純電驅液壓挖掘機復合動作電液能量回收再利用系統研究

李 潔， 程 珩， 權 龍， 郝云曉， 關 澈

(1.太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室， 山西 太原 030024；2.太原理工大學 機械工程學院， 山西 太原 030024)

引言

傳統液壓挖掘機的能量利用率較低，從發動機輸出的能量僅有20%左右被負載利用[1]，且發動機在工作時排放出的污染性氣體與固體顆粒對施工地區的空氣質量以及附近居民的生活質量造成影響。近年來，電驅液壓挖掘機因其無污染、噪聲小、能量利用率高、可靠性高等優勢[2-3]，受到了越來越多的關注。

在液壓挖掘機的工作過程中， 動臂和回轉動作耗能較高， 可回收能量較多[4]， 但目前市場上的純電驅挖掘機大多缺少能量回收環節或只實現了動臂或回轉單動作的回收，沒有考慮復合動作情況下的能量回收，導致其使用過程中能量利用率較低。

目前，根據回收方式可將挖掘機的能量回收系統分為電氣式和液壓式。液壓式能量回收系統的主要儲能元件是蓄能器，其具有功率密度大，裝機成本低的特點[5]，能夠在極短時間內實現制動能的儲存和釋放。付春雨等[6]提出一種以蓄能器作為儲能元件的新型動臂勢能回收液壓系統，實驗結果表明:動臂勢能回收率為22.6%；林添良等[7-8]提出了一種基于液壓蓄能器的兩級空轉速度控制系統，降低了空轉速度控制關閉時的能耗，進一步提高了制動器的控制性能。電氣式能量回收系統的主要儲能元件是超級電容和蓄電池，超級電容具有安裝空間小、儲能密度高的特點，并提出一種使用超級電容的電驅動液壓挖掘機的節能型轉臺驅動系統；HYEON-SEOP Y等[9]研究了使用超級電容器的環保型電動挖掘機的能源管理問題，結果表明，采用超級電容的挖掘機電池效率得到了提高。電氣式回收的缺點是能量轉換環節多，傳遞鏈長，效率低；而液壓式回收能量轉換路徑短，油液壓力低，再利用困難，如何實現兩種方式的有效結合將成為今后研究的重點；BO LONG等[10]提出了一種改進的電動汽車多功能能量回收系統，改進了傳統蓄能器蓄電池組測試系統存在的能量損耗和諧波問題；陳正雄[11]提出了一種大慣量回轉機構制動能量電液回收利用系統，使用液壓蓄能器與超級電容儲能，通過控制發電機扭矩匹配蓄能器的壓力，實現回轉系統制動能量回收效率最大化的同時，保證回轉機構的制動平穩。

本研究針對純電驅液壓挖掘機動臂與轉臺的工作特點，將采用液壓馬達-電機作為回轉系統和動臂的回收單元，DC/DC與超級電容和蓄能器作為儲能單元進行挖掘機復合動作情況下的能量回收的方法研究。

1 挖掘機復合動作過程分析

挖掘機的工作過程具有周期性[12]，在標準工況下挖掘機的典型工作循環如圖1所示。

一個工作循環中轉臺分別正反轉各一次，動臂提升和下降各一次，每個工作周期約為20 s[13]。在挖掘機的工作過程中，動臂的下降過程和轉臺的整個工作過程均可實現能量回收。

圖1 標準工況下挖掘機的典型工作循環

2 系統結構與原理

2.1 能量回收系統結構設計

純電驅液壓挖掘機動臂與轉臺復合動作能量回收系統結構原理圖如圖2所示。

2.2 能量回收系統工作原理

該系統采用蓄能器和超級電容儲能系統共同作為儲能元件進行能量回收。下面分別對回轉和動臂系統的工作原理進行說明。

1) 回轉制動動能能量回收再利用系統工作原理

以馬達正轉為例，當回轉系統開始加速時閥7工作于左位，主液壓泵輸出高壓油至回轉馬達A口驅動轉臺回轉。在回轉加速與勻速階段，閥12下位接通，通過調節恒壓馬達14的壓力回收回轉馬達回油口B的背壓，在此階段閥18左位接通，恒壓泵/馬達出口接油箱，電機處于發電狀態，超級電容回收能量。考慮到蓄能器17壓力較大，若其壓力大于一定值，閥13上位接通，蓄能器內高壓油釋放至回轉馬達A口，輔助液壓泵驅動回轉機構。回轉減速制動階段，主泵排量為0，回轉馬達B口流量最大，為使上車平穩制動，閥12下位接通。當回轉馬達出口壓力大于蓄能器壓力時閥18右位接通，恒壓馬達與蓄能器17連接，在此過程中蓄能器回收大部分制動能量，電機15補償蓄能器的非線性特性，從而降低電氣回收單元的裝機能量，降低成本。

2) 動臂勢能回收再利用系統工作原理

動臂上升時，閥20處于左位，閥19處于右位，超級電容放電，蓄能器釋能，由電機23和泵22提供高壓油驅動動臂上升。在此過程中閥21處于左位，主泵向動臂無桿腔補充因泄漏損失的液壓油。

動臂下降時，閥19處于左位，閥20處于右位，液壓缸無桿腔的高壓油驅動回收泵/馬達22和電機23發電，超級電容充電，同時出口處的高壓油充入蓄能器轉換成勢能存儲，主泵4為有桿腔補油防止吸空。通過控制電機23的轉速控制動臂的下降速度。

1.整流器 2、16.逆變器 3.主電機 4.主泵 5.油箱 6.溢流閥 7、8、12、13、18、19.三位三通電磁換向閥 9、10.單向閥 11.回轉馬達14.回收馬達 15、23.電機 17、25.蓄能器 20、21、26.二位二通電磁換向閥 22.回收泵/馬達 24.整流/逆變器圖2 純電驅液壓挖掘機復合動作能量回收利用系統結構原理圖

3 系統元件參數匹配

本研究以某型號6 t純電驅液壓挖掘機作為研究對象進行分析，其基本參數如表1所示。

表1 6 t電驅挖掘機基本參數

3.1 能量回收系統參數設計

對于能量回收系統中的馬達、電機、蓄能器等元件的型號參數可按照原挖掘機系統的各部分可回收能量進行估算。永磁同步伺服電機具有效率高、功率因數高、溫升低等優點[14]，本研究以其作為回收電機對能量進行回收。表2為初步選定能量回收系統的參數。

表2 能量回收系統參數

3.2 超級電容儲能系統設計

超級電容儲能系統由超級電容器和DC/DC變換器組成。挖掘機回收能量的過程具有變化劇烈且快速的特點，超級電容器具有功率密度高、充放電效率高、循環壽命長等優勢[15]，使用超級電容進行儲能可以滿足挖掘機的能量回收需求。DC/DC變換器可以實現精確的電流與電壓控制，能夠滿足電機系統較小的電壓工作范圍的要求。通過對可回收能量的預估，超級電容最高充電電壓定為350 V，最低放電電壓為250 V，容量為5 F。超級電容的SOC 值較高時充電，易造成充電過量而影響使用壽命，而SOC 值低于下限時，內阻會增大許多，此時不宜進行充電。因此本研究選取超級電容SOC值的下限為0.64，上限為0.8[16]。

DC/DC變流器為非隔離半橋型雙向DC/DC變流器，其結構拓撲如圖3所示。其控制環節采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制方法。通過對超級電容儲能系統充放電功率的預估，DC/DC變流器功率定為10 kW。

圖3 非隔離半橋型雙向DC/DC 變流器

4 泄漏及效率分析

由于動臂上升時回收泵/馬達提供了主要油液，而其在工作過程中存在一定程度的泄漏，這部分泄漏的油液將由主泵補充。為了研究動臂一個工作循環中回收泵/馬達泄漏的油液量，本研究建立了斜軸泵/馬達流量的數學模型和損耗模型，通過計算獲得動臂回收泵/馬達泄漏的油液體積。

4.1 斜軸泵/馬達流量分析

柱塞泵/馬達旋轉1周，柱塞底部的密閉容積在缸體的擺動作用下進行吸油和排油。泵/馬達的輸出流量壓力與柱塞的瞬時流量有關，柱塞的瞬時流量為：

(1)

式中，d—— 柱塞直徑

vi—— 柱塞i的軸向速度

ω—— 缸體轉動角速度

R—— 柱塞軸線在缸體中的分布圓半徑

α—— 斜盤平面相對于缸體橫截面的夾角

φi—— 柱塞i的轉角

泵/馬達的瞬時理論流量為排油腔的柱塞的瞬時理論流量之和：

(2)

式中，m為處于排油腔的柱塞數。

一般柱塞數為奇數，泵/馬達輸出流量脈動較小，所以假設柱塞泵為奇數，對式(2)整理后可以得出柱塞泵/馬達的理論流量Qsh和實際流量Q分別為：

(3)

(4)

4.2 回收泵/馬達損耗分析

由以上分析可知，回收泵/馬達的實際流量Q受馬達的效率影響。定量泵/馬達的效率主要與系統壓力和轉速有關，其效率的計算公式為：

容積效率：

(5)

機械效率:

(6)

總效率：

(7)

式中， ΔpM—— 泵/馬達系統壓力

ηM—— 泵/馬達轉速

CS—— 層流泄漏系數

CV—— 層流阻力系數

Cf—— 機械阻力系數

μ—— 液壓油動力黏度

本研究中液壓系統液壓油型號為HLP46。挖掘機的液壓油溫一般為60～80 ℃，液壓油的運動黏度ν取13 mm2/s，密度ρ為0.876 kg/m3。計算可得動力黏度μ=ν·ρ=11.388×10-6kg/m·s。

由式(4)和式(5)計算可得動臂上升和下降所形成的一個工作循環中，動臂工作系統中的油液剩余量為循環開始時的85%，為了保證挖掘機工作的連續性，主泵將在動臂上升階段提供所需油液的15%。

5 仿真分析

根據圖2的原理以及以上參數設計、泄漏分析和效率分析，在仿真軟件SimulationX中對6 t純電驅液壓挖掘機的液壓、機械及控制部分進行建模和聯合仿真，模型按照圖1所示的動臂和回轉復合動作過程進行控制，單個工作周期設為20 s，對單個工作周期進行仿真。圖4所示為周期內各模塊的給定動作信號。

圖4 復合動作給定信號

5.1 動臂運行特性分析

在一個完整的工作周期內，本系統動臂液壓缸的速度-位移與給定信號的速度-位移對比曲線如圖5所示。從圖5中可以看出動臂勻速運動時液壓缸的速度波動為3.7%；位移與給定信號產生了1.4%的誤差。總體來看，本系統能夠根據指定信號完成相應的提升和下降的動作，使動臂正常作業。

圖5 動臂液壓缸速度-位移曲線

圖6所示為動臂運行過程中，系統各元件的功率曲線。在動臂上升階段，回收電機驅動恒壓泵/馬達向液壓缸無桿腔提供能量。在動臂加速階段，電機存在峰值功率約為3.5 kW；隨著蓄能器壓力的降低，發電機功率逐漸增加，最大功率為4.2 kW。在此過程中，蓄能器釋放高壓油，蓄能器供能功率約為3 kW，隨著運行距離的增加，蓄能器功率逐漸降低。蓄能器油液壓力由4.5 MPa降低為4.18 MPa，油液體積由8.4 L減少為6.4 L。

圖6 動臂回收單元特性曲線

在動臂下降階段，蓄能器和超級電容共同回收動臂重力勢能。工作裝置的重力勢能主要由蓄能器回收，發電機功率約為1.8 kW，蓄能器充液功率約為3.5 kW，明顯大于發電機功率。蓄能器油液壓力由4.16 MPa升高為4.5 MPa，油液體積由6.4 L升高為8.6 L。由圖可知在一個工作循環結束時，蓄能器基本可以返回初始狀態。

5.2 轉臺運行特性分析

圖7所示為一個工作周期內，回轉機構旋轉90°的運行曲線。正轉加速階段，回轉馬達A口和液壓泵出口壓力逐漸增加。回轉加速初始階段，回轉馬達轉速滯后回轉指令較大；回轉勻速階段，由于旋轉角度較小，勻速時間短，回轉馬達轉速出現較大超調，回轉機構的最大轉速為1.1 r/min；回轉制動階段，上車回轉機構出現了小于0.5%的反轉現象。

圖7 回轉轉臺角速度-角位移曲線

圖8所示為回轉系統回收單元特性曲線。加速階段時，蓄能器釋放高壓油，由于蓄能器與回轉馬達進油口壓力存在壓差，因此蓄能器功率存在一瞬間的峰值約為15 kW。隨著回轉角度的增加蓄能器壓力逐漸降低，直至油液壓力下降到18 MPa時蓄能器停止供能。回轉加速時回收電機功率隨回轉速度的增加而增加，最大功率約為3.1 kW。回轉制動過程中，高壓油經過回收馬達沖入蓄能器，蓄能器油液壓力逐漸上升至19 MPa，峰值功率約為10 kW。

圖8 回轉回收單元特性曲線

5.3 運行能耗對比

當一個循環周期內能量的回收與再利用達到平衡，則循環結束時兩個蓄能器的油液體積和壓力以及超級電容SOC值與開始時相同。對該系統在動臂和回轉工作的一個標準工況下的能耗特性進行仿真研究，并與沒有能量回收單元和儲能系統的原純電驅液壓挖掘機進行比較。圖9為仿真得出的兩個系統的能耗對比圖。可以看出一個循環周期原系統耗能約48 kJ，電液回收與再利用系統耗能約33.7 kJ，節能約29%。

圖9 能耗對比

表3為能量回收系統的能量轉化效率。由表3可以看出，純電驅挖掘機采用電液能量回收再利用系統后，一個周期內，挖掘機動臂和回轉部分總可回收能量為24.36 kJ，能量回收系統共回收能量18.3 kJ，能量回收效率約為75.1%，再利用效率約為78.1%。

6 結論

本研究提出一種基于超級電容和蓄能器的6 t純電驅液壓挖掘機的回轉和動臂的復合能量回收與再利用系統，有效解決了挖掘機工作過程中大量能量浪費的問題。對挖掘機回收系統的主要元件進行參數匹配，并對回收泵/馬達進行了泄漏分析，使蓄能器的充放液在一個循環周期內達到平衡。基于SimulationX平臺建立系統的仿真模型，對其進行動臂與回轉復合工況下的仿真分析。結果表明，系統能夠根據給定信號完成相應的動作，儲能元件能夠平穩地實現能量的回收與釋放。所提方案較原純電驅液壓挖掘機系統可實現29%的節能，能量回收率和再利用率分別可達75.1%和78.1%，具有較好的節能效果。