液压挖掘机混合动力系统节能特性及试验研究*

刘昌盛，何清华，龚 俊，赵喻明

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙 410100)

液压挖掘机混合动力系统节能特性及试验研究*

刘昌盛1†，何清华1,2，龚 俊1，赵喻明1

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙 410100)

针对目前液压挖掘机能量利用率低、油耗高的问题，分析挖掘机在典型作业工况下的能量损耗，确定混合动力系统进行节能研究的重要方向.根据混合动力挖掘机的特点，提出基于超级电容与电机的并联式油电混合动力系统方案，以山河智能公司20吨级液压挖掘机为平台建立系统仿真模型，对系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素给混合动力挖掘机节能效果带来的影响进行理论计算和仿真分析，并对系统关键参数进行了优化匹配.搭建液压挖掘机混合动力系统试验平台，对系统的节能效果进行试验验证.研究结果表明，采用油电并联混合动力系统，并选择合适的动力耦合参数、瞬时优化控制策略及超级电容SOC补偿参数有利于提高液压挖掘机的节能指标，节能效率可改善20%以上.

液压挖掘机；混合动力系统；节能；仿真模型；试验研究

鉴于全球范围内能源短缺以及日趋严格的排放法规，各工程机械制造商和研究机构开始重视工程机械节能技术的研究与应用.作为工程机械的典型产品——液压挖掘机，由于其负载工况恶劣，发动机受到负载波动的影响大，工作点大部分时间处于低效区，而且系统在能量传递过程中损失大，重力势能和制动动能转为热能浪费严重，造成油耗大，能量利用率低，排放增加.因此，展开节能减排技术研究，降低油耗、减少排放、提高挖掘机能量利用率已成为当前国内外研究热点[1，2].

近年来，混合动力挖掘机的研究已成为工程机械行业内技术人士关注的焦点.自2004年日本小松公司研制出世界上第一台混合动力挖掘机后，国内外挖掘机制造企业如日本的神钢、日立建机以及美国的卡特彼勒等都开展了混合动力挖掘机研究工作[3-8].国内山河智能、柳工等已开始研究混合动力技术在挖掘机上的应用，并完成了样机研制[9].浙江大学张彦廷、王冬云等对混合动力系统的节能效果、控制策略和节能方案等进行了仿真研究[10-11].中南大学李铁辉对混合动力挖掘机能量回收系统、参数匹配、控制算法等进行了建模仿真和试验研究[12].

本文以液压挖掘机为研究对象，分析液压挖掘机在典型作业工况下的能耗损失、节能潜力以及能量回收的主要途径.设计基于超级电容与电机的并联式油电混合动力节能方案，建立系统仿真模型，分析系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对整机节能效果的影响，并对关键参数进行了优化匹配.搭建挖掘机混合动力系统试验平台，对系统的节能效果和关键参数优化匹配进行试验验证.

1 液压挖掘机能量损耗分析

1.1 挖掘机工况分析

液压挖掘机的典型作业模式主要为挖掘土方作业，以山河智能公司20吨级液压挖掘机为研究对象，在分析其实地测试数据的基础上，可得到液压挖掘机作业工况循环下的功率.图1为挖掘机的典型作业循环，在单个挖掘作业周期内，液压挖掘机先后完成了挖掘、满载举升回转、卸载和空载返回四个阶段.

1.2 挖掘机能耗分析

液压挖掘机在作业过程中，发动机通过液压泵输出动力来驱动工作装置(动臂、斗杆、铲斗)进行挖掘，以及驱动转台回转.此工况下挖掘机为定点挖掘，无行走动作，执行元件行走马达不产生功率消耗.

图1 液压挖掘机的典型作业循环

液压挖掘机挖掘作业工况的需求功率和能量为

P=P动臂+P斗杆+P铲斗+P回转+P附件，

(1)

(2)

式中：P动臂，P斗杆，P铲斗分别为动臂、斗杆、铲斗油缸驱动功率；P回转为回转马达驱动功率；P附件为整机附件功率.

其中，液压各执行元件在挖掘作业工况下的驱动功率分别为

Ppi=ppiQpi，

(3)

(4)

式中：ppi为各执行元件进口压力；Qpi为各执行元件进口流量.

为了便于分析和比较，选取液压泵的总输出能量为基准值，计算得到的各单元能量损耗均取此基准值的相对值.根据山河智能20吨级液压挖掘机的性能参数和实测试验数据，计算得到挖掘机在典型挖掘作业循环中各液压执行元件的能量损耗比，如图2所示.

挖掘机执行元件动作

由图2可知，回转动作能耗在液压挖掘机典型挖掘作业工作循环总能耗中所占比重较大，达到了38%，因此可将回转系统作为液压挖掘机节能的研究对象.另一方面，液压挖掘机动力系统具有波动性和周期性强的特点，其负载功率曲线如图3所示，发动机在该负载工况下输出功率变化范围大、波动剧烈，造成工作点远离最佳高效工作区域，工作效率低下，能量利用率不高，所以研究动力源与负载的功率匹配实现发动机工作在高效区对挖掘机节能也具有重要意义.

时间/s

2 混合动力系统结构与原理

液压挖掘机传统动力系统中柴油发动机作为驱动液压泵的唯一动力源，液压泵吸收发动机输出的功率并输出压力油驱动各执行机构，挖掘机工作时的制动能均以节流的方式转化为热能消耗.根据前文分析，在传统液压挖掘机的基础上，结合国内外应用最广泛的混合动力驱动技术，设计得到本文的液压挖掘机并联式混合动力系统整体方案，主要增加了油电混合驱动单元、电回转驱动与制动单元、电储能单元以及整机能量管理单元.如图4所示.

图4 混合动力系统结构原理图

在该系统中，驱动电机通过动力耦合作为辅助动力源，与发动机共同协调驱动负载.具体地，当液压泵需求功率高于发动机高效功率段时，驱动电机工作在电动模式，辅助发动机驱动液压泵工作；同理当液压泵需求功率较小时，驱动电机工作在发电模式，吸收发动机的多余功率，并储存在电储能系统.这样实现对外负载的“削峰填谷”作用，以稳定发动机工况，保证其工作在合理高效工作区间来获得较优的燃油经济性.

针对液压挖掘机回转系统特点，采用回转电机来实现转台驱动及回转制动能量的回收再利用.这样不仅能避免回转启动时原液压马达产生的溢流损失，而且能在回转制动过程中将回转平台的动能实现回收再利用，提高能量利用率.

3 理论结果及分析

3.1 混合动力系统仿真建模

为了从理论上对液压挖掘机混合动力系统进行仿真评价，在分析系统各单元元件数学模型的基础上，在AMESim环境下建立了混合动力系统仿真模型，如图5所示.模型中变量泵出口压力由比例溢流阀控制，来模拟挖掘机负载压力；主泵的输出流量可通过调节变量泵排量和发动机转速实现，来模拟负载流量.变量泵出口压力和流量数据可通过液压挖掘机实际工作过程采集获得.

图5 混合动力系统仿真模型

这里以20吨级液压挖掘机为混合动力系统平台进行仿真分析，整车和动力系统的主要参数如表1所示.

3.2 动力耦合特性

在混合动力系统中，发动机持续提供挖掘机作业负载的平均功率输出，与其同轴并联耦合的驱动电机则输出负载需求力矩与发动机目标力矩的差值，辅助发动机提供重载挖掘时的大功率输出或轻载时的输入储能.因此，驱动电机的力矩响应特性对其与发动机、液压泵的动力耦合性能的影响较大.图6(a)～(d)为驱动电机力矩响应时间分别在300ms,150ms，100ms，10ms时的系统力矩分配曲线．从图中可知，驱动电机力矩响应特性对发动机力矩输出的稳定性有较大影响，其力矩响应时间越快，发动机输出力矩曲线波动越小，工作更平稳.

表1 整机和动力系统主要参数

为了定量分析发动机稳定性所受到的影响，计算得到驱动电机在不同力矩响应时间下与之相对应的发动机输出力矩波动差值，如表2所示．

表2 驱动电机力矩响应对发动机稳定性的影响

由表2可得出，随着驱动电机输出力矩响应时间的加快，发动机力矩波动差值明显减小，发动机工作的稳定性增强.目前在混合动力系统中常采用的永磁同步电机，其力矩响应时间为100～300 ms，综合电机实际特性与混合驱动性能，可将驱动电机力矩响应时间定为150 ms.

时间/s(a)响应时间为300 ms

时间/s(b)响应时间为150 ms

时间/s(c)响应时间为100 ms

时间/s(d)响应时间为10 ms

3.3 动力系统控制策略

混合动力系统控制策略是整个系统的研究重点，它的优劣将直接影响到挖掘机节能减排的效果.目前常用的控制策略主要为基于规则的逻辑门限控制、自适应PID控制等[13-15].

这里提出一种以系统瞬时全局能量消耗率最小为目标的优化控制策略，在所设定的挖掘机负载条件下，决定发动机、超级电容、驱动电机和回转电机之间的最优输入输出功率分配，使系统在挖掘机工作过程中的瞬时能量消耗最少.

具体方法是通过将系统各能量单元的输入输出功率等效为发动机能量消耗方程，从而建立混合动力系统瞬时全局能量消耗率最小的目标函数，以功率守恒和负载需求为条件，求出最优解.以系统瞬时全局能量消耗率最小为基础进行动力分配的同时还引入超级电容SOC(State of Change，荷电状态)补偿函数，保证SOC稳定在安全合理范围内.

建立系统等效能量消耗函数为

GSYS(GE,GM,SOC)=GE+α·GM．

(5)

式中：GSYS为系统等效能量消耗率；GE为发动机能量消耗率；GM为驱动、回转电机和超级电容等效能量消耗率；α为电容SOC的补偿函数.由发动机万有特性曲线，采集数据输出转矩和转速查询能量消耗曲线可得发动机瞬时燃油消耗率，如式6所示：

GE=f(TE,nE)．

(6)

式中：TE为发动机输出转矩，nE为发动机转速.

在混合动力挖掘机作业过程中，根据负载变化和执行机构动作，驱动电机与回转电机可分别切换电动、发电两种工作模式，联合超级电容可得四种工况下驱动、回转电机和超级电容等效能量消耗函数：驱动电机和回转电机均为电动模式GM1，驱动电机发电而回转电机电动模式GM2，驱动电机电动和回转电机发电模式GM3，驱动电机和回转电机均为发电模式GM4.

(7)

(8)

(9)

(10)

GM=[GM1,GM2,GM3,GM4]．

(11)

因此，优化问题为超级电容SOC工作在合理范围的约束下，求使得瞬时系统能量消耗率最小的功率分配方案，可描述为

(12)

式中：SOCmin为超级电容SOC下限值；SOCmax为超级电容SOC上限值.

图7为采用瞬时优化控制策略下发动机的工作点分布图，从图中可以看出，发动机的工作点分布虽然相对分散，但主要工作点仍集中于高效经济区间，实现了系统能量消耗率最优的目标，改善了燃油经济性.

时间/s

3.4 超级电容SOC

前文的瞬时优化控制策略在综合考虑混合动力系统能量消耗率最小的同时，还需考虑超级电容的工作荷电范围SOC，通过加入SOC补偿函数，采取主动策略来实现SOC保持在合理波动范围.

SOC补偿函数如下式所示

(13)其中：Sop为超级电容最优工作点；λ为电容SOC调整系数.考虑到挖掘机实际工况和超级电容特性，避免出现过充过放现象，电容SOC的正常工作范围设为50%～90%，最优工作点为70%，以保证超级电容可以同时满足驱动电机工作或能量回收充电的需求.

当超级电容SOC偏离工作荷电状态上下限值时，通过提高或降低电机与超级电容的等效能量消耗率，来使等效能量目标函数的最优解趋向于放电释能或充电储能.所以通过标定调整系数λ，来保持电容SOC在合理工作范围.若取λ>0，从式中可以得出，当SOC>Sop时,α<1，函数最优解趋向于放电释能；当SOC1，函数最优解趋向于充电储能，使电容SOC维持在最优工作点Sop附近.

图8是液压挖掘机混合动力系统在调整系数λ不同取值下的超级电容SOC波动范围，由图中可得，当瞬时优化控制策略未引入补偿函数α时(即α=1)，SOC的波动范围为24%到100%，波动相对值大于75%，超出了超级电容工作荷电状态上限，出现了电容过充现象，这表示单纯的全局优化控制策略无法保持电容SOC的稳定工作.当λ取0.1时，SOC波动范围相对值缩小至54%，随着λ取值增大，SOC的波动范围越来越小，趋于稳定在最优工作区间，具体如表3所示．

时间/s1：λ=0；2：λ=0.1；3：λ=0.2；4：λ=0.4；5：λ=0.6；6：λ=0.8

表3 不同调整系数λ下超级电容SOC波动范围

所以在同一工况下，λ取值越大，超级电容SOC的波动范围越小.但需要注意的是，若λ取值太大，则SOC工作区间小，能量储存和释放的容量就越小，系统功率分配和能量回收功能无法实现最优原则，最终将对系统综合能量消耗率造成影响.因此系数λ的取值应在保证电容SOC允许范围内尽可能选最小值，根据超级电容的工作特性，以SOC波动范围相对值在40%作为λ取值的条件，选取λ=0.18.

4 试验研究

根据系统方案设计和仿真结果分析，在山河智能20吨级挖掘机上搭建混合动力系统试验平台，在典型挖掘作业循环下进行节能效果研究并验证关键参数优化匹配的有效性，如图9所示.系统中的驱动电机单元、回转电机单元、超级电容单元、整车控制器及笔记本电脑通过CAN总线连接，整车控制器作为下位机来采集传感器和手柄操作数据，对混合动力系统输出控制指令，并向上位机笔记本电脑发送传感器实时数据和系统状态反馈数据，上位机完成系统状态实时显示和测试数据的存储.

图10为挖掘机混合动力系统在瞬时优化控制策略下的能量消耗曲线．在70s测试时间里，传统液压系统和基于瞬时优化控制策略的混合动力系统所消耗能量分别为1 134kJ，867kJ，节能效率改善达到23.6%.与传统液压系统相比，瞬时优化控制策略在混合动力系统工作过程中进行功率最优分配使能量消耗明显减少，燃油经济性更高.图11为混合动力系统中超级电容SOC波动曲线，由图中可以看出，引入SOC补偿函数并取适当的调整系数λ，系统在实现较高节能效率的同时，保持超级电容SOC工作在50%～90%的合理波动范围内.

图9 混合动力系统试验平台

时间/s

时间/s

根据挖掘机液压系统负流量特性，当主阀处于中位时，液压泵泵口压力较低，输出流量小，设计当斗杆在外摆行程终点时，快速操作手柄以获得主泵溢流压力使发动机受到冲击负载，来验证驱动电机电动力矩响应性.如图12所示，在21s前发动机受到冲击负载的影响，转速从1 820r/min掉至1 707r/min，从29s开始引入驱动电机力矩200N·m，发动机输出力矩从617N·m减小到403N·m，转速波动明显减弱，发动机工况得到有效优化，工作平稳.

时间/s

5 结 论

1)对液压挖掘机在典型作业工况下能耗，以及混合动力挖掘机的节能潜力和主要途径进行了分析.

2)设计了一种基于电机+超级电容回收方式的并联混合动力系统，建立了混合动力系统的仿真模型，并对系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对混合动力挖掘机节能效果的影响进行了理论计算和仿真分析，对关键参数进行了优化匹配.

3)搭建了挖掘机混合动力系统试验平台，对该试验系统的节能效果和关键参数优化匹配进行了试验验证.研究结果表明，根据液压挖掘机工况特点，采用油电并联混合动力系统，并选择合适的动力耦合参数、瞬时优化控制策略及超级电容SOC补偿参数等关键参数有利于提高挖掘机的节能指标.

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Energy Saving Performance and Experimental Study on Hybrid System of Hydraulic Excavator

LIU Chang-sheng1†, HE Qing-hua1,2, GONG Jun1, ZHAO Yu-ming1

(1.State Key Laboratory of High Performance Complicated, Central South Univ, Changsha,Hunan 410083, China;2.Sunward Intelligent Equipment Co Ltd, Changsha,Hunan 410100,China)

Based on low utilization rate of energy and high fuel consumption, the energy losses in the hydraulic excavator during typical working condition were analyzed, and the major directions of the energy saving research for the hybrid power system were derived. A parallel hydraulic & electric configuration for hybrid excavator was proposed based on capacitor and motor. For the hybrid power system based on SUNWARD 20T hybrid excavator, the paper established simulation model, and the effect of the power coupling characteristics, the control strategy, the capacitor’s State Of Charge on the hybrid excavator were studied by contrast calculation and simulation. And the key parameters were optimized and matched. At last the energy saving effect was studied by building test platform of hybrid system, and found that adopting the parallel hydraulic & electric system, selecting the appropriate parameters in power coupling, instantaneous optimization of control strategy, compensating parameter of capacitorSOCare helpful to improve the energy saving effect of hybrid excavator, and the energy saving efficiency can reach above 20%.

hydraulic excavator; hybrid system; energy saving; simulation model; experimental study

1674-2974(2015)08-0040-07

2014-04-21

国家科技支撑计划资助项目(2014BAA04B01,2013BAF07B02)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2010AA044401)；湖南省科技计划重点资助项目(2010GK2007)

刘昌盛(1982-)，男，湖北咸宁人，中南大学博士研究生

†通讯联系人，E-mail:liuchangsheng@csu.edu.cn

TH39

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