具有超级电容和节能闭环液压系统的混合动力液压挖掘机的研究.pdf

2 0 1 2年 4月 第4 O卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Ap r ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 1 5 具有超级电容和节能闭环液压系统的混合动力液压挖掘机的研究 车明哲 ，佟琨 ，宋锦春 1 ．东北大学机械工程与 自动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 1 9 ；2 ．金策工业综合大学机械 学院，平壤 摘要分析了具有超级电容和节能闭环液压系统的混合动力液压挖掘机的各种结构，对发动机转速和超级电容电压的 稳定性等进行了研究。根据仿真结果 ，得出如下结论节能闭环液压系统是混合动力液压挖掘机的关键，利用 2个超级电 容能获得更好的发动机转速稳定效果。研究结果证明，采用具有超级电容和节能闭环液压系统的混合动力液压挖掘机的油 耗 比传统液压挖掘机能减少 6 0 ％左右。 关键词液压挖掘机；超级电容；节能闭环；混合动力 中图分类号T U 6 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 7 0 4 7 4 Re s e a r c h o n Hy br i d Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r wi t h Su pe r Ca p a c i t a n c e a n d En e r g y - s a v i n g Cl o s e d - l o o p Hy d r a u l i c S y s t e m C HE Mi n g z h e l I ，T ONG Ku n ，S ONG J i n c h u n 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n ，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，K i m C h a e k U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，P y o n gya n g ，N o r t h K o r e a Ab s t r a c t T h e v a ri o u s s t r u c t u r e s o f h y b r i d h y d r a u l i c e x c a v a t o r wi t h s u p e r c a p a c i t a n c e a n d e n e r g y s a v i n g c l o s e d l o o p h y d r a u l i c s y s t e m we r e a n My z e d ， a n d t h e e n g i n e s p e e d a n d v o l t a g e s t a b i l i t y o f s u p e r c a p a c i t o r w e r e s t u d i e d ． Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， t h e f o l l o w i n g a r e c o n c l u d e d t h e e n e r gy s a v i n g h y d r a u l i c c l o s e d l o o p s y s t e m i s t h e k e y o f h y b rid h y d r a u l i c e x c a v a t o r ，a n d b e t t e r e n g i n e s p e e d s t a b l e e f f e c t c a n b e o b t a i n e d b y 2 s u p e r c a p a c i t a n c e s ． Re s e a r c h r e s u l t h a s p r o v e d t h a t t h e c o n s u mp t i o n o f h y b ri d h y d r a u l i c e x c a v a t o r w i t h s u p e r c a p a c i t a n c e a n d e n e r gy s a v i n g c l o s e d -- l o o p h y d r a u l i c s y s t e m i s a b o u t 6 0 ％l e s s t h a n t h a t o f t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c excavat or． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ； S u p e r c a p a c i t a n c e ； E n e r g y s a v i n g c l o s e d l o o p；Hy b r i d p o w e r 液压挖掘机是一种应用范围广 、能耗高的工程机 械 。随着原 油价 格 上升 、地球 变 暖等 问题 越 来 越严 重，控制重负载工作下的液压挖掘机的能量消耗和排 放减少至关重要。作者建立了2 21 0 N液压挖掘机 的仿真模型，分析了液压挖掘机内的能量分配和能量 损失 ，分析 了采用 比例电子液压系统的混 合动力液压 挖掘机的能量损失 ，提出一种新的节能方案。 混合动力液压挖掘机能增加燃油经济性和减少排 放的基本原因是让发动机工作在高效区。这是现在液 压挖掘机节能的研究方向。对具有超级电池和超级电 容的混合动力液压挖掘机采用各种动力控制策略，可 以得到很好的效 “ 。 1 混合动力液压挖掘机的构造 图 1 所示 为典型 的混合 动力 液压挖 掘机 的构 造。 传统的混合动力液压挖掘机上动臂 b o o m的能量 回收采用了一套单独的液压马达和发电机系统。 图2所示为典型的混合动力液压挖掘机的构造简 图。在该混合动力液压挖掘机上为了回收回转部的能 量，采用了由回转部的电动机直接驱动的方式。 图 1 典型混合动力液压挖掘机构造 图3所示为新的混合动力液压挖掘机的构造。新 的混合动力液压挖掘机不要求添加能量回收系统，直 接能回收再生能量，从而不要能量转换元件 ，被回收 的液压能直接被转换成泵驱动元件的机械能量。所以 能量转换效率更高，并且发动机要负担的平均功率更 小 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 31 7 作者简介车明哲 1 9 7 0 一 ，男 ，博士研究生，研究方向为液压挖掘机节能。Em a i l l i m s o n g 1 9 7 2 7 1 0 1 6 3 ． c o m。 4 8- 机床与液压 第 4 0卷 图 2 典型混合动力液压挖掘机构造简图 在 图 3中混合动力液压挖掘机 的泵和执行机构之 间设置4个液压比例阀，在转速 1 8 0 0 r ／ ra i n下进行 仿真 ，并且在同一条件下与图 1中的进行比较。得出 图 1的平 均功 率为 3 3 ． 2 k W，而 图 3的为 1 2 ． 8 k W， 最大功率分别为 1 3 0 、9 7 k W。采用节能型闭环液压 系统后 的平 均功率 是采用 前的 3 0 ％ ～ 4 0 ％ 。 回转 动臂 斗杆 铲 斗 液 压系 统 液 压系 统 液 压系 统 液压 系 统 图 3 新的混合动力液压挖掘机的构造 采用 1 个超级 电容的混合动 力液压 挖掘机 的动力 机构联接如图4 ，采用 2 个超级电容的混合动力液压 挖掘机的动力机构联接如 图 5 。 『 旦茎塑l 一 a 串联式 b 并联式 圆 圃 c 混 联 式 一 d 混联 式 二 图4 采用 1个超级电容的混合动 力液压挖掘机的机构联接 a 串联 式 b 并联 式 匝圃 亚 圃 囤 舔 c 混 联式 一 d 混 联 式 二 图5 采用 2个超级电容的混合动 力液压挖掘机的机构联接 在串联式 结构 中 ，由电动机驱 动 4个液 压 系统 ； 在并联式结 构中 ，由发动 机和发 电机驱 动 4个液压 系 统 ；在混联式结构 一 中由发动机 和发 电机驱动 3 个液 压系统 动 壁 、斗杆 、铲 斗 ，由电动 机驱 动 1 个液压系统 回转部 ；在混联式结构 二中，由 发动机和发 电机驱动 1 个 液压 系统 动壁 ，由电动 机驱动 3 个 液压 系统 斗杆 、铲 斗、回转部 。 2 混合动力液压挖掘机的仿真 用软件 MA T L A B的 S i m s c a p e和 S i m u l i n k ，得出 了 仿真模型。S i ms c a p e有 4个模块 ；S i m D r i v e l i n e 、S i m - E l e c t r o n i c s 、S i m H y d r a u l i c s 、S i m M e c h a n i c s 。用 4个 模 块 ，构建了 由发动机 、发电机 、电动机 、电容 、液压 系统、机械系统构成的新的混合动力液压挖掘机仿真 模型。图5 a 所示的串联式 昆 合动力液压挖掘机 的 综合仿真模型如图6 。 根据在转速 1 8 0 0 r ／ m i n的仿 真 结果 ，采用 1个 超级电容的混合动力机构的动力元件的参数如表 1 。 混合 动力液 压挖 掘 机 最大 功 率 9 7 k W。因为 在 串联 式 中，电动机 的负载最 大 ，所 以 电动机 的功率 最大。在并联 式发动机和发 电机 共 同负担最 大负 载 。在混联式 一 中 ，发动机 和 发 电机共 同负 担 动臂 、斗杆和铲斗的负载 ，电动机负担 回转部 的负 载。在混联式 二中，发动机和发电机共同负担 动臂的负载 ，电动机负担回转部、斗杆和铲斗的负 载 。 发动机转速稳定的关键是发动机负载的变化。负 荷变化最大的时刻是回转部的回转期间及斗杆和铲斗 挖掘期间 ，如图 7所示 。 并且因为在回转部回转期间斗杆和铲斗不执行挖 掘工作，所以回转部的回转用电动机能驱动斗杆和铲 斗。混联式 二对应于这场合。 第 7期 车明哲 等具有超级电容和节能闭环液压系统的混合动力液压挖掘机的研究 4 9 图6 串联式混合动力液压挖掘机 图 5 a 的综合仿真模型 表 1 混合动力液压挖掘机动力元件的参数设定 3 仿真结果的比较 形式 薹JJl, H毒p ／ 直 流 电 超 级 电／ 0],H．p735 5 ． W 1 、 图 7 负载线图 3 ． 1 采用 1个超级电容的场合的特性 比较 根据 同一条件下 的仿真结果 表 2 可知 在并 联式和混联式结构中，发电机的调速是非常重要的， 串联式发动机的转速更稳定；如果比较混联式 一 与混联式 二 ，混联式 二 更 好。 表 2采用 1 个超级 电容 的场合动力元件的特性 3 ． 2 采用2个超级电容与采用 1个超级电容的场 合 的特性 比较 不管什么联式 ，采用 2 个超级电容 的方式 比采用 1 5 O 机床与液压 第 4 0卷 个超级电容 的方式更 优越。为了避 免挖 掘机价格 的上 升 ，采用 2个超 级 电容 的场合 电容的容 量分别 为 1 0 、 1 5 F ，采用 1 个超级电容的场合电容的容量为 2 5 F 。 表3 采用 2个超级电容的场合动力元件的特 陛 Ⅱ，斗 发动机转速范 电动机转速范电容电 杉瓦 围／ ． m i n 一 围／ r ． m i n 一 - 压范 围／ V 比较以上仿真结果 ，可得到下面的结论 1 基于节能闭环液压系统的混合动力液压挖 掘机发动机功率 比别的更小； 2 一定要调节驱动 液压泵的电动机的转速； 3 采用 2个超级电容的 方式 比采 用 1个 超 级 电容 的 更好 ，但 是 成本 增 加 ； 4 为了使发动机工作稳定，发动机与 回转部一定 要分开联 结 ，即发动 机 与 回转部 可 以采用 混 联式 联 结 ； 5 并 联式 的费用 更低 。如果 由电动机 直接 驱 动回转部 ，能节约回转部液压系统的费用 ，因此能降 低成本。 综上所述，新混合动力液压挖掘机要具有以下要 求 1 采用节能闭环液压系统 ，一定要 回收再生能 量 ； 2 采用 回转部 的电动机 直接驱 动 ； 3 为 了挖 掘机 的稳定工作 ，电动机和发电机 的调速是必须 的。 满足上面要求的混合动力液压挖掘机的构造如图 8所示，可以采用一个或两个超级电容。 液 压 控 制 盥 ]铲斗 ． 一 疃 兀 a 串联式 液 ‘ 。 压 ] 斗杆湖 控 制 L ] }孵 [ 。 ．苣 。 一 一 兀 』 卫 匿 ； 回 圆 一 b 混联 式 图 8 采用回转部的电动机直接驱动 的混合动力液压挖掘机的构造 4 总结 分析 了采用节 能 闭环液 压 系统 和超 级 电容 的 混 合动力液压挖掘机的各种构造 ，并进行仿真分析 ， 根据仿真结果选择最合适的混合动力结构。采用节 能闭环液压 系统 和超级 电容 的混 合动 力 液压 挖掘 机 具有很好的节能性 。在下阶段需要进行7 昆 合动力结 构的动力控制策略的建立 、控制器的设计和实验检 证研究 。 参考文献 【 1 】王冬云， 潘双夏， 林潇 ， 等． 基于混合动力技术的液压挖 掘机节能方案研究 [ J ] ． 计算机集成制造 系统 ， 2 0 0 9 1 1 8 81 9 6 ． 【 2 】王冬云， 潘双夏， 林潇 ， 等． 并联混合动力挖掘机动力源 匹配方法研究[ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 9 1 0 1 78 31 7 88． 【 3 】王庆丰， 张彦廷， 肖清． 混合动力工程机械节能效果评价 及液压系统节能的仿真研究[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 5 1 2 1 3 51 4 0． 【 4 】 任小青． 液压挖掘机节能技术的发展综述 [ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 9 8 2 4 82 5 0 ． 【 5 】 刘刚， 宋德朝 ， 陈海明， 等． 并联混合动力挖掘机系统建 模及控制策略仿真 [ J ] ． 同济大学学报 自然科学版 ， 2 O L O 7 1 0 7 91 0 8 4 ． 【 6 】X I A O Q i a n g ， W A N G Q i n g f e n g ， Z H A N G Y a n t i n g ． C o n t r o l S t r a t e g i e s o f P o w e r S y s t e m i n Hy b r i d Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r [ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 8 1 7 3 6 1 3 6 7 ． 【 7 】L I N T i a n l i a n g ， WA N G Q i n g f e n g ， H U B a o z a n ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n t he En e r g y Re g e n e r a t i o n S y s t e ms f o r Hy brid Hy d r a u l i c E x c a v a t o r s [ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t ruc t i o n ， 2 0 1 0 1 9 1 0 1 61 0 2 6 ． 【 8 】WA N G D o n g y u n ， G U A N C h e n g ， P A N S h u a n g x i a ， e t a 1 ． P e r f o r ma n c e An a l y s i s o f Hy d r a u l i c E x c a v a t o r P o w e r T r a i n Hy b r i d i z a t i o n [ J ] ． A u t o ma t i o n i n C o n s t ruc t i o n ， 2 0 0 9 1 8 2 4 92 5 7． 【 9 】 K WO N T a e S u k ， L E E S e o n Wo o ， S U L S e u n g K i ， e t a1 ． P o w e r C o n t r o l A l g o ri t h m for Hy b ri d E x c a v a t o r W i t h S u p e r c a p a e i t o r 【 J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 0 4 1 4 4 71 4 5 5 ． 【 1 0 】L I N T i a n l i a n g ， WA N G Q i n g f e n g ， H U B a o z a n ， e t a 1 ． D e v e l o p me n t o f Hy b ri d P o we r e d Hy d r a u l i c Co n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y [ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t r u c t i o n ， 2 0 1 0 1 9 1 1 1 9． 【 1 1 】WA N G D o n gyu n ， P A N S h u a n g x i a ， L I N X i a o ， e t a 1 ． D e s i g n o f E n e r g y S t o r a g e Un i t f o r Hy b ri d Ex c a v a t o r P o w e r Ma n a g e me n t [ C] ／ ／ I E E E V e h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e V P P C ， H a r b i n ， C h i n a ， 2 0 0 8 ． 9 ．