王云龍，張洪田，孫遠(yuǎn)濤，鞏秋野，李友為

（1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱第一機械集團有限公司，黑龍江 哈爾濱150050）

挖掘機存在燃油利用率比較低、尾氣排放量比較高、工作噪音較大等問題，而且其工作負(fù)載變化大、工作環(huán)境較差，使得發(fā)動機工作點變化波動較大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率與能源利用率較低。同時，全球石油的儲備量不斷減少，燃油價格不斷抬高，殘酷的現(xiàn)實決定傳統(tǒng)挖掘機要通過技術(shù)變革來適應(yīng)當(dāng)前對環(huán)保、噪聲、高效、節(jié)能等方面的要求，來改善燃油利用率、尾氣排放、工作噪聲等諸多問題，因此混合動力挖掘機成為當(dāng)前研究的熱點。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

混合動力在汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但應(yīng)用在挖掘機領(lǐng)域起步相對較晚。在國外，如日本的小松、早稻田大學(xué)、住友建機、日立建機等均對混合動力挖掘機開展了研究，2004年，小松公司研發(fā)制造出混合動力挖掘機的實驗機型，為世界上首臺混合動力挖掘機。2017年底，小松推出其下代混合動力車型HB205－1和 HB215－1兩款車型，此機型在回轉(zhuǎn)方面與傳統(tǒng)挖掘機區(qū)別較大，配有發(fā)電機馬達(dá)作為動力源驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達(dá)，還備有電容器在回轉(zhuǎn)停止時儲備能量；神戶制鋼與神戶建機［1－3］共同提出了一種混合動力系統(tǒng)，對其進(jìn)行了仿真建模研究；早稻田大學(xué)兼佳行［4］等人將串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用到挖掘機上進(jìn)行了相關(guān)研究；2009年，住友建機推出了混合動力磁盤起吊式挖掘機，宣稱與同型號舊機型相比可節(jié)約40%的油耗［5］；美國的凱斯公司在第八屆法國巴黎工程機器博覽會上展示了自主研制的CX210B機型油電混合動力挖掘機，該機型使用電機來驅(qū)動其回轉(zhuǎn)機構(gòu)，在儲能方面使用的是超級電容作為儲能元件，同時還能達(dá)到約15%的燃油節(jié)省效率［6］。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國外，國內(nèi)在混合動力挖掘機方面的研究相對要晚一些，整體技術(shù)水平要落后于國際水平。浙江大學(xué)是國內(nèi)最早進(jìn)行混合動力挖掘機技術(shù)研究的機構(gòu)之一，主要進(jìn)行了混合動力挖掘機臺架實驗和仿真分析等相關(guān)研究工作，建立了混合動力液壓挖掘機臺架實驗系統(tǒng)，對混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配、控制策略及能量回收等方面進(jìn)行了臺架實驗。浙江大學(xué)張彥廷博士，對挖掘機混合動力系統(tǒng)的節(jié)能效果、控制策略和馬達(dá)能量回收等方面進(jìn)行了仿真和相關(guān)實驗研究［7］；浙江大學(xué)肖清博士，對挖掘機混合動力系統(tǒng)的控制策略及參數(shù)匹配進(jìn)行了建模與實驗研究［8］。

2007 年，貴州詹陽動力重工推出了JYL621H混合動力環(huán)保型輪式挖掘機，采用發(fā)動機加電機電池的雙驅(qū)動模式，具有高效、節(jié)能、低排放、低噪音、低振動等優(yōu)點［9］。2009年，三一重機展示了混合動力挖掘機樣機SY215C，其操作質(zhì)量為20.9t，最髙行駛速度達(dá)5.2km／h，最大掘起力為140kN，宣稱與傳統(tǒng)同噸位挖掘機相比節(jié)能可達(dá)30%以上，作業(yè)效率可提高25%以上。在2010年8月，山河智能第一產(chǎn)業(yè)園研制出國內(nèi)第一臺商品化混合動力液壓挖掘機，成為我國混合動力挖掘機商品化的重要里程碑。2015年12月，在山河智能第一產(chǎn)業(yè)園，國內(nèi)首臺90噸液壓混合動力挖掘機下線，該產(chǎn)品是目前國 內(nèi) 最 大 噸 位 的 液 壓 混 合 動 力 挖 掘 機［10－13］。2018年，徐工挖掘機承擔(dān)的“十二五”國家科技支撐計劃《基于挖掘機能量回收的液壓混合動力挖掘機》［14］項目順利通過驗收，項目樣機XE500HB在山東淄博采石場通過考核，與同噸位的機型相比，XE500HB挖掘機節(jié)油率可達(dá)15%，實現(xiàn)了整機能量回收、存儲、釋放及控制等方面的技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)約效果明顯，駕駛?cè)藛T操作舒適。

綜上所述，混合動力挖掘機研究在我國起步較晚，但近幾年研究水平提升較大，且生產(chǎn)出商用混合動力挖掘機。當(dāng)前研究主要針對混合動力的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)匹配、控制策略等方面，本文主要開展基于串聯(lián)形式的混合動力系統(tǒng)挖掘機仿真模型構(gòu)建及相關(guān)實驗研究。

2 挖掘機混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

2.1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

相較于并聯(lián)形式和混聯(lián)形式，串聯(lián)形式的混合動力系統(tǒng)具有發(fā)動機工作區(qū)間相對固定，運行相對平穩(wěn)，工作噪音較小，尾氣排放良好等諸多優(yōu)點，均適合于挖掘機的工作環(huán)境。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由柴油發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、電池組等動力部件，以串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式組成的混合動力系統(tǒng)［15］（見圖1）。串聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，柴油發(fā)動機的輸出動力全部用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機產(chǎn)生的電能經(jīng)過交直流整流、逆變后，轉(zhuǎn)變?yōu)橛脕眚?qū)動電動機工作的電能，富余的電能儲存到儲能元件電池或電容中。

當(dāng)外負(fù)載較大時，由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，再經(jīng)過交直流整流、逆變后直接驅(qū)動電動機帶動液壓泵進(jìn)行工作；當(dāng)外負(fù)載較小時，由儲能單元中的電能直接帶動電動機驅(qū)動液壓泵進(jìn)行工作；當(dāng)挖掘機啟動或者重載工況時，需要發(fā)電機發(fā)電和儲能單元中的電能共同向電動機提供電能；當(dāng)挖掘機怠速或者輕載工況時，只需由儲能單元直接向電動機提供電能驅(qū)動液壓泵。儲能單元電量不足時，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，給儲能單元充電。

2.2 混合動力總成部件選型與參數(shù)匹配

本文主要以某小型挖掘機為研究對象，選擇發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、儲能單元以及其他輔助部件，并進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計。

圖1 串聯(lián)式混合動力挖掘機結(jié)構(gòu)

2.2.1 發(fā)動機選型與參數(shù)

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，柴油發(fā)動機作為車輛的動力源泉，其對車輛整體設(shè)計至關(guān)重要。發(fā)動機選擇主要關(guān)注其額定功率和額定轉(zhuǎn)速的選擇，各類工程機械發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速范圍見表1。同時考慮到串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，發(fā)動機要與發(fā)電機組合，發(fā)電機可以選擇永磁同步電機，也可以選擇永磁異步電機，永磁同步電機具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度高等優(yōu)點，鑒于挖掘機混合動力系統(tǒng)有限的空間結(jié)構(gòu)，選擇永磁同步電機較為合理。

表1 各類工程機械發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速范圍

根據(jù)表1中工程機械發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速大多在1 800～2 200r／min區(qū)間，同時結(jié)合小型挖掘機工作實際，選取發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速為2 200r／min，該額定轉(zhuǎn)速即為電機、發(fā)動機、液壓泵的額定轉(zhuǎn)速?；旌蟿恿ο到y(tǒng)要求發(fā)動機能提供負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩的平均值，同時要求發(fā)動機的工作點位于最佳油耗區(qū)域內(nèi)，所以發(fā)動機優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

發(fā)動機的約束方程為：

發(fā)動機的平均轉(zhuǎn)矩約等于液壓泵出口轉(zhuǎn)矩的平均值，通過式（2）計算可得，發(fā)動機需要提供的平均功率為23kW，根據(jù)平均功率參考值選擇的發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為2 200r／min，額定功率選取為25kW。在串聯(lián)式動力系統(tǒng)中，發(fā)動機與發(fā)電機直接連接在一起，所以發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速、額定功率也應(yīng)和發(fā)動機相同；因此，發(fā)電機的額定功率為25kW，額定轉(zhuǎn)速為2 200rpm，額定工作電壓為240V。

2.2.2 電動機選型與參數(shù)

永磁同步電動機參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速范圍、母線額定電壓、允許最大充放電流等。為了滿足外負(fù)載的需求，須在任何工況下，電動機都能夠向液壓泵提供足夠的輔助動力。

式中：Pm為電機輸出功率；Pex為液壓挖掘機總需求功率；Pe為發(fā)動機輸出功率。

由式（3）可得到電動機的參考額定功率值Pm＝11kW，結(jié)合工作實際，選擇電動機額定功率為15kW。為滿足挖掘機動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求，電動機的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)為0～4 000rpm，選用電動機額定電壓為240V。

2.2.3 儲能單元選型及參數(shù)

目前，應(yīng)用到混合動力系統(tǒng)的儲能單元較多，如電化學(xué)電池、飛輪電池、超級電容等，其中超級電容比功率較高，充電速度快，但比能量過低是最大短板；飛輪電池比功率和比能量較高，但飛輪電池的材料和磁懸浮軸承以及成本等問題都制約了其實用性。綜合考量儲能單元各方面指標(biāo)，運用到混合動力系統(tǒng)相對成熟的儲能單元當(dāng)數(shù)電化學(xué)電池中的鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池等，鎳氫電池相較于鉛酸電池，其比能量高，使用壽命長；鋰電池控制要求高，安全性較差，在混合動力系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用不具可行性。綜合考慮，作為儲能單元鎳氫電池具有較高的比能量、高比功率、較好的充放電特性。

綜上，混合動力系統(tǒng)中各部件選型如下：

1）發(fā)動機額定功率：25kW／2 200rpm，最大扭矩輸出：124kW／1 820rpm；

2）發(fā)電機額定功率：25kW／2 200rpm，額定工作電壓：240V；

3）永磁同步電動機額定功率33kW／2 200rpm，額定工作電壓：240V；

4）電池組——額定電壓1.2V，200顆串聯(lián)組成電池組，額定電壓240V。

3 挖掘機仿真模型構(gòu)建

利用 MATLAB／SIMULINK仿真軟件，對發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、儲能單元及輔助機構(gòu)進(jìn)行建模，構(gòu)建串聯(lián)式混合動力挖掘機仿真平臺，將液壓系統(tǒng)作為一個整體負(fù)載模型考慮。

3.1 發(fā)動機仿真模型

根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線和載荷試驗的速度特性曲線，以發(fā)動機工作在最佳運行區(qū)間提高其燃油效率為目標(biāo)，建立發(fā)動機燃油消耗模型、動力學(xué)模型。燃油消耗率可以通過發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，用插值法獲得燃油消耗率。發(fā)動機油耗模型：

將式（4）經(jīng)過牛頓第一定律等換算后可得到式（5），即可確定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和油門位置三者的關(guān)系：

式中：Mea（ne，a）為發(fā)動機主軸輸出扭矩（負(fù)載扭矩），N·m；Me（ne，a）為發(fā)動機輸出扭矩，N·m；Je為發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Ce為等效黏性阻尼系數(shù)；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rpm；a為發(fā)動機油門位置。

根據(jù)數(shù)學(xué)公式構(gòu)建發(fā)動機仿真模型，見圖2。

3.2 電動機仿真模型

將電動機看作動力轉(zhuǎn)換單元，考慮其能量轉(zhuǎn)換效率和動力學(xué)特性，采取試驗建模方法，仿真模型的輸入?yún)?shù)為電動機總線電壓和請求轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，通過條件限制計算輸出電動機向儲能單元的請求功率，見圖3。

圖2 發(fā)動機模型

圖3 電動機模型

3.3 儲能單元仿真模型

儲能單元指的就是電池組，關(guān)注的就是電池的荷電狀態(tài)SOC值、電池內(nèi)阻，在建立其仿真模型時，采用能量守恒和四線法估算荷電狀態(tài)SOC值的方法。

式中：Wbat為電池組實時電容；Kt為電池容量隨溫度變化的修正系數(shù)；Kc為電池容量循環(huán)次數(shù)變化的修正系數(shù)；QN為電池組額定電量；KE0為開路電壓是否穩(wěn)定的邏輯系數(shù)；E0為開路電壓；e為電池組動態(tài)電動勢；R為電池組動態(tài)內(nèi)阻；Ibat為電池組充／放電流；Ubat為電池組開路電壓；W為放電電量。

根據(jù)數(shù)學(xué)公式構(gòu)建的儲能單元仿真模型，見圖4。

3.4 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)模型

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)就是將發(fā)動機運行在最佳工作點附近，保持相對較穩(wěn)定的運行狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)省燃油、減少尾氣污染物排放。將發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、儲能單元以及負(fù)載和其他部件進(jìn)行有效聯(lián)結(jié)，設(shè)定好邏輯關(guān)系、控制與條件，構(gòu)建串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)仿真模型，圖5為串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)仿真模型。

圖4 儲能單元模型

圖5 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)仿真模型

4 仿真實驗分析

串聯(lián)式混合動力挖掘機工作時，柴油發(fā)動機的輸出全部用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，隨著負(fù)載需要功率的變化，富余能量存儲在儲能單元中，不足的能量也由儲能單元來補充。同時要考慮儲能單元的效率和使用壽命，保證儲能單元的荷電狀態(tài)SOC值在安全范圍內(nèi)，不能過量充電或者過量放電。

4.1 控制策略分析

對于電池荷電狀態(tài)SOC值，設(shè)定SOCmax為上限、SOCmin為 下 限，SOCmax＿c為 自 由 工 作 上 限，SOCmin＿c為自由工作下限：

1）當(dāng)SOC＞SOCmax時，若負(fù)載不為重載工況，則關(guān)閉發(fā)動機；

2）當(dāng)SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c時，由外負(fù)載來確定其發(fā)動機的工作狀態(tài)。

若為重載工況，則發(fā)動機保持狀態(tài)運行；非重載工況，則下降發(fā)動機功率。

1）當(dāng)SOCmax＿c≥SOC≥SOCmin＿c時，發(fā)動機保持原狀態(tài)運行工作；

2）當(dāng)SOCmin＜SOC＜SOCmin＿c時，由外負(fù)載來確定其發(fā)動機的工作狀態(tài)。

若為重載工況，則需要提高發(fā)動機功率；非重載工況，發(fā)動機保持原狀態(tài)運行工作。

當(dāng)SOC＜SOCmin時，則需要提高發(fā)動機功率。

4.2 仿真實驗及結(jié)果分析

仿真實驗的輸入變量不選擇多個，只選擇改變負(fù)載。將電池荷電狀態(tài)SOC初始值設(shè)定為0.6，在100s時改變負(fù)載來觀察發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化、電池荷電狀態(tài)SOC變化等，可判斷是否節(jié)能。整個實驗時間為500s，在實驗進(jìn)行100s時，改變負(fù)載，觀察各個部件對應(yīng)示波器中波形變化，分析對應(yīng)部件在負(fù)載改變后的工作狀態(tài)，作為第一次實驗。在第二次實驗中，在第一次實驗基礎(chǔ)上，在其他時間段不確定性的改變負(fù)載，使實驗更符合挖掘機實際工作狀態(tài)。

1）在第一次實驗中，在各個動力部件對應(yīng)的示波器中都會有相應(yīng)的波形變化，通過觀察示波器中的圖形來分析驗證。圖6中顯示各個部件的波形圖，圖6（a）為負(fù)載改變波形圖，圖6（b）為發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化波形圖，圖6（c）為油門開度調(diào)整波形圖，圖6（d）為儲能單元荷電狀態(tài)SOC值變化波形圖。當(dāng)實驗進(jìn)行到100s時負(fù)載突然增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也在100s時發(fā)生一次明顯的變化，但變化時間很短，之后馬上恢復(fù)至之前的轉(zhuǎn)速。而荷電狀態(tài)SOC值的變化，在負(fù)載未增大時，儲能單元明顯處于充電狀態(tài)，而負(fù)載增大后，為使發(fā)動機工作點穩(wěn)定，儲能單元輸出電能向電動機提供動力源，儲能單元處于放電狀態(tài)，而儲能單元在放電一段時間后需要充電，此時對應(yīng)的油門開度需要增加，在系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)后又恢復(fù)到原來的油門開度。

2）在第二次實驗中，在圖7中的4個波形圖順序與第一次實驗相同。第二次實驗的負(fù)載變化較為頻繁，且沒有規(guī)律，這樣更加貼近實際工作。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化后，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)波動，但又迅速回到原來的轉(zhuǎn)速，也說明發(fā)動機幾乎始終工作在最佳工作區(qū)域附近。而荷電狀態(tài)SOC值也發(fā)生變化，儲能單元處于不斷充放電狀態(tài)來給電動機提供電能，盡量使發(fā)動機在最佳工作區(qū)域附近工作；同樣的，油門開度也會發(fā)生變化，而后又恢復(fù)到原來的油門開度。通過實驗分析，在不同時間段負(fù)載不同時，荷電狀態(tài)SOC值也隨之變化，說明儲能單元通過充放電來給電動機提供電能，通過電動機來調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作區(qū)域，使發(fā)動機始終處于最佳工作區(qū)域運轉(zhuǎn)。

圖6 第一次實驗各個部件波形

圖7 第二次實驗各個部件波形

5 結(jié) 語

工業(yè)化帶來的能源短缺與環(huán)境污染已成為世界性的難題，節(jié)能減排將是各個行業(yè)未來發(fā)展的主旋律。挖掘機作為工程機械的領(lǐng)頭羊，其用量大、油耗高、排放差，是節(jié)能減排的重要研究對象，發(fā)展混合動力挖掘機在現(xiàn)階段是非?？尚星揖哂兄匾F(xiàn)實意義的。本文通過研究分析串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，并通過對仿真模型的實驗結(jié)果分析，表明混合動力挖掘機具有同時兼顧經(jīng)濟性和排放性的良好性能，是挖掘機未來發(fā)展的重要趨勢。