串联式混合动力挖掘机建模及实验研究

王云龙，张洪田，孙远涛，巩秋野，李友为

（1.黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨150050；2.哈尔滨第一机械集团有限公司，黑龙江 哈尔滨150050）

挖掘机存在燃油利用率比较低、尾气排放量比较高、工作噪音较大等问题，而且其工作负载变化大、工作环境较差，使得发动机工作点变化波动较大，导致生产效率与能源利用率较低。同时，全球石油的储备量不断减少，燃油价格不断抬高，残酷的现实决定传统挖掘机要通过技术变革来适应当前对环保、噪声、高效、节能等方面的要求，来改善燃油利用率、尾气排放、工作噪声等诸多问题，因此混合动力挖掘机成为当前研究的热点。

1 研究现状

1.1 国外研究现状

混合动力在汽车领域应用较为广泛，但应用在挖掘机领域起步相对较晚。在国外，如日本的小松、早稻田大学、住友建机、日立建机等均对混合动力挖掘机开展了研究，2004年，小松公司研发制造出混合动力挖掘机的实验机型，为世界上首台混合动力挖掘机。2017年底，小松推出其下代混合动力车型HB205－1和 HB215－1两款车型，此机型在回转方面与传统挖掘机区别较大，配有发电机马达作为动力源驱动回转马达，还备有电容器在回转停止时储备能量；神户制钢与神户建机［1－3］共同提出了一种混合动力系统，对其进行了仿真建模研究；早稻田大学兼佳行［4］等人将串联式混合动力系统应用到挖掘机上进行了相关研究；2009年，住友建机推出了混合动力磁盘起吊式挖掘机，宣称与同型号旧机型相比可节约40%的油耗［5］；美国的凯斯公司在第八届法国巴黎工程机器博览会上展示了自主研制的CX210B机型油电混合动力挖掘机，该机型使用电机来驱动其回转机构，在储能方面使用的是超级电容作为储能元件，同时还能达到约15%的燃油节省效率［6］。

1.2 国内研究现状

相较于国外，国内在混合动力挖掘机方面的研究相对要晚一些，整体技术水平要落后于国际水平。浙江大学是国内最早进行混合动力挖掘机技术研究的机构之一，主要进行了混合动力挖掘机台架实验和仿真分析等相关研究工作，建立了混合动力液压挖掘机台架实验系统，对混合动力系统结构、参数匹配、控制策略及能量回收等方面进行了台架实验。浙江大学张彦廷博士，对挖掘机混合动力系统的节能效果、控制策略和马达能量回收等方面进行了仿真和相关实验研究［7］；浙江大学肖清博士，对挖掘机混合动力系统的控制策略及参数匹配进行了建模与实验研究［8］。

2007 年，贵州詹阳动力重工推出了JYL621H混合动力环保型轮式挖掘机，采用发动机加电机电池的双驱动模式，具有高效、节能、低排放、低噪音、低振动等优点［9］。2009年，三一重机展示了混合动力挖掘机样机SY215C，其操作质量为20.9t，最髙行驶速度达5.2km／h，最大掘起力为140kN，宣称与传统同吨位挖掘机相比节能可达30%以上，作业效率可提高25%以上。在2010年8月，山河智能第一产业园研制出国内第一台商品化混合动力液压挖掘机，成为我国混合动力挖掘机商品化的重要里程碑。2015年12月，在山河智能第一产业园，国内首台90吨液压混合动力挖掘机下线，该产品是目前国 内 最 大 吨 位 的 液 压 混 合 动 力 挖 掘 机［10－13］。2018年，徐工挖掘机承担的“十二五”国家科技支撑计划《基于挖掘机能量回收的液压混合动力挖掘机》［14］项目顺利通过验收，项目样机XE500HB在山东淄博采石场通过考核，与同吨位的机型相比，XE500HB挖掘机节油率可达15%，实现了整机能量回收、存储、释放及控制等方面的技术创新，节约效果明显，驾驶人员操作舒适。

综上所述，混合动力挖掘机研究在我国起步较晚，但近几年研究水平提升较大，且生产出商用混合动力挖掘机。当前研究主要针对混合动力的结构形式、参数匹配、控制策略等方面，本文主要开展基于串联形式的混合动力系统挖掘机仿真模型构建及相关实验研究。

2 挖掘机混合动力系统结构形式

2.1 串联式混合动力系统

相较于并联形式和混联形式，串联形式的混合动力系统具有发动机工作区间相对固定，运行相对平稳，工作噪音较小，尾气排放良好等诸多优点，均适合于挖掘机的工作环境。串联式混合动力系统结构是由柴油发动机、发电机、电动机、电池组等动力部件，以串联的结构形式组成的混合动力系统［15］（见图1）。串联混合动力系统中，柴油发动机的输出动力全部用来驱动发电机发电，发电机产生的电能经过交直流整流、逆变后，转变为用来驱动电动机工作的电能，富余的电能储存到储能元件电池或电容中。

当外负载较大时，由发动机带动发电机发电，再经过交直流整流、逆变后直接驱动电动机带动液压泵进行工作；当外负载较小时，由储能单元中的电能直接带动电动机驱动液压泵进行工作；当挖掘机启动或者重载工况时，需要发电机发电和储能单元中的电能共同向电动机提供电能；当挖掘机怠速或者轻载工况时，只需由储能单元直接向电动机提供电能驱动液压泵。储能单元电量不足时，发动机带动发电机发电，给储能单元充电。

2.2 混合动力总成部件选型与参数匹配

本文主要以某小型挖掘机为研究对象，选择发动机、发电机、电动机、储能单元以及其他辅助部件，并进行参数匹配设计。

图1 串联式混合动力挖掘机结构

2.2.1 发动机选型与参数

串联式混合动力系统中，柴油发动机作为车辆的动力源泉，其对车辆整体设计至关重要。发动机选择主要关注其额定功率和额定转速的选择，各类工程机械发动机额定转速范围见表1。同时考虑到串联结构形式，发动机要与发电机组合，发电机可以选择永磁同步电机，也可以选择永磁异步电机，永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率密度高等优点，鉴于挖掘机混合动力系统有限的空间结构，选择永磁同步电机较为合理。

表1 各类工程机械发动机额定转速范围

根据表1中工程机械发动机额定转速大多在1 800～2 200r／min区间，同时结合小型挖掘机工作实际，选取发动机的额定转速为2 200r／min，该额定转速即为电机、发动机、液压泵的额定转速。混合动力系统要求发动机能提供负载需求转矩的平均值，同时要求发动机的工作点位于最佳油耗区域内，所以发动机优化的目标函数为：

发动机的约束方程为：

发动机的平均转矩约等于液压泵出口转矩的平均值，通过式（2）计算可得，发动机需要提供的平均功率为23kW，根据平均功率参考值选择的发动机额定转速为2 200r／min，额定功率选取为25kW。在串联式动力系统中，发动机与发电机直接连接在一起，所以发电机的额定转速、额定功率也应和发动机相同；因此，发电机的额定功率为25kW，额定转速为2 200rpm，额定工作电压为240V。

2.2.2 电动机选型与参数

永磁同步电动机参数主要包括额定功率、峰值功率、额定转矩、峰值转矩、转速范围、母线额定电压、允许最大充放电流等。为了满足外负载的需求，须在任何工况下，电动机都能够向液压泵提供足够的辅助动力。

式中：Pm为电机输出功率；Pex为液压挖掘机总需求功率；Pe为发动机输出功率。

由式（3）可得到电动机的参考额定功率值Pm＝11kW，结合工作实际，选择电动机额定功率为15kW。为满足挖掘机动力系统的转速要求，电动机的转速范围设为0～4 000rpm，选用电动机额定电压为240V。

2.2.3 储能单元选型及参数

目前，应用到混合动力系统的储能单元较多，如电化学电池、飞轮电池、超级电容等，其中超级电容比功率较高，充电速度快，但比能量过低是最大短板；飞轮电池比功率和比能量较高，但飞轮电池的材料和磁悬浮轴承以及成本等问题都制约了其实用性。综合考量储能单元各方面指标，运用到混合动力系统相对成熟的储能单元当数电化学电池中的锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池等，镍氢电池相较于铅酸电池，其比能量高，使用寿命长；锂电池控制要求高，安全性较差，在混合动力系统领域应用不具可行性。综合考虑，作为储能单元镍氢电池具有较高的比能量、高比功率、较好的充放电特性。

综上，混合动力系统中各部件选型如下：

1）发动机额定功率：25kW／2 200rpm，最大扭矩输出：124kW／1 820rpm；

2）发电机额定功率：25kW／2 200rpm，额定工作电压：240V；

3）永磁同步电动机额定功率33kW／2 200rpm，额定工作电压：240V；

4）电池组——额定电压1.2V，200颗串联组成电池组，额定电压240V。

3 挖掘机仿真模型构建

利用 MATLAB／SIMULINK仿真软件，对发动机、发电机、电动机、储能单元及辅助机构进行建模，构建串联式混合动力挖掘机仿真平台，将液压系统作为一个整体负载模型考虑。

3.1 发动机仿真模型

根据发动机的万有特性曲线和载荷试验的速度特性曲线，以发动机工作在最佳运行区间提高其燃油效率为目标，建立发动机燃油消耗模型、动力学模型。燃油消耗率可以通过发动机的转速和输出转矩，用插值法获得燃油消耗率。发动机油耗模型：

将式（4）经过牛顿第一定律等换算后可得到式（5），即可确定发动机输出转矩、转速和油门位置三者的关系：

式中：Mea（ne，a）为发动机主轴输出扭矩（负载扭矩），N·m；Me（ne，a）为发动机输出扭矩，N·m；Je为发动机等效转动惯量，kg·m2；Ce为等效黏性阻尼系数；ne为发动机转速，rpm；a为发动机油门位置。

根据数学公式构建发动机仿真模型，见图2。

3.2 电动机仿真模型

将电动机看作动力转换单元，考虑其能量转换效率和动力学特性，采取试验建模方法，仿真模型的输入参数为电动机总线电压和请求转速转矩，通过条件限制计算输出电动机向储能单元的请求功率，见图3。

图2 发动机模型

图3 电动机模型

3.3 储能单元仿真模型

储能单元指的就是电池组，关注的就是电池的荷电状态SOC值、电池内阻，在建立其仿真模型时，采用能量守恒和四线法估算荷电状态SOC值的方法。

式中：Wbat为电池组实时电容；Kt为电池容量随温度变化的修正系数；Kc为电池容量循环次数变化的修正系数；QN为电池组额定电量；KE0为开路电压是否稳定的逻辑系数；E0为开路电压；e为电池组动态电动势；R为电池组动态内阻；Ibat为电池组充／放电流；Ubat为电池组开路电压；W为放电电量。

根据数学公式构建的储能单元仿真模型，见图4。

3.4 串联式混合动力系统模型

串联式混合动力系统就是将发动机运行在最佳工作点附近，保持相对较稳定的运行状态，从而达到节省燃油、减少尾气污染物排放。将发动机、发电机、电动机、储能单元以及负载和其他部件进行有效联结，设定好逻辑关系、控制与条件，构建串联式混合动力系统仿真模型，图5为串联式混合动力系统仿真模型。

图4 储能单元模型

图5 串联混合动力系统仿真模型

4 仿真实验分析

串联式混合动力挖掘机工作时，柴油发动机的输出全部用来驱动发电机发电，随着负载需要功率的变化，富余能量存储在储能单元中，不足的能量也由储能单元来补充。同时要考虑储能单元的效率和使用寿命，保证储能单元的荷电状态SOC值在安全范围内，不能过量充电或者过量放电。

4.1 控制策略分析

对于电池荷电状态SOC值，设定SOCmax为上限、SOCmin为 下 限，SOCmax＿c为 自 由 工 作 上 限，SOCmin＿c为自由工作下限：

1）当SOC＞SOCmax时，若负载不为重载工况，则关闭发动机；

2）当SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c时，由外负载来确定其发动机的工作状态。

若为重载工况，则发动机保持状态运行；非重载工况，则下降发动机功率。

1）当SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c时，发动机保持原状态运行工作；

2）当SOCmin＜SOC＜SOCmin＿c时，由外负载来确定其发动机的工作状态。

若为重载工况，则需要提高发动机功率；非重载工况，发动机保持原状态运行工作。

当SOC＜SOCmin时，则需要提高发动机功率。

4.2 仿真实验及结果分析

仿真实验的输入变量不选择多个，只选择改变负载。将电池荷电状态SOC初始值设定为0.6，在100s时改变负载来观察发动机转速变化、电池荷电状态SOC变化等，可判断是否节能。整个实验时间为500s，在实验进行100s时，改变负载，观察各个部件对应示波器中波形变化，分析对应部件在负载改变后的工作状态，作为第一次实验。在第二次实验中，在第一次实验基础上，在其他时间段不确定性的改变负载，使实验更符合挖掘机实际工作状态。

1）在第一次实验中，在各个动力部件对应的示波器中都会有相应的波形变化，通过观察示波器中的图形来分析验证。图6中显示各个部件的波形图，图6（a）为负载改变波形图，图6（b）为发动机转速变化波形图，图6（c）为油门开度调整波形图，图6（d）为储能单元荷电状态SOC值变化波形图。当实验进行到100s时负载突然增大，发动机转速也在100s时发生一次明显的变化，但变化时间很短，之后马上恢复至之前的转速。而荷电状态SOC值的变化，在负载未增大时，储能单元明显处于充电状态，而负载增大后，为使发动机工作点稳定，储能单元输出电能向电动机提供动力源，储能单元处于放电状态，而储能单元在放电一段时间后需要充电，此时对应的油门开度需要增加，在系统自我调节后又恢复到原来的油门开度。

2）在第二次实验中，在图7中的4个波形图顺序与第一次实验相同。第二次实验的负载变化较为频繁，且没有规律，这样更加贴近实际工作。当负载发生变化后，发动机的转速变化出现波动，但又迅速回到原来的转速，也说明发动机几乎始终工作在最佳工作区域附近。而荷电状态SOC值也发生变化，储能单元处于不断充放电状态来给电动机提供电能，尽量使发动机在最佳工作区域附近工作；同样的，油门开度也会发生变化，而后又恢复到原来的油门开度。通过实验分析，在不同时间段负载不同时，荷电状态SOC值也随之变化，说明储能单元通过充放电来给电动机提供电能，通过电动机来调节发动机的工作区域，使发动机始终处于最佳工作区域运转。

图6 第一次实验各个部件波形

图7 第二次实验各个部件波形

5 结 语

工业化带来的能源短缺与环境污染已成为世界性的难题，节能减排将是各个行业未来发展的主旋律。挖掘机作为工程机械的领头羊，其用量大、油耗高、排放差，是节能减排的重要研究对象，发展混合动力挖掘机在现阶段是非常可行且具有重要现实意义的。本文通过研究分析串联式混合动力系统结构和参数匹配，并通过对仿真模型的实验结果分析，表明混合动力挖掘机具有同时兼顾经济性和排放性的良好性能，是挖掘机未来发展的重要趋势。