工程机械混合动力技术的发展与应用

工程机械混合动力技术的发展与应用刘昌盛１，张大庆２，蒋苹１，谭青１（１．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３；２．湖南山河智能机械股份有限公司，湖南长沙４１０１００）［摘要］描述了国内外工程机械主机厂商及研究机构在工程机械混合动力技术方面的研究现状，重点论述了串、并联式混合动力系统中具有代表性的产品，并对系统原理、能量同收和控制策略做了介绍。对目前研究的现状与问题进行了分析，并提出今后工程机械混合动力的关键技术研究。［关键词］工程机械；混合动力；能最同收；控制策略［中图分类号］ＴＨｌｌ３［文献标识码］Ａ［文章编号］１００１—５５４Ｘ｛２００９）０５—００５９－０４ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙＬＩＵＣｈａｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＤａ－ｑｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＰｉｎｇ，ＴＡＮＱｉｎｇ随着工程机械品种和数量不断增加，大量工程机械所消耗的资源和排放的污染物对环境造成了难以估计的影响。为实现可持续发展，国内外对工程机械尾气排放及噪声等限制愈加严格，人们环保意识的日益增强，开发研制环保节能型产品现已成为工程机械发展的趋势。目前，业内对于工程机械节能技术的研究，多数都集中在提高相关元件的性能、改进液压系统和提高动力系统与液压系统的功率匹配３个方面［１’２］。但是这些方面虽然在国内外进行了多年的研究，技术也已经非常成熟，效果却并不理想，除非有大的突破，否则再也难以大幅度地改善节能效果。目前正在汽车工业流行的混合动力技术无疑具有很高的吸引力，它在汽车上的成功应用为耗能大、排放差的工程机械领域提供了借鉴。为降低产品的能耗和排放，提高产品的竞争力和对未来市场的占有率，融合了内燃机驱动和电力驱动技术的混合动力技术已受到了工程机械领域的高度重视并进行相关的研究尝试，开始逐渐发展成为各大工程机械制造商一个新的重要研究方向。日立建机、住友建机、新卡特彼勒一三菱及沃尔沃等已对混合动力工程机械进行了不同程度的研究工作［州］。２００３年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。小松于２００４年５月研制成功世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型。２００６年４月在法国巴黎举办的ＩＮＴＥＲ—ＭＡＴ展上，纽荷兰与神户制钢联合研制推出了７ｔ混合动力液压挖掘机样机，引起了广泛的关注。当前，在综合考虑了系统的节能、排放、布局和成本等因素的基础上，在工程机械上应用的混合动力驱动方式主要有两种型式：以神户制钢、日立建机为代表的串联混合动力驱动方式和以小松、新卡特彼勒一三菱为代表的并联混合动力驱动方式。（１）串联式混合动力系统研究。神户制钢研制的７ｔ串联式混合动力液压挖掘机样机及其结构如图１所示［７ｌ，柴油发动机输出的动力完全用于驱动发电机发电，电能以直流电的形式储存在电池和电容当中，用电动机取代液压１国内外工程机械混合动力系统研究现状马达驱动旋转体。另外，系统采用了电池和电容同时蓄能的方式，在一定程度上弥补了电池和电１．１工程机械混合动力技术研究国外在混合动力工程机械研发方面起步较早，一些研究机构和制造商如日本早稻田大学、小松、［收稿日期］２００８—１２—０８［通讯地址］张大庆，湖南省长沙市星沙山河智能产业园万方数据建筑瓤城２００９．０５（上半月刊）器警蓁蓁瓣搿茎电容旋转体制控制ＨＬ＋单元ｒ］＝了曾濡凹器图２神户制钢液压挖掘机串联式混合动力系统原理图整机结构布局灵活，自由度大；但由于发动机输出的所有能量都必须经过机械能一电能一机械能的转换之后才能用于驱动液压系统对外做功，在整个能量转化过程中能量的损失比较大，因此系统总效率较低，且电机装机功率较大。在能量回收方面，系统动臂单元采用泵一马达的驱动方式，在动臂下降时，液压马达将回油的液压能转化为机械能直接用来与电动机共同驱动泵，若回收的功率超出了泵的需求，则多余的机械能通过电动机（此时工作于发电状态）转化为电能存储在电容中，从而实现了惯性能、制动图１神户制钢的串联式混合动力液压挖掘机样机及其结构图容各自的不足。发动机输出机械能驱动发电机，所输出的交流电经整流器变为直流电后，部分储存在电池和电容中，另一部分经逆变器处理后驱动电动机。电动机输出的机械能经液压泵转化为液压能，并在控制阀的作用下驱动执行机构。系统中电池和电容用来平衡发动机的输出功率和电动机的输入功率：当发动机的输出功率大于电动机所需要的功率时，多余的能量存储在电池和电容中；而当发动机的输出功率小于电动机所需的功率时，电池和电容输出电能以补充不足的部分。控制器接收发动机的转速信号、操作手柄的动作控制信号和电池的状态信号等，经过运算处理，进而控制发动机的燃油供应和整流器、逆变器的运行和转换。系统原理图如图２所示。在该方案中，由于发动机与驱动电机之间无机械连接，因此发动机工况稳定、排放低，并且能和重力势能的回收。该回收方法的优点是采用泵一马达的驱动方式，缩短了能量回收流程，但对系统元件的要求较高，并且增加了控制的复朵度。神钢的混合动力系统控制部分由混合控制器、能量控制器、整流器、电池监测器和发动机控制器构成，其中最主要的是混合控制器和能量控制器。混合控制器监测电池的ＳＯＣ、发动机的转速、电容的开启电压和直流电能，经运算后输出电池的充放电请求功率、发电机的最低和最高功率、发动机的启制动和控制模式信号。该系统采用了多模式的控制策略，根据电池荷电状态的低、中、高分为３种控制模式，由电池荷电状态的状况来分配各动力总成的输出能量。在３种模式下，电池的充电能来源均为发电机输出的电能，电容的充电能为发电机输出的电能和回收的能量。放电时，当电池的荷电状态为低和中的情况下，电容优先放电，只有电池荷电状态高时，电池优先放电。这种控制策略利用了电容比功率大，而电池比能∞万方数据建筑札械２００９．０５（上半月刊）＋曲量大的特点，但由于同时使用电池和电容，使控制策略较复杂。能量控制器包括能量分配控制、直流电电压控制和电容电压控制。它根据混合控制器输出的控制模式、电池的充放电请求功率、发电机的最低和最高功率以及直流电电压和电容的充放电功率控制发电机、电池和电容的目标电流。（２）并联式混合动力系统研究。小松于２００８年６月在市场上率先推出了一台２０ｔ混合动力挖掘机，采用了一种并联式混合动力工程机械的系统方案［８］，如图３所示。与神钢的系控制阀电动机砰蛳Ⅱ潞『萃呈岂逆变／整流器¨统不同，液压泵由发动机与发电／电动机并联驱动，采用电池来储存电力。除了收集原本浪费的能量外，该系统还可以使发动机在低速空转，与标准型液压挖掘机相比，总共可降低能源消耗达２５％。图４小松液压挖掘机并联式混合动力系统原理图由图４可知，系统采用了单独的液压马达一发电机来回收动臂下落时的动能和势能。在动臂运动过程中，由控制阀控制动臂油缸的动作，而动臂下放时则由液压马达一发电机在能量回收的同时控制动臂的下落。对回转平台采用电动机驱动方式，在减速制动时，制动能通过发电／电动机转化为电能储存在电容器中，实现了转台回转制动时能量的回收利用。能量回收示意图如图５所示。图３小松的并联式混合动力液压挖掘机发动机输出的能量主要用于驱动外载，剩余部分机械能通过电动／发电机转化为电能，并通过整流／逆变器储存在电池当中。当发动机的输出功率不足以驱动液压系统时，电池中储存的电能释放出来驱动电动／发电机，辅助发动机共同驱动液压系统。不同于传统的液压驱动，系统中回转平台是由电动机直接驱动的，节省了原本消耗在液压控制阀和液压马达上的能量。系统原理图如图４所示。系统中发动机与电动机以机械方式连接，与串联式相比，发动机、发电机的装机功率相对来说可以小一些，配备的电池和电容的容量较低，图５小松混合动力液压挖掘机系统的能量回收示意图小松的并联式混合动力液压挖掘机系统采用了一种分工况恒工作点的控制策略：（１）在某种工作模式下，发动机的转速与转矩保持不变；（２）当液压泵所需的转矩小于发动机的转矩时，控制器控制与发动机相连的电动机处于发电状态，吸收剩余的转矩转化为电能存储在电池中；（３）当液压泵所需的转矩大于发动机的转矩时，控制器控制与发动机相连的电动机处于电动状态，电池在配备相同柴油发动机情况下可以获得更大的功放电，补充不足的转矩；（４）改变工作模式时，率输出，而且驱动效率比较高、油耗较低，但系统的布局比较复杂，对控制系统的要求也比较高。控制器改变发动机的转速，同时改变电动机电动、发电状态切换时的吸收和补充转矩。这种控制策万方数据建冠辄械２００９．０５（上半月刊）略的主要目的是稳定发动机的工作点，减小发动机的装机功率。１．２国内工程机械混合动力技术研究国内进行工程机械混合动力技术研究的生产厂和研究机构还不多，研究工作尚属探索阶段，相关的文献报道基本空白。贵州詹阳动力重工在２００７年１０月北京国际工程机械展上，推出了ＪＹＬ６２１Ｈ混合动力环保型挖掘机样机，如图６所示。其系统具有以下特点：采用并联式混合动力系统，双泵双回路高压变量、交叉功率调节、负向流量控制；回转优先、动臂合流、斗杆合流、铲斗合流、动臂再生、斗杆再生实现工作装置平稳工作；可以减少能量消耗２０％。围６詹阳动力重工ＪＹＬ６２１Ｈ混合动力挖掘机样机及其结构图浙江大学自２００３年开始已开展混合动力挖掘机仿真分析和台架试验相关研究工作。在仿真分析方面，利用液压挖掘机工作中的实测数据建立了混合动力液压挖掘机整机仿真模型，研究了串、并联混合动力系统的节能效果，分析了能量回收、单独驱动、电动机直接驱动回转等基于混合动力节能方案的节能效果和可行性。在台架试验方面，建立了一个初步的液压挖掘机混合动力系统试验系统，对混合动力系统的结构、控制策略、能量回收的效果及对操作性能的影响等进行了试验研究。２混合动力关键技术研究在施工过程中，工程机械具有工况复杂、负载变化剧烈、工作环境恶劣等特点，在采用混合动力驱动方式后，对动力系统及其主要部件提出了更高的要求，控制系统的架构和控制策略将大大改变，机器的操控性也更加复杂。如何针对工程机械自身特点，开展混合动力系统的参数优化匹配、控制策略、能量回收技术以及提高可靠性和操控性等关键技术的研究，是今后工程机械混合动力技术发展与应用的重点所在。（１）混合动力工程机械动力参数优化匹配。混合动力工程机械的燃油经济性和动力性能主要取决于动力源之间的装机功率比，即动力参数匹配。根据工程机械的动力性和实际工况，合理选择动力系统中发动机功率、电机功率、电池容量等各种参数，对发动机和电机进行功率匹配，确定混合动力挖掘机两种动力源最佳的混合度，对混合动力工程机械能量转换和整机效率起着关键的作用，是动力控制策略取得良好效果的前提与保证。（２）混合动力系统的控制策略。在工程机械混合动力系统中，增加了电动／发电机、电池、电容等组成的辅助动力源，能量传递变得复杂，如何管理能量的流动及合理分配各动力元件的功率，将对柴油机的燃油经济性及整个混合动力系统的动力特性有着重要的影响。（３）混合动力工程机械能量回收系统。根据不同种类、不同液压系统工程机械的特点，研究合理的能量回收系统结构方案以及系统关键元件结构参数的全局匹配，使之与自身工况相适应，达到最佳的工作状态，提高能量回收系统的效率。（下转第６６页）万方数据建冠瓤械２００９．０５（上半月刊）拶—涮——、。，厂专题论述髫＂＼。＼ＳＵＲ。ＶＥ—ＹＩＮ—Ｇ。麓蠡＇／。＇ｆ；７嬲缈｜、的信息通过这２个控制器来处理，参数和故障信息则送到显示器显示。基于此，通过３个相对独立的总线系统将整个冷铣刨机系统联系起来，而在这２种通讯频率下主总线允许最大长度分别为２５０ｍ和６００ｍ，冷铣刨机的总线系统完全可以满足。３结束语（上接第６２页）（４）混合动力系统的可靠性。工程机械工作条件差、散热条件苛刻以及复杂的电磁环境等对部件和系统的散热、电磁兼容性以及防护性等方面的要求更为严格。另外混合动力工程机械储能装置工作电流大、峰值功率高，需要对储能系统进行电气、热管理系统等全面的综合设计，并进行可靠性和环境适应性等大量的试验研究。因此，