油电混合动力在工程机械中的应用

1492012.12建设机械技术与管理机务管理MachineryMaintenanceManagement产品●技术Product&Technology产品●技术Product&Technology随着混合动力技术在汽车上的广泛应用，取得了良好的节能减排效果，推动着该技术在工程机械领域的研究应用。2009年，我国科技部已经将“新型混合动力工程机械关键技术及系统”项目列入国家“863”计划先进制造技术领域的重点项目。工程机械中，混合动力主要有两种，即油电混合和油液混合。从目前市场上看，大多采用油电混合，日本和欧美等国家已相继推出自己的产品，国内一些厂家也逐步推出自己的产品，都取得了一定的节能减排效果。现就油电混合动力技术在工程机械中的应用进行分析和讨论。1油电混合动力系统主要特点工程机械中，油电混合动力是指采用燃油和电能混合提供动力，系统主要部分为柴油发动机、发电机、储能装置、驱动电机、电传动系统和能量管理控制系统等。在油电混合动力系统中，储能装置起重要作用，可使柴油发动机经常保持在高效区工作，因外负载大小改变时，储能装置充放电补充能量可满足不同负载功率变化的需要，并可减小发动机的装机功率；负载与发动机之间采用电气连接方式，可减小负载波动的影响，并且储能装置的充放电利于柴油机转速趋于平稳；因储存的电能辅助作用，可降低怠速的转速，甚至可以达到短暂的柴油机不工作；根据工程机械的工况，如挖掘机斗臂的回转，装载机动臂的上升、下降等，可利用电机反转来回收回转和下降等动作产生的制动能；变频技术和电动机的结合，利于转速调节控制，减少液压系统元件调速能量损失。2油电混合动力系统分类根据柴油发动机、发电机、电动机、储能装置、液压系统或负载的组合方式，驱动系统可以分为：串联、并联和混联。摘　要：本文介绍了油电混合动力系统的主要特点及系统的分类，简要综述了工程机械中油电混合动力的国内外应用情况，并对此系统的多向发展进行了实例探讨分析和技术展望，为研究工作的向前推进有重要意义。关键词：油电混合动力能量回收节能多用摊铺机电传动油电混合动力在工程机械中的应用ApplytheOilElectricityMixedPowertotheConstructionMachinery长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室蔡顶春/CAIDingchun杨士敏/YANGShimin姚泽光/YAOZeguang图1串联式油电混合动力系统柴油发动机发电机整流器储能装置变频器液压系统或负载元件电动机机械连接电气连接控制信号控制器操作信号反馈信号（1）串联式系统串联油电混合动力系统（如图1所示）是指柴油发动机、发电机及电动机串联后带动负载或驱动液压系统；发动机的输出用于发电，电动机驱动行驶作业系统，多余电能或电能不足由储能装置充放管理；制动时，电动机反转发电，回收制动能，储存于储能装置；控制部分接收操作和反馈的信号，并与发动机、储能装置及变频器通信，经控制算法综合考虑后对发动机、储能装置、变频器及液压系统或负载元件等部分进行控制。此种系统发动机与外负载之间主要由电气系统连接，负载波动对发动机影响小，结构简单，布置容易，运动1502012.12CMTM机务管理MachineryMaintenanceManagement零件减少，多个变频器-电动机组合，适合不同的液压系统或负载驱动需要，变频调速能量损失小，整机系统易于控制和管理；但发电机和电动机均需系统所需的全功率，装机功率要求大，价格高，体积和重量也大，给安装带来麻烦。（2）并联式系统如图2所示为并联式油电混合动力系统，主要指柴油发动机动力经过分配后一部分用于直接驱动液压系统或负载元件；另一部分用于发电机发电，电动机驱动负载元件工作，发动机多余的动力可分配给发电机发电，储存在储能装置中，电传动部分还可以回收制动能，储能装置可应急负载需求功率较大场合；控制器除了控制与串联式相同的部分外，还要注重动力的分配和能量的管理等控制。此种系统可以针对性的布置电传动部分，如挖掘机的斗臂回转和装载机的斗臂提升等，可利用电动机反转发电回收制动能，发电机-电动机完成了部分作业需求，装机功率减小，价格降低，体积和尺寸也减小，易于安装，但发动机动力分配部分结构较复杂，能量分配管理麻烦；液压系统部分多采用共用泵的形式，此处流量分流合流，能量损失严重。系统结构设计和布置难度也增加，因此在工程机械上目前还没有得到应用。3油电混合动力的应用现状目前，国外以神钢和日立建机为代表的串联式系统，以小松、新卡特皮勒－三菱、日立建机为代表的并联式系统[4]，国内以柳工、山河智能、中联重科、三一等为代表的并联式，以詹阳动力为代表的串联式。图2并联式油电混合动力系统柴油发动机发电机整流器储能装置动力分配液压系统或负载元件负载元件变频器电动机机械连接电气连接控制信号控制器操作信号反馈信号（3）混联式系统混联式油电混合动力系统是串联与并联的结合，如图3所示，柴油发动机通过动力分配后，当单独与发电机连接，经过电传动系统驱动负载或液压系统时为串联式，当通过动力分配的动力一部分直接驱动负载或液压系统，另一部分动力带动电传动系统工作时为并联式，因此称此系统为混联式系统，根据不同的动力分配，实现串联和并联的不同连接模式，而控制器则需要对不同模式的工作进行控制和能量管理工作。此种系统可以使系统设计的灵活性增加，根据不同的需要或不同机型的要求设计出不同的系统，同时还可找出设计方案的最佳连接方式，但能量管理与控制相当复杂，图3混联式油电混合动力系统柴油发动机发电机整流器储能装置动力分配液压系统或负载元件变频器电动机机械连接电气连接控制信号控制器操作信号反馈信号3.1国外应用情况装载机：2003，日立建机研制出世界上第一台混合动力驱动轮式装载机，这是混合动力系统在装载机上的首次运用；2007，沃尔沃提出一种称作Gryphin概念装载机，预计在2020年启动的项目，采用轮内电机驱动车轮；2008年3月，美国拉斯维加斯国际工程机械展会上，沃尔沃展出L220FHybrid混合动力轮式装载机样机，沃尔沃称为“温和”型混合动力机型，与标准机型相比，节约10%燃料。美国CONEXPO－CON/AGG2011博览会上：日本制造商川崎推出新型的65ZV－2型混合动力装载机，特殊的“HYTCs”结构，减少能量损失，采用电容器储存能量及吸收制动能，节约燃油35%以上；美国约翰•迪尔（JohnDeere）展示了644K型和将于2013年启动的944K型油电混合动力轮式装载机样机，燃油经济性有望提高30%左右，而644K型的燃油经济性将有望提高20%[1]。挖掘机：2004年5月，小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机；2006年，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；2008年6月，小松率先推出世界首台20t级PC200－8型混合动力挖掘机，采用并联式混合动力系统；2009年5月，凯斯推出CX210B型混合动力挖掘机；日立建机在“20111512012.12建设机械技术与管理机务管理MachineryMaintenanceManagementNEW环境展”上公开了混合动力液压挖掘机“ZH200”，燃效比该公司原产品“ZX200－3”提高了20％。北京BICES2011展会上：小松新一代HB205－1，是PC200－8的升级版，对发电机、回转电机、发动机进行最佳控制；神钢建机在BICES2011上展出动混合动力液压挖掘机SK80H－2，降低40%的CO2排放，降低燃耗，定位“低噪声，低油耗”；日立建机EX－6系列电驱动型挖掘机，整机采用电驱动[3]。2012年4月，法国巴黎举行的INTERMAT2012展会上，日本小松推出HB215LC－1第二代混合动力挖掘机，此款挖掘机是全世界仅有的最大吨位级别的混合动力产品，是同类型产品的“绿色环保”挖掘机的典型代表。推土机：2008年，卡特皮勒推出第一款混合动力推土机D7E电驱动推土机，采用串联结构，发动机、发电机驱动差动转向系统上的交流电动机，但没有安装蓄电池来储存能量，而是反馈给发动机，以动能形式储存，每小时节油20%。2011年媒体报道，美国加利福尼亚州将于2012年展开对6类重型混合动力推土机进行测试。3.2国内应用情况挖掘机：2007年，詹阳动力重工推出JYL621H型轮式混合动力液压挖掘机；2009年2月，斗山重工宣布开始研发混合动力挖掘机，预计2014年完成，同年11月，三一在BICES2009上推出SY215C型混合动力液压挖掘机；2010年8月初，山河智能正式完成自主研发的混合动力挖掘机SWE230shybrid的研制，在原有的动力系统中引入并联混合动力系统。在BaumaChina2010展会上：柳工CLG922D混合动力挖掘机首次亮相，较原有机型，节能20%左右；中联重科的ZE205－Hybrid混合动力挖掘机，山河智能SWE230s及现代重工R225LC－9Hybrid油电混合动力挖掘机。装载机：2010年，柳工在baumachina2010展会上展出了中国首台混合动力CLG862－HYBRID型装载机，此装载机为油电并联混合动力，采用柴油机、超级电容、ISG电机提供动力，比相同工况下的传统装载机至少节油10.5%左右[1]；推土机：2011年，山推在国家立项了混合动力推土机项目，加快混合动力推土机的研究工作。油电混合动力除了在叉车、矿用自卸车等的应用外，在挖掘机、装载机上已得到了的应用，并具有一定相关技术储备。目前虽有些机型推出市场，但从总体上看，混合动力技术研究仍处在起步发展阶段，同时有必要开展对其他工程机械机型的研究，拓展应用范围，现以多用摊铺机为例，介绍在此类机型上的油电混合动力的探讨。4多用摊铺机油电混合动力的应用多用摊铺机即为在形如美国四履带水泥混凝土滑膜摊铺机的主机架上布置各种工作装置，如布料犁、计量摊铺板、防离析搅拌器或铣刨滚、匀料螺旋、熨平摊铺板等，完成公路路基灰土层摊铺、土方分层摊铺、稳定层摊铺、整幅灰土拌合、旧路再生、铣刨整形等多功用摊铺机，并且主机架和工作装置高度可调整，横向可伸缩调整宽度，主机架纵向也可伸缩，将多道工序合为一道的大厚度、大宽度、整幅多用摊铺机。多用摊铺机串联式油电混合动力系统简图如图4所示。根据图4所示简图，柴油发动机驱动发电机发电，经整流器和变频器的交－直－交变换后，带动各自的电动机驱动液压系统或负载，当有多余的电能时储存在超级电容中，能量不足时放电补充，辅助作业。由于超级电容功率密度大，充放电循环寿命长且很快，充放电效率高，本例中暂且采用超级电容作为储能装置。履带的行走和工作装置的旋转部分都采用电动机直接驱图4多用摊铺机串联式油电混合动力系统简图发电机变频器电动机行驶四履带、搅拌器或铣刨滚、匀料螺旋、搅拌器横移动变频器电动机液压泵液压控制阀液压缸主机架高度/横向/纵向调节、履带转向油缸、工作装置横向伸缩、熨平摊铺板/匀料螺旋/铣刨滚或搅拌器/计量摊铺板/布料犁升降整流器柴油发动机超级电容机械连接液压系统电气系统1522012.12CMTM机务管理MachineryMaintenanceManagement动，减少液压控制阀的能量损失及电能转为液压能的损失。工作装置的高度调整根据液压缸的直线伸缩完成，因此采用电动机驱动液压泵，液压控制阀控制各装置的液压缸的流量。由于主机架的伸缩运动等需要的能量比较大，因此采用功率较大的电动机驱动液压泵，油液经液压控制阀后分配到不同的动作缸中。此多用摊铺机便于发动机能量的管理和分配，采用电传动的方式使得整个系统控制和策略易于实现，结构布置简化，维护方便，并且电能的控制精确。但是此系统还是存在共用泵的形式，造成能量损失，零部件也相对较多，因此需要进一步的研究和优化。此串联式油电混合动力多用摊铺机的能量流动及控制关系如图5所示，粗实线箭头为能量流动部分，虚线箭头为控制部分。柴油发动机－发电机组控制器实时接收柴油发动机和发电机的反馈信号及整机控制单元信号，然后控制柴油发动机、发电机的工作情况；各个电动机的控制器对驱动电机进行调节控制；电容管理控制器对