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

1、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

2、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 :T H 137 文献标识码 :AEnergy saving scheme of hydraulic excavators based on hybrid power technologyW A NG D ong-yun, PA N Shuang-x ia, L I N Xiao, GU A N Cheng（Colleg e

3、 of M echanical &Energ y Engineering , Z hejiang Unive rsity , H ang zho u 310027, ChinaAbstract:To further improve fuel efficiency of hydraulic excavators, a new energy saving scheme w hich used the hybrid pow er source to replace the conventio nal single diesel engine was proposed. By analyzing th

4、e load co ndition of the hy draulic excavators and the distribution of the engine w orking point, the necessity and feasibility of hybrid technolo gy for hy draulic excavators were revealed. M atlab /Simulinkmodels of the two kinds of hybrid excavator s were co nstructed which used the load data col

5、lected from a real 5t excav ato r as the load input. The energy saving effect, sy stem cost and po wer perfo rmance of the three kinds of power train sy stems were compared through simulation and experiments. Comparison results showed that the parallel configuration was the most suitable technology

6、for hydraulic excavator s energy saving. It could improve en-erg y saving for hy draulic excavators.Key words:hybrid pow er techno lo gy ; series and par allel; e xcavato rs; hy dr aulic system; energ y saving0 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。

7、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（Open Center Lo ad Sensing Sy stem , OC LSS 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 Rex ro th 公司的 负载敏 感多路阀 （Load-independent throughput Distribu-tion V alve, 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 ,

8、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

9、田的 insig ht, 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

10、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

11、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

12、。图 5为 ZN485Q , A c , 189计算机集成制造系统 第 15卷BB c , CC c , DD c 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 AA c 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 A c 附近 （油耗率为 300350g /kWh之间 。如果发 动机工作点被控制在 a 点附近

13、, 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 :节能效果 ; 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

14、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 （NIM H 组三者 作为动力源。采用电动机与动力 NIM H 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

15、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 190NIM H 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

16、 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

17、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

18、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 （Hybrid Control Unit, HCU 发送指令给电机控制器 （Power Control Unit, 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 （Stateof Charge, 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

19、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 ,

20、 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 M atlab /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

21、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 （Electric Assist Control Strategy, EACS11, 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 （Fuzzy Lo

22、gic Control Strategy, 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 ,

23、 5t 液 压挖 掘机 需 要达 到的 动力 性能 如表 2所示。表 2 5t 液压挖掘机性能参数参数 数值 斗容 /m30. 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 /kN26挖掘循环周期 /s15回转速度 /rpm13. 4行走速度 /（km /h3. 84/2.46爬坡度 /b30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

24、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 P L = 16 1 3 kW 。 PL = 1 T 进行进一步的讨论。 3 12 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 540 g, 串联系统油耗为 362 g, 并联系统油耗 为 330 g, 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 ,

25、 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 300 s 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 : m fuel_SO C = $SOC # QBA T # Gfuel 。 （ 5 式中 : m fuel_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. 52 kWh, 并 联系

26、统为 1. 96 kWh; G fuel 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 230 g / kWh, 并联系统取 240 g / kWh 。最 终考 虑 电 池 SOC 波 动 的 综 合 油 耗 对 比 如 表 3 所示。 QP （ t d t = 0 L T 16 1 3 kW 。 （ 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 GBA T 。因此串联系统的主动力源选择需 要满足 : P

27、 ICE_S GEG （ 1 - x # P L x#P L + 。 （ 2 GEG # GEM #G EM # G BA T 根据合作单位提供的数据, 取 G EG = 91% , G EM = 92% , GBAT = 72% , 另根据载荷波 动统计情况, 取 x = 0 1 22, 则可得 P ICE_s = 21 1 05 kW 。因此选择发动 机额定功率 22 kW /2 200 rpm, 发电机额定功率 22 kW / 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 32 kW /2 200 rpm 。需要说 明的是, 上 述计算

28、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 G EG 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（

29、 3 和式 （ 4 所 示, 根据计算结果笔者选择发动机额定功率 20 kW / 2 200 rpm, 电动发电机功率为 15 kW /2 200 rpm 。 x#P L P ICE_P + （ 1 - x # P L = 19 1 3, GEG # G EM # G BAT P ICE_P + P EM P ICE_C 。 （ 3 （ 4 对于电池组容量的选择主要考虑三个方面 : 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 P 1 前, 液

30、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。 3 13 表3 发动机 油耗 / g 普通系统