基于電液混合儲能的電動挖掘機(jī)動臂節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)特性

王笑，王磊

(1.新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830023；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 前言

目前，市場上絕大部分液壓挖掘機(jī)采用柴油發(fā)動機(jī)作為動力源，排放差，污染嚴(yán)重。隨著能源短缺及嚴(yán)格排放法規(guī)的實(shí)施，促使電動化成為液壓挖掘機(jī)節(jié)能、綠色發(fā)展的重要方向[1]。國外卡特彼勒、日立建機(jī)、小松、沃爾沃及國內(nèi)三一、徐工、山河智能等裝備制造企業(yè)相繼推出了電動挖掘機(jī)樣機(jī)及產(chǎn)品。這些電動化挖掘機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)是采用集中動力源供能，多路閥分配動力的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)節(jié)流損失大，整機(jī)能效不足20%[2]。即使配置非常大容量的電池，整機(jī)續(xù)航時間依舊較短，難以滿足挖掘機(jī)長時間的作業(yè)需求。

因此，提高液壓系統(tǒng)能效是解決電動挖掘機(jī)作業(yè)時間短的重要途徑。近幾十年來，許多研究人員已對提高挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能效的方法進(jìn)行了研究。楊華勇等[3]采用電比例泵與電比例閥構(gòu)成流量匹配型負(fù)載敏感系統(tǒng)，可降低泵與最高負(fù)載壓力之間的差值0.6～0.7 MPa，較傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)節(jié)能8%～10%。徐兵等人[4]提出一種帶旁路壓力補(bǔ)償?shù)碾娨毫髁科ヅ湎到y(tǒng)，以解決過流匹配帶來的壓力沖擊和能量損失。李前坤等[5]研究了一種電動挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)流量匹配方法，采用泵閥同步控制方式，使系統(tǒng)壓力裕度維持在1.4 MPa。國外，亞琛工業(yè)大學(xué)BACKé[6]、德累斯頓大學(xué)JANSSON、PALMBERG[7]、瑞典林雪平大學(xué)AXIN[8]對負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，使進(jìn)出口獨(dú)立控制技術(shù)獲得了較大進(jìn)步，已形成商業(yè)化產(chǎn)品。國內(nèi)，徐兵等人[9]提出負(fù)載口獨(dú)立節(jié)能系統(tǒng)的泵閥聯(lián)合控制策略，實(shí)現(xiàn)動臂和斗桿作業(yè)的運(yùn)動控制及節(jié)能控制，在滿足控制要求的情況下盡可能地降低系統(tǒng)能耗。董致新等[10]對泵閥復(fù)合負(fù)載口獨(dú)立控制液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用流量匹配負(fù)載口獨(dú)立控制方法，顯著降低了閥口工作壓差，提高了挖掘機(jī)能量利用效率。曾億山等[11]設(shè)計了一種具有抗流量飽和功能的負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)相比，液壓缸阻抗縮回工況可實(shí)現(xiàn)節(jié)能15.97%。劉凱磊等[12]設(shè)計了一種基于機(jī)液壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，與負(fù)載敏感系統(tǒng)相比，節(jié)能效果明顯。

據(jù)統(tǒng)計，挖掘機(jī)動臂下降過程浪費(fèi)的重力勢能約為液壓泵輸出能量的15%[13]。因此，充分回收利用重力勢能對改善挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能效具有重要作用。挖掘機(jī)電動化為電氣式能量回收利用方法的應(yīng)用提供了便利條件，電氣式回收方法通過液壓馬達(dá)或者液壓泵/馬達(dá)-發(fā)電機(jī)，將工作裝置重力勢能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲[14]。車明哲等[15]分析了具有超級電容和節(jié)能閉環(huán)液壓系統(tǒng)的混合動力液壓挖掘機(jī)特性，比傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)油耗減少60%左右。為降低電氣回收單元的裝機(jī)功率，LIN等[16]采用蓄能器延長電氣能量回收時間，可降低液壓馬達(dá)和電動/發(fā)電機(jī)裝機(jī)功率60%，重力勢能回收效率為39%。李潔等人[17]研究了一種基于超級電容和蓄能器的挖掘機(jī)復(fù)合動作能量回收與再利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)比原純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)能耗減少29%[17]。

通過上述分析可知，電液流量匹配技術(shù)與負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)在一定程度上可提高挖掘機(jī)系統(tǒng)能效，但本質(zhì)仍是通過液壓閥節(jié)流進(jìn)行動力分配，存在大的節(jié)流損失。現(xiàn)有的電氣式回收方案大多在閥口系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，能量傳遞環(huán)節(jié)多，能量回收利用效率低，且裝機(jī)功率大。為此，本文作者提出一種變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)，通過配置2個液壓泵/馬達(dá)的排量，實(shí)現(xiàn)動臂液壓缸流量匹配與無節(jié)流損失驅(qū)動。液壓蓄能器作為液壓泵/馬達(dá)油箱，以液壓方式回收大部分工作裝置重力勢能，減小電氣儲能單元裝機(jī)功率；超級電容以電氣方式回收剩余的工作裝置重力勢能，解決蓄能器非線性特性造成的能量回收利用不充分的不足。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1所示為變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)動臂液壓缸系統(tǒng)原理，主要包括電動機(jī)、液壓泵/馬達(dá)1、液壓泵/馬達(dá)2、蓄能器、驅(qū)動器、雙向DC-DC、超級電容、控制器等。液壓泵/馬達(dá)1的油口A與動臂液壓缸無桿腔連通，油口B通過換向閥與蓄能器連接或與油箱連通。液壓泵/馬達(dá)2的油口A與動臂液壓缸無桿腔連通，油口B與動臂液壓缸有桿腔連通。液壓泵/馬達(dá)1和液壓泵/馬達(dá)2排量之和與液壓泵/馬達(dá)2排量之比等于動臂液壓缸無桿腔與有桿腔面積之比，通過匹配液壓泵/馬達(dá)1與液壓泵/馬達(dá)2的排量，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)動臂液壓缸流量匹配和速度控制。

圖1 雙泵直驅(qū)動臂液壓缸系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of boom hydraulic cylinder directed driven by double pumps

當(dāng)動臂下降時，液壓缸無桿腔高壓油經(jīng)過液壓泵/馬達(dá)1和換向閥充入蓄能器中，實(shí)現(xiàn)一部分工作裝置重力勢能的回收，同時電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，剩余工作裝置重力勢能存儲到超級電容中。當(dāng)動臂上升時，蓄能器釋放高壓油至液壓泵/馬達(dá)1油口B，超級電容經(jīng)雙向DC-DC釋放電量到電動機(jī)，共同驅(qū)動液壓泵馬達(dá)1和液壓泵/馬達(dá)2，控制動臂運(yùn)行。換向閥的作用是在蓄能器壓力過高或動臂重載挖掘時，使液壓泵/馬達(dá)1與油箱連接泄壓。

2 數(shù)學(xué)模型與理論分析

此研究主要針對變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)的能量特性，因此，在數(shù)學(xué)模型建立過程中忽略了油液壓縮、元件泄漏等的影響。

動臂液壓缸力平衡方程為

ma+Bv=pAAA-pBAB-(mg+FL)

(1)

式中：AA為液壓缸無桿腔面積；AB為液壓缸有桿腔面積；pA為液壓缸無桿腔壓力；pB為液壓缸有桿腔壓力；m為挖掘機(jī)工作裝置質(zhì)量；v為液壓缸速度；a為液壓缸加速度；FL為外負(fù)載力。

動臂液壓缸的流量平衡方程為

qA=AAv=(D1+D2)n

(2)

qB=ABv=D2n

(3)

式中：D1為液壓泵/馬達(dá)1排量；D2為液壓泵/馬達(dá)2排量；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

液壓泵/馬達(dá)1與液壓泵/馬達(dá)2的流量分別為

q1=D1n

(4)

q2=D2n

(5)

根據(jù)式(2)和式(3)可知，液壓泵/馬達(dá)1與液壓泵/馬達(dá)2的排量比為

(6)

液壓泵/馬達(dá)1與液壓泵/馬達(dá)2的轉(zhuǎn)矩方程為

(7)

(8)

忽略轉(zhuǎn)動慣量的影響，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(9)

在所提系統(tǒng)中，能量將在液壓泵/馬達(dá)1、液壓泵/馬達(dá)2、蓄能器、超級電容、電動機(jī)和動臂之間相互傳遞和轉(zhuǎn)換。這種傳遞與轉(zhuǎn)換關(guān)系可用電動機(jī)與泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)矩解釋。圖2所示為動臂下降與舉升階段，液壓泵/馬達(dá)1、液壓泵/馬達(dá)2與電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。

圖2 液壓泵/馬達(dá)與電動機(jī)之間轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系Fig.2 Torque balance relationship between hydraulic pump/motor and electric motor：(a) lowering process；(b)lifting process

在動臂下降過程中，液壓缸無桿腔一部分油液q1經(jīng)液壓泵/馬達(dá)1進(jìn)入蓄能器，一部分油液q2經(jīng)液壓泵/馬達(dá)2進(jìn)入液壓缸有桿腔。由于動臂無桿腔壓力pA大于有桿腔壓力pB，液壓泵/馬達(dá)2始終處于馬達(dá)工況。當(dāng)蓄能器壓力pAC小于液壓缸無桿腔壓力pA時，液壓泵/馬達(dá)1處于馬達(dá)工況。此時，電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩為液壓泵/馬達(dá)1轉(zhuǎn)矩與液壓泵/馬達(dá)2轉(zhuǎn)矩絕對值之和。當(dāng)蓄能器壓力pAC大于液壓缸無桿腔壓力pA時，液壓泵/馬達(dá)1處于泵工況。為使油液充入蓄能器，液壓泵/馬達(dá)2的一部分轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)1，一部分轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動電動機(jī)發(fā)電。

在動臂上升階段，蓄能器油液q1經(jīng)液壓泵/馬達(dá)1進(jìn)入液壓缸無桿腔。液壓缸有桿腔油液q2經(jīng)液壓泵/馬達(dá)2進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓泵/馬達(dá)2始終處于泵工況。當(dāng)蓄能器壓力pAC小于液壓缸無桿腔壓力pA時，液壓泵/馬達(dá)1處于泵工況。電動機(jī)處于電動狀態(tài)，一部分轉(zhuǎn)矩驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)1，一部分轉(zhuǎn)矩驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)2。當(dāng)蓄能器壓力pAC大于液壓缸無桿腔壓力pA時，液壓泵/馬達(dá)1處于馬達(dá)工況。液壓泵/馬達(dá)1輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)2。

3 系統(tǒng)特性分析

以某型號挖掘機(jī)為研究對象，在仿真平臺SimulationX中建立包含電氣、機(jī)械和液壓的雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真模型，如圖3所示。挖掘機(jī)動臂液壓缸活塞直徑為150 mm，活塞桿直徑為105 mm。以動臂液壓缸運(yùn)行速度300 mm/s為設(shè)計目標(biāo)，根據(jù)液壓缸兩腔面積比及流量需求，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，確定液壓泵/馬達(dá)1排量為156 mL/r，液壓泵/馬達(dá)2排量為162 mL/r。

圖3 雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真模型Fig.3 Co-simulation model of the double hydraulic pump direct driving hydraulic excavator boom system

蓄能器壓力設(shè)定為21 MPa，容積為180 L，圖4所示為雙泵直驅(qū)動臂系統(tǒng)的運(yùn)行特性曲線。圖4(a)為動臂液壓缸速度與位移曲線，動臂舉升和下放過程中，液壓缸設(shè)定速度均為300 mm/s，運(yùn)行位移為925 mm，速度超調(diào)和波動小，動臂運(yùn)行平穩(wěn)。圖4(b)為系統(tǒng)壓力曲線，蓄能器壓力在動臂舉升過程中由21 MPa逐漸降低到15.5 MPa，在動臂下降過程中由15.5 MPa逐漸升高至21 MPa。動臂舉升和下降啟動過程中，液壓缸無桿腔壓力存在較大波動，有桿腔維持補(bǔ)油壓力。圖4(c)為系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩曲線，動臂舉升過程中，蓄能器壓力大于液壓缸無桿腔壓力，液壓泵/馬達(dá)1輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)2，隨著蓄能器壓力逐漸減小，液壓泵/馬達(dá)1轉(zhuǎn)矩由-114 N·m變化為20 N·m，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩由315 N·m增大到426 N·m。動臂下降過程中，液壓泵/馬達(dá)2輸出轉(zhuǎn)矩一部分驅(qū)動電動機(jī)發(fā)電，一部分驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)1為蓄能器充油，隨著蓄能器壓力逐漸增大，液壓泵/馬達(dá)1轉(zhuǎn)矩由-49 N·m變?yōu)?163 N·m，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩由288 N·m減小到178 N·m。圖4(d)為超級電容電壓與電流變化曲線，動臂舉升階段，蓄能器壓力逐漸降低，超級電容電流逐漸增大，峰值電流為450 A。動臂下降過程中，一部分工作裝置重力轉(zhuǎn)換為電能存儲到超級電容中，超級電容電壓逐漸升高。

圖4 雙泵直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.4 Operation characteristics of double pump direct driving system：(a)velocity and displacement； (b)pressures；(c)torques；(d)current and voltage of super-capacitor

圖5所示為傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)與雙泵直驅(qū)系統(tǒng)的能量特性曲線。由圖5(a)可知：液壓泵峰值功率為210.5 kW，共消耗能量592.2 kJ。動臂下降階段，工作裝置重力勢能經(jīng)控制閥轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，約為463 kJ。由圖5(b)可知：蓄能器輸出功率約為動臂舉升需求功率的一半；在動臂舉升階段，超級電容為電動機(jī)供能，超級電容峰值功率為114.7 kW，消耗電能288.4 kJ；在動臂下降過程中，蓄能器存儲的能量為263 kJ，超級電容存儲電能107 kJ，計算可得混合儲能系統(tǒng)共回收重力勢能370 kJ，重力勢能回收效率為79.9%。動臂舉升和下放一個周期，超級電容電能減小209 kJ，與傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)相比，能耗降低了64.6%。

圖5 不同系統(tǒng)能量特性Fig.5 Energy characteristics of different systems：(a) traditional valve control system；(b)double pump direct driving system

4 蓄能器參數(shù)影響分析

蓄能器作為雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，在動臂舉升和下降過程中，其壓力變化對混合儲能系統(tǒng)的重力勢能回收效率與節(jié)能效率具有較大影響。為此，進(jìn)一步對蓄能器工作壓力與容積對系統(tǒng)能量特性的影響進(jìn)行了探討。

設(shè)置蓄能器容積為180 L，圖6所示為蓄能器壓力不同時，超級電容電量變化曲線?？芍盒钅芷鲏毫υ酱?，動臂舉升階段蓄能器提供的能量越大，超級電容輸出能量越少。同時，蓄能器壓力越大，在動臂下降階段，電動機(jī)發(fā)電能量越小，超級電容存儲的電能越少。

圖6 蓄能器壓力對超級電容電量影響Fig.6 Influence of accumulator pressure on the energy of the super-capacitor

表1所示為蓄能器壓力對系統(tǒng)能量特性的影響規(guī)律。當(dāng)蓄能器最高工作壓力由12 MPa增大到27 MPa時，蓄能器回收的重力勢能由163 kJ增加到了322 kJ，超級電容回收的重力勢能則由205 kJ降低為67 kJ。通過蓄能器回收重力勢能，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，能量回收利用效率高。因此，隨著蓄能器壓力的升高，變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)系統(tǒng)能耗由273 kJ減少為180 kJ，節(jié)能效率為53.8%～69.5%。

表1 蓄能器壓力對系統(tǒng)能量特性影響Tab.1 Influence of accumulator pressure on the energy of the system

設(shè)置蓄能器壓力18 MPa，圖7所示為蓄能器容積不同時，超級電容電量變化曲線。由于蓄能器容積越大，動臂舉升和下放過程中，蓄能器壓力變化越平緩，蓄能器平均壓力越高。蓄能器油液體積變化相同時，蓄能器充液與放液過程的功率和能量越大。由圖7可看出：蓄能器容積越大，動臂舉升階段超級電容電量消耗越小，動臂舉升階段超級電容電量增加也越小。整體而言，蓄能器容積變化引起的超級電容電流變化較小。

圖7 蓄能器容積對超級電容電量影響Fig.7 Influence of accumulator volume on the energy of the super-capacitor

表2所示為蓄能器容積對系統(tǒng)能量特性的影響規(guī)律。當(dāng)蓄能器容積由90 L增大到240 L時，蓄能器回收的重力勢能由225 kJ增加到了266 kJ，單位容積變化引起的重力勢能回收量變化為0.27 kJ/L。隨著蓄能器壓力的升高，變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)系統(tǒng)能耗由227 kJ減少為203 kJ，節(jié)能效率為61.6%～65.7%。

表2 蓄能器容積對系統(tǒng)能量特性影響Tab.2 Influence of accumulator volume on the energy of the system

5 結(jié)論

針對電動挖掘機(jī)高能效驅(qū)動需求，提出了一種變轉(zhuǎn)速雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂混合儲能系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)運(yùn)行特性和能量特性，得到了以下結(jié)論：

(1)通過合理配置2個液壓泵/馬達(dá)排量，雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)可獲得良好的控制特性，速度超調(diào)和波動小，控制平穩(wěn)。

(2)通過大幅減小液壓閥節(jié)流損失、高效回收與利用工作裝置重力勢能，雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)可獲得良好的節(jié)能效果，當(dāng)蓄能器壓力為21 MPa、容積為180 L時，重力勢能回收效率為79.9%，與傳統(tǒng)多路閥控系統(tǒng)相比，可減少能耗64.6%。

(3)蓄能器壓力和容積對雙泵直驅(qū)挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)能量特性影響較大，當(dāng)蓄能器壓力由12 MPa增大至27 MPa時，系統(tǒng)節(jié)能效率由53.8%提高至69.5%。當(dāng)蓄能器容積由90 L增大至240 L時，系統(tǒng)節(jié)能效率由61.6%提升至65.7%。