關(guān) 澈， 程 珩， 權(quán) 龍， 郝云曉， 劉學(xué)成， 李 潔

(1.太原理工大學(xué)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(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西太原 030024)

引言

純電驅(qū)液壓挖掘機是一種使用電機代替柴油機作為動力源的新型挖掘機，具有節(jié)能、高效、低噪聲與無廢氣污染等優(yōu)點，對其進行研究在國家推廣新能源工程機械的大背景下具有重要的現(xiàn)實意義。挖掘機動臂作為挖掘機的重要工作機構(gòu)，在運行過程中需要反復(fù)上下運動，動臂下落時其重力勢能會在液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)速的過程中被浪費掉。對這部分能量進行回收再利用可以進一步的提升純電驅(qū)液壓挖掘機的節(jié)能效果。

LEI GE[1]提出了一種轉(zhuǎn)速排量協(xié)調(diào)控制的純電驅(qū)挖掘機動力源并研究了其在不同載荷下的能耗特性。梁濤[2]研究了伺服電機驅(qū)動定量泵進行流量匹配時動臂的運行特性。目前研究仍主要集中于純電驅(qū)挖掘機參數(shù)匹配和控制優(yōu)化方面[3-4]。缺乏對純電驅(qū)液壓挖掘機動臂勢能回收與能量管理的研究。

動臂勢能回收技術(shù)在混合動力挖掘機上的應(yīng)用已經(jīng)有了很多成熟的研究，主要方法有蓄能器回收技術(shù)[5]與電氣式回收技術(shù)[6]。電氣式回收技術(shù)中，王滔等[7]提出的液壓馬達與發(fā)電機回收單元串聯(lián)節(jié)流閥系統(tǒng)可以實現(xiàn)40%～50%的能量轉(zhuǎn)化效率。林添良等[8]提出的液壓挖掘機動臂勢能電氣式回收系統(tǒng)實現(xiàn)了將動臂勢能通過液壓馬達發(fā)電機回收單元回收到超級電容，效率達到了39%。但是以上系統(tǒng)的方案中超級電容直接連接電機整流/逆變器，在實際使用中不穩(wěn)定的直流母線電壓會使整流逆變器電流長時間大于額定值，降低其效率與壽命[9]。而且這些研究沒有考慮如何實現(xiàn)動臂回收能量的管理與再利用，在動臂反復(fù)上升下降的工況下無法實現(xiàn)節(jié)能的效果。

本研究針對純電驅(qū)液壓挖掘機動臂系統(tǒng)的工作特點，在使用伺服電機、定量回收馬達作為回收單元的基礎(chǔ)上，在超級電容與電機之間引入了DC/DC轉(zhuǎn)換器來控制超級電容能量流動并穩(wěn)定母線電壓。對系統(tǒng)關(guān)鍵元件的參數(shù)匹配與損耗模型進行了研究，并在SimulationX中搭建了純電驅(qū)液壓挖掘機動臂勢能回收再利用系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真分析研究了系統(tǒng)能耗特性，進而驗證了系統(tǒng)在節(jié)能方面的有效性，對實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

純電驅(qū)液壓挖掘機動臂勢能回收再利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 動臂勢能回收再利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

作為電源的380 V動力電經(jīng)過不可控整流后形成525 V的直流母線，而主電動機則通PWM逆變器從直流母線饋電。動臂上升時，閥2處于右位，此時使用了節(jié)流與容積復(fù)合調(diào)速，主電機定轉(zhuǎn)速，通過改變液壓泵排量與比例方向閥1閥芯位移來控制缸的速度。

動臂下降時，閥1處于右位，閥2處于左位，泵為有桿腔補油并維持有桿腔壓力。無桿腔高壓油液被單向閥阻隔，經(jīng)閥2驅(qū)動回收伺服電機-定量馬達回收單元發(fā)電。動臂下降過程中的速度控制通過改變伺服電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。而發(fā)電機發(fā)出的電則通過PWM整流器轉(zhuǎn)換為直流電壓輸入直流母線。

直流母線上接有超級電容儲能系統(tǒng)，其由超級電容與雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，接直流母線的雙向DC/DC負責(zé)在保持直流母線電壓穩(wěn)定的前提下將電機輸直流母線的電能存入超級電容，或者在直流母線需要電能時將超級電容中的電能放出。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)匹配

超級電容儲能系統(tǒng)和伺服電機-定量馬達回收單元在系統(tǒng)實現(xiàn)動臂勢能回收再利用過程中起到關(guān)鍵作用，需根據(jù)系統(tǒng)工況對其參數(shù)進行設(shè)計。

2.1 回收單元參數(shù)匹配

作為研究對象的某型6 t液壓挖掘機動臂液壓缸活塞桿直徑55 mm，無桿腔直徑100 mm，行程720 mm，由挖掘機動臂機構(gòu)實際物理參數(shù)對其進行力學(xué)分析可以得出進行空載作業(yè)時動臂油缸不同伸出位置的受力狀況。圖2為動臂液壓缸受力隨位移變化曲線。

圖2 動臂液壓缸活塞受力

通過圖2可分析得出受力最大的點在挖掘機動臂油缸伸出量接近最大行程時出現(xiàn)，值約為55 kN。

動臂液壓缸動力學(xué)方程如式(1)所示：

(1)

式中,Fc為液壓缸活塞桿受力；Ff為液壓缸運動摩擦力；p1為無桿腔壓力；p2為有桿腔壓力；A1為無桿腔面積；A2為有桿腔面積；vc為液壓缸運動速度；mp為活塞質(zhì)量。

動臂液壓缸無桿腔流量連續(xù)性方程如式(2)：

(2)

式中，βe為液壓油彈性模量；C1為無桿腔外泄漏系數(shù)；C12為動臂缸內(nèi)泄漏系數(shù)；V1為無桿腔體積；qr為無桿腔流量。

假定回收能量時動臂液壓缸以100 mm/s的額定運動速度下降，忽略閥2右位時的壓降，且有桿腔維持零壓。由于回收馬達進出口壓差pAB等于無桿腔壓力p1，其流量等于無桿腔流量qr，所以由式(1)、式(2)可得此時回收馬達進出口壓差為6 MPa，流量為45 L/min，伺服電機-定量馬達回收單元可回收功率4.5 kW。由此可選取能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵元件參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵元件參數(shù)

2.2 超級電容儲能系統(tǒng)設(shè)計

參考超級電容在純電動汽車與混合動力工程機械中的應(yīng)用[10-11]，并結(jié)合挖掘機動臂可回收的時間短、功率大的特點，采用超級電容作為能量儲存裝置。綜合預(yù)估回收能量與DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化比限制，超級電容模組最高電壓定為360 V，容量定為5 F。

配套的大功率雙向DC/DC，使用了結(jié)構(gòu)簡單，大功率運行時效率相對于其他架構(gòu)最高的非隔離式buck-boost，其結(jié)構(gòu)拓撲如圖3所示。在控制方面，為控制能量在給定功率下雙向流動，設(shè)計的DC/DC使用了電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式[12]，圖4給出了將其設(shè)定功率從零階躍到額定值6 kW時系統(tǒng)輸出功率響應(yīng)情況，從圖中可以看出boost模式下系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.14 s，buck模式下僅為0.01 s。

圖3 buck-boost架構(gòu)DC/DC拓撲

圖4 DC/DC輸出功率響應(yīng)

3 系統(tǒng)損耗模型

3.1 同步伺服電機損耗模型

回收單元使用的電機為永磁同步伺服電機，其功率損失主要包括電機銅損和鐵損，假設(shè)電機工作于額定電壓情況下，使用式(3)所示電機損耗經(jīng)驗公式[13]對其功率損失pL進行計算。

(3)

式中,ωe為電機角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩，而永磁體磁鏈ψf，定子損耗等效電阻Rc，鐵心損耗等效電阻Ra，轉(zhuǎn)子極對數(shù)p，d和q軸自感L均為電機結(jié)構(gòu)參數(shù)。

電機效率ηe公式：

(4)

由式(3)、式(4)計算出電機效率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖5是當(dāng)電機處于不同轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩時所對應(yīng)的效率圖。

3.2 馬達損耗模型

定量馬達容積效率、 機械效率分別與進口壓力和流量有關(guān)。分析機械效率時，使用了基于斯特里貝克曲線摩擦模型[14]中摩擦轉(zhuǎn)矩Tfr計算公式如下：

圖5 電機效率

kn|n|en+kp|pAB|

(5)

式中,Tc為靜摩擦矩；Tst為粘著摩擦力矩；nL為額定轉(zhuǎn)速；kn，en為轉(zhuǎn)速摩擦力矩相關(guān)系數(shù)；kp為壓力與摩擦力矩相關(guān)系數(shù)，這些參數(shù)均可由產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊得到。pAB是馬達進出口壓差，n是馬達轉(zhuǎn)速。

馬達的總效率ηtot公式：

(6)

式中,Tth為輸入扭矩；ηv為容積效率；ηm為機械效率。

將式(5)與樣本提供的不同轉(zhuǎn)速、壓降時的泄漏率即容積效率ηv帶入馬達效率公式(6)可以求出馬達總效率與轉(zhuǎn)速、壓力的關(guān)系。圖6是當(dāng)馬達處于不同轉(zhuǎn)速與壓力時所對應(yīng)的馬達總效率圖。

圖6 馬達效率

3.3 DC/DC損耗模型

在SimulatioX中建立基于損耗的DC/DC電氣模型并通過仿真測試其在不同輸出功率下的效率。圖7為DC/DC工作于不同輸出功率時buck和boost模式效率曲線。

圖7 DC/DC效率

4 仿真研究

根據(jù)以上的參數(shù)設(shè)計與損耗分析，在多學(xué)科仿真軟件SimulationX中對純電驅(qū)液壓挖掘機動臂勢能回收再利用系統(tǒng)的電氣、液壓、機械及控制部分分別建模，然后組建了多學(xué)科仿真模型進行聯(lián)合仿真，對系統(tǒng)的回收效果與再利用效率進行了分析。圖8所示為機械電氣液壓聯(lián)合仿真模型。

圖8 機械電氣液壓聯(lián)合仿真模型

4.1 運行特性研究

圖9是該系統(tǒng)按照100 mm/s的設(shè)定速度上升與下降時系統(tǒng)運行特性曲線。

從圖9a中可以看出動臂液壓缸位移速度曲線跟隨性良好，上升與下降過程均能達到設(shè)定位移速度。動臂上升段由于使用改變馬達排量來實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速，速度響應(yīng)存在0.2 s的滯后，當(dāng)動臂處于勻速上升與下降狀態(tài)時動臂速度波動在10%以內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)操作特性

從圖9b動臂液壓缸壓力曲線中可以看到，動臂勻速上升時無桿腔壓力約為9 MPa。當(dāng)系統(tǒng)處于回收工況下，動臂勻速下降時無桿腔壓力維持在6 MPa左右，與前文參數(shù)匹配中的估計一致。

從圖9c可以看出，超級電容電壓變化時，母線電壓一直維持在525 V附近，動臂上升時會產(chǎn)生5 V左右的波動，DC/DC的引入達到了穩(wěn)定母線電壓的作用。

4.2 回收能量效率研究

圖10為動臂單次下落時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)回收能量對比曲線。表2為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)綜合效率。從圖10和表2可以看到在一次下降過程中，儲能系統(tǒng)回收能量為6.8 kJ，總回收效率為60.06%，在三個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中液壓馬達的能量轉(zhuǎn)換效率最低，是制約能量回收效率的主要因素。

圖10 動臂下落時系統(tǒng)各環(huán)節(jié)回收能量對比曲線

表2 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)綜合效率對比

4.3 回收能量再利用研究

假設(shè)動臂下落勢能回收的所有能量全部利用于下次的動臂上升。對該系統(tǒng)在動臂空載反復(fù)提升下落的工況下的能耗特性進行仿真研究，并與使用節(jié)流調(diào)速控制動臂下落，沒有能量回收單元和儲能系統(tǒng)的原純電驅(qū)挖掘機動臂系統(tǒng)進行比較。圖11為仿真得出的新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的能耗對比圖，可以看出動臂工作兩個周期，原系統(tǒng)消耗電能約64.8 kJ，動臂勢能回收再利用系統(tǒng)消耗電能約50.6 kJ，耗電減少了約21.8%。

圖11 動臂勢能回收再利用系統(tǒng)與動臂系統(tǒng)能耗對比

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)動臂電氣式能量回收系統(tǒng)的能量再利用并提高回收效率，提出了一種純電驅(qū)液壓挖掘機動臂勢能回收與再利用系統(tǒng)。對所提出的系統(tǒng)進行設(shè)計與建模，并對系統(tǒng)運行特性與能耗特性進行了聯(lián)合仿真分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在動臂下落時將部分動臂勢能回收到超級電容中，回收過程中母線電壓維持穩(wěn)定，運行特性良好，綜合回收效率達到了60%?；厥盏碾娔茉趧颖凵仙龝r能通過雙向DC/DC匯入直流母線，負擔(dān)一部分主電機負載，實現(xiàn)回收能量的再利用。相比使用節(jié)流調(diào)速沒有能量回收單元和儲能系統(tǒng)的原純電驅(qū)挖掘機動臂系統(tǒng)，實現(xiàn)了21.8%的節(jié)能。