基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究王冬云百度解读Word下载.docx
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基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究
王冬云,潘双夏,林潇,管成
（浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027
摘要:
为进一步提高液压挖掘机的节能效果,提出了以混合动力源代替单一柴油机动力系统的新型节能方法。
通过分析液压挖掘机的工况特点和发动机工作点波动情况,证明了混合动力技术在液压挖掘机节能中的必要性和可行性。
建立了5t级串、并联混合动力挖掘机的仿真模型,并以采集的同等级动力配置的液压挖掘机工作负载作为仿真的载荷谱。
以模型仿真和试验测试为研究手段,对比分析了原型系统和串/并联混合动力系统的节能效果、系统成本和动力性能,得出了并联式混合动力系统是目前最适合液压挖掘机的节能方案的结论。
仿真和试验结果表明,该方案能进一步提高液压挖掘机的节能效果。
关键词:
混合动力技术;
串联/并联;
挖掘机;
液压系统;
节能中图分类号:
TH137文献标识码:
A
Energysavingschemeofhydraulicexcavatorsbasedonhybridpowertechnology
WANGDong-yun,PANShuang-xia,LINXiao,GUANCheng
（CollegeofMechanical&
EnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China
Abstract:
Tofurtherimprovefuelefficiencyofhydraulicexcavators,anewenergysavingschemewhichusedthehybridpowersourcetoreplacetheconventionalsingledieselenginewasproposed.Byanalyzingtheloadconditionofthehydraulicexcavatorsandthedistributionoftheengineworkingpoint,thenecessityandfeasibilityofhybridtechnologyforhydraulicexcavatorswererevealed.Matlab/Simulinkmodelsofthetwokindsofhybridexcavatorswereconstructedwhichusedtheloaddatacollectedfromareal5texcavatorastheloadinput.Theenergysavingeffect,systemcostandpowerperformanceofthethreekindsofpowertrainsystemswerecomparedthroughsimulationandexperiments.Comparisonresultsshowedthattheparallelconfigurationwasthemostsuitabletechnologyforhydraulicexcavatorsenergysaving.Itcouldimproveen-ergysavingforhydraulicexcavators.
Keywords:
hybridpowertechnology;
seriesandparallel;
excavators;
hydraulicsystem;
energysaving
0引言
挖掘机的传统节能方法主要集中于液压系统的改进,以及发动机与负载的功率匹配两个方面。
其中液压系统改进主要通过电液比例控制技术,提高液压系统性能,实现节能目标。
这类节能方案前后出现过正流量控制系统、负流量控制系统、负荷传感控制系统等。
日本小松用于其著名的PC系列挖掘
机上的开式中心负荷传感系统[1]（OpenCenterLoadSensingSystem,OCLSS即是负流量控制系统的典型应用。
OCLSS的典型产品有Linde公司的VW系列同步控制阀和Rexroth公司的负载敏感多路阀（Load-independentthroughputDistribu-tionValve,LDV[2]。
随着电液比例控制技术的进步,液压挖掘机的节能效果得到了显著的提高,目前液压系统效率已经高达80%。
但是其整机效率仍
DOI:
10.13196/j.cims.2009.01.190.wangdy.004
第1期王冬云等:
然很低,并且已很难通过调整液压系统来进一步提
升工作效率。
发动机与负载的功率匹配研究[3]是很
有前景的研究方向,主要通过调节发动机油门和液压泵排量来实现功率匹配,从而实现节能。
然而,由于传统挖掘机的固有动力结构很难实现全局功率匹配,要进一步大幅提高整机燃油效率,必须重新审视挖掘机的动力结构。
近年来,汽车节能控制领域兴起了采用混合动力的设计方法,并已经生产出了民用化的混合动力汽车。
其典型代表有本田的insight,丰田的prius。
尤其是本田insight,其手动五档变速车创造了3L汽油行驶105km的纪录。
混合动力技术在汽车上的成功应用,给各个领域的节能和环保研究注入了新的生机。
尤其在工程机械领域,传统的液压挖掘机节能技术遇到瓶颈,应用传统的节能方法已很难在节能效果上取得突破。
国外多家大型挖掘机研究机构和制造厂商已经开展了一系列有关混合动力液压挖掘机的研究,并在系统结构、控制策略、整机配置上取得了一定的进展[7-10]。
而国内由于受到相关技术的制约,基于混合动力设计方法研究液压挖掘机的节能控制尚处于起步阶段[10]。
本文重点研究混合动力技术在液压挖掘机上的适用性,提出了串/并联混合动力结构,并对其节能效果、系统成本和动力性能进行了深入对比研究。
1液压挖掘机工况分析及混合动力技术适用性研究
111液压挖掘机工况分析
液压挖掘机由行走机构、回转平台、动臂、抖杆、铲斗、行走马达等工作装置组成,是一种集机、电、液和控制于一体的复杂系统。
原型系统连接结构如图1所示。
挖掘机工作呈现循环往复的周期性特点,如挖掘过程由挖掘、动臂提升、满斗回转、卸料、动臂下降,空斗回转等动作组成,每个动作又由多个关节复合完成。
表1所示为挖掘机一个典型工作循环作业过程,其中黑色阴影表示关节处于工作状态,白色表示处于停止状态,它不仅给出了一个挖掘循环中的时间分配,而且反映了各关节复合工作的全过程。
由于各关节工作所需的功率相差很大,且挖掘时土壤情况复杂,挖掘机工作时泵的出口压力波动剧烈,导致柴油发动机输出的功率波动范围很大,如图2所示。
图2为采集的5t液压挖掘机在挖掘和平整两种工况下
机械联接,泵出口压力的波动将直接导致发动机工作点的变化。
图3所示为两种工况对应的发动机输出功率波动曲线。
图4为普通5t挖掘机发动机转速波动曲线,重载挖掘时设置发动机在重载工作模式,场地平整时设置发动机工作在中载模式。
图5为ZN485Q,Ac,189
计算机集成制造系统第15卷
BBc,CCc,DDc分别对应普通挖掘机的重载、中载、轻载和怠速四种工作模式,ge为柴油机的最经济油耗曲线,a,b,c三点分别对应相应工作模式下的最经济油耗点。
以重载模式为例,重载挖掘时,由于发动机本身的调速特性,其工作点分布于AAc上,从图3a中发动机输出功率波动情况和图4a中发动机转速波动情况可知,发动机的大部分工作点位于油耗率较低的Ac附近（油耗率为300~350g/kWh之间。
如果发动机工作点被控制在a点附近,油耗率为230g/kWh左右,
燃油效率将明显提升。
112液压挖掘机混合动力技术适用性研究
采用何种节能控制方法提高发动机实时工作点与最经济油耗线的拟合度,是液压挖掘机节能研究的一个重要方向。
混合动力技术是否适用于液压挖掘机,主要从以下几个方面衡量:
¹
节能效果;
º
挖掘机的动力性能;
»
成本增加幅度。
这里首先对混合动力挖掘机节能的可行性进行初探。
由上一节对挖掘机的工况分析可知,普通挖掘机的燃油效率低主要是因为负载的频繁剧烈波动,导致发动机工作点不稳定且大多分布于高油耗区域。
混合动力技术通过多动力源组合,特性不同的各个动力源相互弥补,实现高效的整体工作特性。
混合动力挖掘机采用柴油发动机、电动机和镍氢电池（NIMH组三者作为动力源。
采用电动机与动力NIMH电池组的辅助动力源具有功率密度高、速度特性好的优点,能弥补柴油发动机速度剧烈波动时效率低、动力特性欠佳的缺点,在发动机与负载之间起削峰填谷作用,可以缓和发动机负载的波动,稳定其转速。
图6所示为试验台采集的5t串、并联混合动力挖掘机在重载挖掘工况下发动机的速度波动曲线。
可见采用混合动力技术将发动机的转速波动限制在很小的范围,在较大程度上稳定了发动机的工作点,发动机工作点的稳定,以及转速波动的减少将大幅度提高发动机的燃油效率。
另外,需要说明的是由于混合动力系统增加了电动机和动力电池组的能量转换环节,这将影响整机燃油经济性,但是随着材料科学和电力电子技术的进步,电池组和电机的能量转换效率都达力190
NIMH电池的充电效率达到72%,而电机的效率更在90%以上。
因此,只要发动机的燃油效率提高幅度大于因增加能量转换环节而减少的幅度,整机效
率就能得到提高。
混合动力源通常配置比普通动力系统小的发动机作为主动力源,不但可以降低成本还可以方便结构布置,然而减小了发动机的装机功率是否影响挖掘机的动力性能还需要进一步研究。
从图3可知,即使在重载挖掘,发动机也只有少部分时间工作在额定功率下,普通挖掘机为了满足动力性能,必须配置额定功率大于负载最大需求的发动机。
采用混合动力技术后,由于动力电池组的储能特性和电动机动力的辅助作用,只要双动力源组合能够满足负载的最大功率需求即可。
因此,混合动力挖掘机只需配置满足负载平均功率需求的发动机即可。
只要双动力源合理配置,减少发动机的装机额定功率不会影响其动力性能。
综合节能效果和动力性能两方面的分析,混合动力在挖掘机上具有很好的适用性。
通过对混合动力挖掘机的节能可行性和动力性能的分析表明,混合动力技术在液压挖掘机上的应用是合适的,然而采用何种混合动力结构和实现方案,将对混合动力的效果产生很大影响。
2混合动力挖掘机结构研究
混合动力系统是指配置两个或两个以上动力源的系统[4]
在液压挖掘机中特指配置柴油发动机和电动机的系统。
目前研究的混合动力主要有串联系统、并联系统和混联系统三种。
串联系统结构原理如图7
所示。
柴油发动机是系统的主动力源,它通过离合器和发电机直接机械连接,输出的机械能全部转换为电能,采用电动机直接驱动下级的液压系统。
电动机具有良好的调速性能,因而可以直接驱动定量泵,实现液压系统高性能的调速。
所选的调速电机具有发电
功能,可以由动力总成控制器（HybridControlUnit,HCU发送指令给电机控制器（PowerControlUnit,PCU实现其功能切换。
动力电池组辅助主动力源输出功率满足负载需求,当负载需求功率大于主动力源的输出功率时释放能量,此时电池组的荷电状态值（StateofCharge,SOC下降,反之则利用主动力源多余的能量进行充电,SOC值上升。
图8所示是一种并联结构原理图,在该结构中,柴油发动机、电动/发电机和液压泵直接机械连接。
电动/发电的功能切换方式和串联系统相同,由HCU发送功能切换命令给PCU控制电机,
实现功能切换。
191
并联系统和串联系统的最大区别在于主动力源、辅助动力源和负载液压泵之间的连接方式不同。
这将直接决定动力源的控制策略和负载所需动力在两个动力源之间的分配方式。
混联系统属于并联系统的一种特殊情况,如图8所示,并联结构中若把回转系统单独由电动机驱动,则成为一种混联结构。
考虑到系统设计的复杂性,以及系统成本、性价比,本文对混联系统结构不作重点研究。
3混合动力模型仿真及性能评价
目前混合动力挖掘机的研究主要集中在串、并联两种结构,这两种结构都有其优缺点。
以下就原型系统、串联式混合系统和并联式混合系统在节能效果、系统成本、电池寿命和动力性能方面作综合评价分析。
为评价串联和并联混合动力系统的综合性能,以合作企业目前生产的5t液压挖掘机为原型,将两台5t级挖掘机的动力系统改造为串联和并联系统,其他配置不变,以保证挖掘机工作技术参数的一致性,实现三种不同动力系统的液压挖掘机的可比性。
首先,建立了三种系统相应的Matlab/Simu-link模型,并以实际采集的5t液压挖掘机的载荷谱作为模型的负载输入。
串/并联系统的仿真结构模型分别如图9和图10
其次,动力总成控制策略是影响混合动力挖掘机各项性能的关键因素之一,但控制策略不是本文的研究重点,这里只简单阐述相关的控制策略。
串联系统采用已应用于串联式混合动力汽车上的电力辅助控制策略（ElectricAssistControlStrategy,EACS
[11]
电动机的控制采用比例积分
法,电池管理系统中的SOC估算方法采用笔者在文献[5]中所述的基于能量守恒和四线法的估算策略。
并联系统采用EACS、模糊逻辑控制策略（FuzzyLogicControlStrategy,FLCS等控制策略,其电机控制方法和SOC估算方法和串联系统相似。
这几种控制方法在混合动力汽车上均已实现成熟应用,虽然挖掘机和汽车的工况不同,不能简单地将混合动力汽车的控制策略移植到液压挖掘机中,但经试验研究证明,所述的EACS,FLCS控制策略经过相应修正后在混合动力挖掘机控制中仍具有其适用性。
311关键动力部件参数设计
为了得到三个动力系统性能的可靠对比结果,还必须合理设计和选择关键动力部件。
5t普通液压挖掘机动力配置柴油发动机功率为32kW/2200rpm,5t液压挖掘机需要达到的动力性能如表2所示。
表25t液压挖掘机性能参数
参数数值斗容/m3
0.18最大挖掘半径/mm5700最大挖掘深度/mm3600铲斗最大挖掘力/kN32斗杆最大挖掘力/kN
26挖掘循环周期/s15回转速度/rpm13.4行走速度/（km/h
3.84/2.46
爬坡度/b
30
由于上述5t挖掘机的性能只描述了其最大工192
第1期王冬云等:
基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究193笔者以满足重载挖掘工况的动力需求作为两个混合动力系统的参数设计的要求。
如1.2节所述,混合动力系统由于其双动力源结构,主动力源只需提供负载需求的平均功率。
对重载工况的载荷数据按式（1进行积分运算得到其平均功率PŠL=1613kW。
PL=Š1T进行进一步的讨论。
312节能效果对比混合动力挖掘机的节能效果是衡量其性能的关键指标之一。
原型系统、串联系统和并联系统均以重载挖掘载荷谱作为载荷输入,油耗仿真结果如图11所示,从图中可以看出,在运行时间内,普通系统油耗为540g,串联系统油耗为362g,并联系统油耗为330g,相比普通系统和串、并联系统,节能效果分别提高36.1%和40.7%。
但是需要说明的是,串、并联混合动力挖掘机仿真模型中的油耗模型没有包括由于电池SOC变化所产生的等效发动机油耗,从图12中串、并联系统的SOC波动曲线可得,油耗统计的300s时间内串联系统电池组的SOC由0.6变化到0.65,而并联系统电池组SOC由0.6变化到0.64,等效油耗的计算方法如式（5:
mfuel_SOC=$SOC#QBAT#Gfuel。
（5式中:
mfuel_SOC为等效油耗;
$SOC为电池SOC变换量;
QBAT为电池组容量,串联系统为2.52kWh,并联系统为1.96kWh;
Gfuel为油耗率,可以结合图13发动机工作点分布和图5万有特性曲线获得,串联系统取230g/kWh,并联系统取240g/kWh。
最终考虑电池SOC波动的综合油耗对比如表3所示。
QP（tdt=0LT1613kW。
（1对于串联系统,发动机输出的全部能量都经过发电机、电动机的能量转换,效率分别为GEG和GEM。
其中部分比例为x的能量还需经历电池组的充放电,效率为GBAT。
因此串联系统的主动力源选择需要满足:
PICE_S>
GEG（1-x#PŠLx#PŠL+。
（2GEG#GEM#GEM#GBAT根据合作单位提供的数据,取GEG=91%,GEM=92%,GBAT=72%,另根据载荷波动统计情况,取x=0122,则可得PICE_s=21105kW。
因此选择发动机额定功率22kW/2200rpm,发电机额定功率22kW/rpm。
因为液压系统最终由电动机驱动,所以选择电动机功率与普通挖掘机发动机功率一致,为32kW/2200rpm。
需要说明的是,上述计算结果没有考虑发动机效率的提高,因此选择时忽略了发动机的裕量系数。
并联动力系统采用和串联系统相同的设计计算方法,不同的是,并联系统发动机输出的能量不用全部转换为电能,控制策略可以更灵活地控制双动力源的功率输出比率。
选择的关键部件能量效率为电动/EM=90%,发电模式时为GEG发电机电动工作模式时G=89%（因为并联系统转速仍有所波动,所以电动/发电机效率相对串联系统较低,电池组效率仍然为65%。
发动机输出能量经历电能转换的比例x=0.2（因为并列系统发动机的工作点会随负载作一定波动,所以该比例比串联系统低。
如式（3和式（4所示,根据计算结果笔者选择发动机额定功率20kW/2200rpm,电动发电机功率为15kW/2200rpm。
x#PŠLPICE_P>
+（1-x#PŠL=1913,GEG#GEM#GBATPICE_P+PEM>
PICE_C。
（3（4对于电池组容量的选择主要考虑三个方面:
¹
电池组的容量不限制电动机的工作性能;
在发电储能模式时能够进行高效率充电;
能满足整机对电池的寿命要求,在3.3节成本对比中将对电池组
194计算机集成制造系统第15卷调压力P1前,液压泵吸收的功率随着转速波动而变化,负载的波动直接影响发动机的转速和功率输出。
而普通动力系统发动机直接驱动负载液压泵（恒功率变量泵,因此发动机工作点波动频繁,燃料效率很低,油耗曲线中表现为斜率波动较大的曲线。
串联系统由于动力源和负载不存在直接机械硬联接,负载的波动不能直接影响发动机的工作点,因而能够较为简单地将工作点控制在经济油耗曲线上,最终系统的油耗低、工作稳定,耗油曲线表现为斜率基本稳定的直线。
该直线仿真起始段没有油耗是因为此时负载较低,电池的SOC较高,所以由电机单独驱动。
并联系统的节能效果处于上述两者之间,辅助动力源的削峰填谷作用使发动机工作点虽有所波动但始终围绕在经济油耗点附近。
另外,混合动力系统能改善挖掘机的燃油效率,还可以从发动机工作点的改善得到验证。
如图13所示为试验台采集的三动力系统发动机工作点波动情况,采用混合动力系统后发动机工作点得到了明显的改善。
油耗曲线中反映出串联系统耗油比并联系统多,是因为串联系统中所有的能量都经历了发电机和电池的能量转换环节,增加的能量转换环节降低了整机燃油效率。
313表3发动机油耗/g普通系统
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