)所示：

(1)

式中,Fc為液壓缸活塞桿受力；Ff為液壓缸運(yùn)動(dòng)摩擦力；p1為無(wú)桿腔壓力；p2為有桿腔壓力；A1為無(wú)桿腔面積；A2為有桿腔面積；vc為液壓缸運(yùn)動(dòng)速度；mp為活塞質(zhì)量。

動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔流量連續(xù)性方程如式(2)：

(2)

式中，βe為液壓油彈性模量；C1為無(wú)桿腔外泄漏系數(shù)；C12為動(dòng)臂缸內(nèi)泄漏系數(shù)；V1為無(wú)桿腔體積；qr為無(wú)桿腔流量。

假定回收能量時(shí)動(dòng)臂液壓缸以100 mm/s的額定運(yùn)動(dòng)速度下降，忽略閥2右位時(shí)的壓降，且有桿腔維持零壓。由于回收馬達(dá)進(jìn)出口壓差pAB等于無(wú)桿腔壓力p1，其流量等于無(wú)桿腔流量qr，所以由式(1)、式(2)可得此時(shí)回收馬達(dá)進(jìn)出口壓差為6 MPa，流量為45 L/min，伺服電機(jī)-定量馬達(dá)回收單元可回收功率4.5 kW。由此可選取能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵元件參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵元件參數(shù)

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參考超級(jí)電容在純電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力工程機(jī)械中的應(yīng)用[10-11]，并結(jié)合挖掘機(jī)動(dòng)臂可回收的時(shí)間短、功率大的特點(diǎn)，采用超級(jí)電容作為能量?jī)?chǔ)存裝置。綜合預(yù)估回收能量與DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化比限制，超級(jí)電容模組最高電壓定為360 V，容量定為5 F。

配套的大功率雙向DC/DC，使用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大功率運(yùn)行時(shí)效率相對(duì)于其他架構(gòu)最高的非隔離式buck-boost，其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D3所示。在控制方面，為控制能量在給定功率下雙向流動(dòng)，設(shè)計(jì)的DC/DC使用了電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式[12]，圖4給出了將其設(shè)定功率從零階躍到額定值6 kW時(shí)系統(tǒng)輸出功率響應(yīng)情況，從圖中可以看出boost模式下系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.14 s，buck模式下僅為0.01 s。

圖3 buck-boost架構(gòu)DC/DC拓?fù)?/p>

圖4 DC/DC輸出功率響應(yīng)

3 系統(tǒng)損耗模型

3.1 同步伺服電機(jī)損耗模型

回收單元使用的電機(jī)為永磁同步伺服電機(jī)，其功率損失主要包括電機(jī)銅損和鐵損，假設(shè)電機(jī)工作于額定電壓情況下，使用式(3)所示電機(jī)損耗經(jīng)驗(yàn)公式[13]對(duì)其功率損失pL進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中,ωe為電機(jī)角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩，而永磁體磁鏈ψf，定子損耗等效電阻Rc，鐵心損耗等效電阻Ra，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p，d和q軸自感L均為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

電機(jī)效率ηe公式：

(4)

由式(3)、式(4)計(jì)算出電機(jī)效率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖5是當(dāng)電機(jī)處于不同轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩時(shí)所對(duì)應(yīng)的效率圖。

3.2 馬達(dá)損耗模型

定量馬達(dá)容積效率、 機(jī)械效率分別與進(jìn)口壓力和流量有關(guān)。分析機(jī)械效率時(shí)，使用了基于斯特里貝克曲線摩擦模型[14]中摩擦轉(zhuǎn)矩Tfr計(jì)算公式如下：

圖5 電機(jī)效率

kn|n|en+kp|pAB|

(5)

式中,Tc為靜摩擦矩；Tst為粘著摩擦力矩；nL為額定轉(zhuǎn)速；kn，en為轉(zhuǎn)速摩擦力矩相關(guān)系數(shù)；kp為壓力與摩擦力矩相關(guān)系數(shù)，這些參數(shù)均可由產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)得到。pAB是馬達(dá)進(jìn)出口壓差，n是馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

馬達(dá)的總效率ηtot公式：

(6)

式中,Tth為輸入扭矩；ηv為容積效率；ηm為機(jī)械效率。

將式(5)與樣本提供的不同轉(zhuǎn)速、壓降時(shí)的泄漏率即容積效率ηv帶入馬達(dá)效率公式(6)可以求出馬達(dá)總效率與轉(zhuǎn)速、壓力的關(guān)系。圖6是當(dāng)馬達(dá)處于不同轉(zhuǎn)速與壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的馬達(dá)總效率圖。

圖6 馬達(dá)效率

3.3 DC/DC損耗模型

在SimulatioX中建立基于損耗的DC/DC電氣模型并通過(guò)仿真測(cè)試其在不同輸出功率下的效率。圖7為DC/DC工作于不同輸出功率時(shí)buck和boost模式效率曲線。

圖7 DC/DC效率

4 仿真研究

根據(jù)以上的參數(shù)設(shè)計(jì)與損耗分析，在多學(xué)科仿真軟件SimulationX中對(duì)純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)的電氣、液壓、機(jī)械及控制部分分別建模，然后組建了多學(xué)科仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)系統(tǒng)的回收效果與再利用效率進(jìn)行了分析。圖8所示為機(jī)械電氣液壓聯(lián)合仿真模型。

圖8 機(jī)械電氣液壓聯(lián)合仿真模型

4.1 運(yùn)行特性研究

圖9是該系統(tǒng)按照100 mm/s的設(shè)定速度上升與下降時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線。

從圖9a中可以看出動(dòng)臂液壓缸位移速度曲線跟隨性良好，上升與下降過(guò)程均能達(dá)到設(shè)定位移速度。動(dòng)臂上升段由于使用改變馬達(dá)排量來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速，速度響應(yīng)存在0.2 s的滯后，當(dāng)動(dòng)臂處于勻速上升與下降狀態(tài)時(shí)動(dòng)臂速度波動(dòng)在10%以?xún)?nèi)。

圖9 系統(tǒng)操作特性

從圖9b動(dòng)臂液壓缸壓力曲線中可以看到，動(dòng)臂勻速上升時(shí)無(wú)桿腔壓力約為9 MPa。當(dāng)系統(tǒng)處于回收工況下，動(dòng)臂勻速下降時(shí)無(wú)桿腔壓力維持在6 MPa左右，與前文參數(shù)匹配中的估計(jì)一致。

從圖9c可以看出，超級(jí)電容電壓變化時(shí)，母線電壓一直維持在525 V附近，動(dòng)臂上升時(shí)會(huì)產(chǎn)生5 V左右的波動(dòng)，DC/DC的引入達(dá)到了穩(wěn)定母線電壓的作用。

4.2 回收能量效率研究

圖10為動(dòng)臂單次下落時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)回收能量對(duì)比曲線。表2為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)綜合效率。從圖10和表2可以看到在一次下降過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)回收能量為6.8 kJ，總回收效率為60.06%，在三個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中液壓馬達(dá)的能量轉(zhuǎn)換效率最低，是制約能量回收效率的主要因素。

圖10 動(dòng)臂下落時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)回收能量對(duì)比曲線

表2 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)綜合效率對(duì)比

4.3 回收能量再利用研究

假設(shè)動(dòng)臂下落勢(shì)能回收的所有能量全部利用于下次的動(dòng)臂上升。對(duì)該系統(tǒng)在動(dòng)臂空載反復(fù)提升下落的工況下的能耗特性進(jìn)行仿真研究，并與使用節(jié)流調(diào)速控制動(dòng)臂下落，沒(méi)有能量回收單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)的原純電驅(qū)挖掘機(jī)動(dòng)臂系統(tǒng)進(jìn)行比較。圖11為仿真得出的新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的能耗對(duì)比圖，可以看出動(dòng)臂工作兩個(gè)周期，原系統(tǒng)消耗電能約64.8 kJ，動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)消耗電能約50.6 kJ，耗電減少了約21.8%。

圖11 動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)與動(dòng)臂系統(tǒng)能耗對(duì)比

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂電氣式能量回收系統(tǒng)的能量再利用并提高回收效率，提出了一種純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收與再利用系統(tǒng)。對(duì)所提出的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性與能耗特性進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在動(dòng)臂下落時(shí)將部分動(dòng)臂勢(shì)能回收到超級(jí)電容中，回收過(guò)程中母線電壓維持穩(wěn)定，運(yùn)行特性良好，綜合回收效率達(dá)到了60%?；厥盏碾娔茉趧?dòng)臂上升時(shí)能通過(guò)雙向DC/DC匯入直流母線，負(fù)擔(dān)一部分主電機(jī)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)回收能量的再利用。相比使用節(jié)流調(diào)速?zèng)]有能量回收單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)的原純電驅(qū)挖掘機(jī)動(dòng)臂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了21.8%的節(jié)能。