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浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 摘要 液压挖掘机的混合动力技术是降低挖掘机能耗和改善排放的有效技术方案， 该领域的研究在国内刚刚起步，本文针对混合动力液压挖掘机的动力系统展开研 究，通过建立动力系统的模型，结合挖掘机工况运用控制策略进行仿真，在理论 层面表明混合动力液压挖掘机相比普通挖掘机在动力系统的工作性能、燃油经济 性等方面的优越性，也体现出液压挖掘机的混合动力技术研究的重要性以及应用 前景。论文主要分为以下几个部分： ( 1 ) 绪论。介绍了混合动力液压挖掘机及其动力系统研究的意义，阐述了该 领域在国内外研究的情况，并根据目前的研究现状指出了在混合动力液压挖掘机 动力系统研究方面的不足，说明了本论文开展研究的内容以及重点。 ( 2 ) 混合动力液压挖掘机动力系统布置和参数匹配。通过比较三种混合动力 系统布置的结构，结合挖掘机的控制特点确定采用并联式动力系统结构，并根据 混合动力液压挖掘机动力系统的参数需求匹配了动力单元柴油发动机、电动机和 电池组的参数。 ( 3 ) 混合动力液压挖掘机柴油发动机动力学模型研究。引用基于气缸压力一 曲轴转速的发动机瞬态动力学模型，依据实际的发动机参数建立混合动力液压挖 掘机柴油发动机动力学模型，为进行动力系统控制策略的研究提供了模型平台。 ( 4 ) 混合动力液压挖掘机动力系统仿真研究。阐述了混合动力液压挖掘机动 力系统的模型以及负载工况，采用了多工作点控制策略应用于动力系统的控制， 并对混合动力液压挖掘机动力系统模型和普通挖掘机发动机动力系统模型进行 仿真对比研究，验证了运用多工作点控制策略的混合动力系统在工作平稳性、燃 油经济性等方面优于普通挖掘机发动机动力系统。 ( 5 ) 混合动力液压挖掘机试验台架设计与搭建。介绍了混合动力液压挖掘机 试验台架的组成和系统功能，分别阐述了混合动力源系统部分和液压模拟加载系 统部分的设计情况，并通过图纸和照片展示了台架的搭建。 关键词：液压挖掘机混合动力动力系统仿真 a b s t r a c t t h eh y b r i dt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o ri sa ne f f e c t i v e t e c h n o l o g i c a l s o l u t i o nt or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n di m p r o v ee m i s s i o n t h ef i e l do fr e s e a r c hh a s j u s ts t a r t e di nc h i n a t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ep o w e rs y s t e mo fh y b r i dh y d r a u l i c e x c a v a t o r ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ep o w e rs y s t e mm o d e la n ds i m u l a t i o nw i t l l t h ec o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fe x c a v a t o r i ti si m p r o v e di n t h e o r e t i c a ll e v e lt h a tt h ep o w e rs y s t e mo fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o ri ss u p e r i o rt o o r d i n a r ye x c a v a t o ro nt h ea s p e c t so fw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，f u e le f f i c i e n c ya n de t c t h ei m p o r t a n c ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c to fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o ra r ea l s o e x p r e s s e d t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： ( 1 ) i n t r o d u c t i o n i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fh y b r i dh y d r a u l i c e x c a v a t o ra n di t sp o w e rs y s t e m ，a n de x p l a i n e dt h ef i e l do fs t u d ya th o m ea n da b r o a d o b t a i n e dt h es h o r t a g eo ft h ef i e l do fs t u d yi na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n ts t u d y , a n d e x p l a i n e dt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dk e yp o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n ( 2 ) t h el a y o u ta n dp a r a m e t e r sm a t c ho fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rp o w e r s y s t e m a d o p t e dt h ep a r a l l e ls t r u c t u r eb yc o m p a r i n gt h es t r u c t u r eo ft h r e ek i n d so f h y 嘶dp o w e rs y s t e ml a y o u ta n dc o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe x c a v a t o la n dm a t c h e d t h ep a r a m e t e r so fe n g i n e ，m o t o ra n db a t t e r i e sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e p o w e rs y s t e mo fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o l ( 3 ) t h er e s e a r c ho fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rd y n a m i cm o d e lo fd i e s e le n g i n e q u o t e dt h em o d e l i n gm e t h o do ft h ep - wb a s e dt r a n s i e n td y n a m i cm o d e lo fe n g i n e ，a n d b u i ht h et r a n s i e n td y n a m i cm o d e lo fe n g i n ef o rh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r , w h i c h s u p p l i e dag o o dp l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g yo fp o w e rs y s t e m ( 4 ) t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rp o w e rs y s t e m i n t r o d u c e dt h ep o w e rs y s t e mm o d e lo fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o ra n di t sl o a d c o n d i t i o n s ，a d o p t e dm u l t i w o r k p o i n tc o n t r o ls t r a t e g y , c o m p a r e dt h ep o w e rs y s t e m m o d e lo fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rw i t ho r d i n a r ye x c a v a t o re n g i n eo l ls i m u l a t i o n r e s e a r c h ，a n dp r o v e dt h a th y b r i dp o w e rs y s t e mi ss u p e r i o rt oo r d i n a r yp o w e rs y s t e m l l 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 o nt h ea s p e c t so fs t a b i l i t y , f u e le f f i c i e n c ya n de t c ( 5 ) d e s i g n i n ga n db u i l d i n gt h ee x p e r i m e n tb e n c h o fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n ds y s t e mf u n c t i o no ft h ee x p e r i m e n tb e n c h ，a n de x p l a i n e d r e s p e c t i v e l yt h es e c t i o no fh y b r i dp o w e rs y s t e ma n dh y d r a u l i cs i m u l a t i n gl o a ds y s t e m t h ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n db u i l d i n gi se x p r e s s e db yd r a w i n g sa n dp i c t u r e s k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , h y b r i d ，p o w e rs y s t e m ，s i m u l a t i o n i l l 学号 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 承边 j 签字日期： p 牌7 月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：d g 年 导师签名- f 签字日期： 口8 年尹月笋日 碧日 纩 尹 哥p 浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 1 1 研究意义 第一章绪论 1 1 1 混合动力液压挖掘机研究意义 工程机械是国家基础建设的基本装备，液压挖掘机是功能最典型、结构最复 杂、用途最广泛的工程机械之一。它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工 程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。高效、节能和机器人 化是挖掘机械未来发展的重要特征，而技术融合和集成化是其主要发展方向。 随着国民经济的高速发展，挖掘机作为快速、高效的施工作业工程机械，其 市场需求越来越大。从1 9 9 7 年开始，我国的挖掘机市场进入了一个较快的发展 时期，产销量增长率自1 9 9 7 年的2 2 、1 9 9 8 年的1 8 、1 9 9 9 年的3 6 ，一直到 2 0 0 1 年的5 5 、2 0 0 2 年5 7 ，不断攀升n 1 。液压挖掘机市场已经成为我国工程机 械市场的“领头羊。2 0 0 3 年1 7 月我国国产挖掘机销量达2 1 0 0 0 余台，同比 增长7 1 。市场占有率最大的整机质量为2 0 2 2 t 的机型在2 0 0 3 年销量占所有 挖掘机销售总量的8 5 ，该机型的挖掘机在工程施工中发挥着强大的主力军作 用。随着工程种类和范围的不断拓展，小挖( 国内一般定位1 3 t 以下) 的用途也 越来越广。目前国内小挖产量仅占挖掘机的5 - - - 1 0 左右，但这两年发展势头很 猛，各大挖掘机厂家已经或准备强力推出小挖作为新的增长点乜1 。特别是2 0 0 5 年，小型挖掘机共销售了1 万多台，其中包括出口2 0 0 0 余台。2 0 0 5 年的外资企 业( 含合资、独资企业) 销售小挖近7 0 0 0 台，国有和民营企业共销售5 0 0 0 余台。 2 0 0 5 年国有和民营企业的小挖销售量约占整个小挖销售量的4 0 以上。 挖掘机是存在着很大的市场需求的。同时，挖掘机也是一个巨大的能源需求 市场，对于我国这样一个能源资源紧缺的国家而言也存在着巨大的压力。因此开 发性能先进、可靠、节能效果好的挖掘机系列产品不仅有巨大的市场需求，而且 对降低能源消耗、实现可持续发展具有重大现实意义。 目前国产挖掘机( 不包括三资企业产品) 的燃油消耗率为2 3 0 2 5 8 9 k w h 、 作业循环时问为1 4 1 6 s 、无故障时间2 0 0 0 d 、时，而9 0 年代国际水平为2 0 4 - - 2 1 8 浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 g k w h 、作业循环时间为l o - 1 2 s 、无故障时间8 0 0 0 d x 时。国产机的施工成本为o 7 0 8 元m 3 ，而国际先进水平为0 5 o 6 元；m 3 ，已经研制的混合动力系统液压挖 掘机实验水平可达0 3 - - 0 4 ：元m 3 ，排放达到欧4 标准，可见差距是非常明显的。 普通液压挖掘机多采用柴油机一液压系统一多执行器驱动方案，耗油高、排 放差，其节能和排放问题已受到业界的广泛关注。研究表明，由于挖掘机工况负 载变化比较频繁、波动比较大，使得柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料 的利用率低下，排放质量较差。因此，改善挖掘机动力源的工作状况是提高整体 系统效率和改善排放质量的一个关键问题。 采用混合动力技术是降低能量损失和改善排放的有效途径口1 。混合动力是指 通过不同动力源的联合工作，使其充分发挥各自的优越性以提高能量的利用率。 在液压挖掘机领域，混合动力是指柴油发动机和电动机联合驱动。在混合动力系 统中，柴油发动机始终工作在高效区，可以有效改善燃油经济性，降低尾气排放。 因此世界各挖掘机企业都把混合动力液压挖掘机作为一个主要的发展方向。 目前混合动力液压挖掘机技术的研究在国内才刚刚起步，本课题就是针对挖掘机 的这一发展趋势，开展具有前瞻性的、基于复合动力技术的、高效节能的混合动 力挖掘机技术的研究，为研制出具有我国自主知识产权的混合动力挖掘机械提供 理论、方法和技术支持。 1 1 2 混合动力液压挖掘机动力系统研究意义 要对液压挖掘机进行混合动力技术方面的研究，并实现高效、节能和低排放 的目标，就需要对其动力系统进行深入研究。混合动力液压挖掘机的动力系统主 要是由柴油发动机、电动机、电池组以及动力总成共同组成，其中柴油发动机是 主动力源，电动机是辅助动力源。柴油发动机是挖掘机在作业时排放尾气、消耗 能量的动力单元，也是普通挖掘机唯一的动力源，而混合动力技术的应用改变了 挖掘机动力源的结构，这种以柴油发动机为主、电动机为辅、电池组回收多余能 量并反馈利用的动力系统结构改善了柴油发动机的工作状况，使其保持工作在高 效区，提高了系统工作效率，从而达到降低油耗改善排放质量的目的。 如何实现柴油发动机、电动机和挖掘机液压泵的功率匹配，如何结合挖掘机 的实时工况，实现对柴油发动机最佳经济性能的控制，并平稳高效地与电动机和 2 浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 电池组协调工作，都是混合动力液压挖掘机重点研究的技术环节，而柴油发动机 作为混合动力系统的主动力源，则是需要重点研究的对象。 在研究的过程中，需要建立准确的柴油发动机动力学模型，在此平台基础上， 联合电动机和电池组模型仿真研究混合动力液压挖掘机动力系统的最佳经济性 能控制策略，并在试验台架上加以验证，将为混合动力液压挖掘机的节能研究提 供重要的理论及试验支持和指导意义。 总之，深入研究混合动力液压挖掘机动力系统具有以下意义： ( 1 ) 提高能源利用率，降低燃油消耗。通过采用混合动力技术，实现控制策 略，可以改善主动源柴油发动机的工作情况，并依据挖掘机负载工况协调发动机、 电动机和电池组工作，使得发动机始终工作在最佳经济工作区域，预计实现比普 通挖掘机节能2 0 - - 3 0 的目标。 ( 2 ) 改善挖掘机的排放性能。通过有效改善发动机的工作状况，发动机气缸 内燃烧情况也得以改善，提高了发动机的排放质量，达到工程机械国际排放标准。 ( 3 ) 提高整机动力系统工作的平稳性。在研究混合动力液压挖掘机动力系统 尤其是发动机的动态输出性能的基础上，尽量消除由负载变化引起的系统输出的 转速震荡以及扭矩波动，使得整机动力系统工作平稳高效。 ( 4 ) 实现发动机油门位置的自动调节，减轻驾驶员的操作强度。在辨识挖掘 机的外界工况基础上，通过实现动力系统的控制策略，自动调节发动机油门位置， 切换到预设工作点，保持工作在高效区，省去了驾驶员手动操纵油门位置。 1 2 研究现状 1 2 1 混合动力液压挖掘机研究现状 为了进一步提高挖掘机的节能效果，混合动力挖掘机已成为世界各大挖掘机 厂家的重点研发产品。在混合动力挖掘机研制上最先起步的是日本，早稻田大学 兼佳行h 1 等人对应用于挖掘机械的串联式混合动力系统进行了研究，小松公司于 2 0 0 4 年5 月率先研制成功世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型，随后 神户制钢和神户建机阶3 联合提出了一种混合动力液压挖掘机系统并对其进行了 仿真和试验研究，其产品已经于2 0 0 6 年4 月在i n t e r m a t 展会上展出，并于2 0 0 7 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 年l 5 月在日本投入试用。此外日立建机阳1 、卡特皮勒公司也开展了这方面的 研究。目前混合动力挖掘机基本处于研制阶段，能否得到批量生产和推广要取决 于市场的反应。但从长远来看，这是一个发展趋势。而在国内，混合动力液压挖 掘机技术的研究尚处于刚刚起步阶段，由浙江大学机械电子控制工程研究所王庆 丰教授和机械设计研究所潘双夏教授率先开展了这方面的研究。 目前关于混合动力技术的研究基本上都是针对汽车的n 2 ，研究内容主要包 括：一是混合动力系统模式的研究，主要有串联、并联及混联三种动力系统布置 模式；其次为混合动力控制策略的研究，对于不同的混合动力模式，控制方法也 有所不同。对于混合动力的挖掘机来说，无论在混合动力系统布置模式的选择上、 还是在控制方法上，目前一般都是借鉴了混合动力汽车的技术。 同为混合动力驱动的挖掘机与汽车虽然有一定的相似性，但是挖掘机与汽车 相比不论在系统结构、还是工作特点上都有较大的差别。相对于汽车，挖掘机的 工况更为复杂，外负载的变化幅度更大，变化更加频繁；其次，汽车的动力只输 出到一个目标物，而挖掘机一般至少要驱动两个液压泵，因此在研究动力控制问 题时，相比于汽车，挖掘机的动力分配系统不仅包括动力源的分配问题，还包括 动力输出的分配问题；另外挖掘机与汽车的动力传输方式不同，汽车的动力源直 接驱动机械系统，而挖掘机一般是动力源驱动液压系统，然后再将液压能转化为 机械能，因此和汽车相比，挖掘机增加了一个液压系统，使整机的动力控制系统 变得更为复杂。 挖掘机与汽车的工作特点、系统结构以及动力传输方式等方面都有很大的不 同，因此针对挖掘机性能和工作特点深入研究混合动力挖掘机的动力系统布置、 控制策略以及能量分配等技术是非常必要的，而该领域的研究在国内刚刚起步。 1 2 2 混合动力液压挖掘机动力系统研究现状 由于混合动力液压挖掘机在国外尚处于研制阶段，并未完全面向市场推广， 而在国内则处于起步阶段，因此针对其动力系统及控制策略的研究有待进一步深 入。 目前混合动力液压挖掘机动力系统形式采用的是油电混合方式，即借助蓄电 池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能， 4 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起 满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率 和扭矩的均衡控制。这样，就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用 功率较小的柴油机来驱动大吨位挖掘机，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于 高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。 油电混合动力的优点是：不但能对发动机输出扭矩进行均衡控制，使发动机 工作点始终位于经济工作区，而且可以利用电机控制技术，对每一个液压缸都采 用闭式传动方案，从而取消了多路阀控制，彻底消除阀内的节流损失，同时可以 对回转动能、工作装置的重力势能等进行回收。小松、神钢等公司采用的就是这 种方案。 这种方式的缺点是：由于能量转换经历了柴油机一发电机电动机一液压泵 一液压缸、液压马达等多个环节，能量转换环节多，导致系统趋于复杂，技术要 求也相应提高，如电池寿命、电源转换效率、重量、可靠性等，都有待进一步提 高。此外，油电混合动力使挖掘机动力系统从结构上发生了根本变化，对整个挖 掘机制造体系影响较大，从而造成生产成本的上升。 在目前的研究中，国内浙江大学的研究者肖清n 3 1 对比分析了串联式与并联式 混合动力系统的优缺点，提出了基于并联式动力结构的混合动力液压挖掘机动力 系统，这对我们的研究提供了很好的借鉴作用。肖清同时建立了液压挖掘机混合 动力系统的模型并进行了仿真研究，但其中动力源发动机和电动机的模型是依据 特性曲线建立起来的静态模型，而非动力学模型。基于静态模型进行动力系统的 控制仿真研究是不够深入的。 浙江大学机械设计研究所在工程机械方面的研究一直处于国内前列，尤其是 在液压挖掘机节能技术方面的研究上已取得不少成果。目前机械设计研究所率先 在国内开展混合动力液压挖掘机技术的研究。从其以往的研究来看，针对挖掘机 动力系统中发动机的研究不够深入，仅仅局限于油门控制方面；高峰n 的n 5 3 的关于 液压挖掘机节能技术的研究中，对于动力系统的研究也主要着眼于发动机的外特 性，仅反映其静态工作特性，而没有建立起柴油发动机动力学模型，并根据挖掘 机外负载深入研究动力系统工作的动态特性以及对油耗和工作平稳性的影响。 因此，开展混合动力液压挖掘机动力系统及控制策略的深入研究仍具有一定 5 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 的探索性。 1 3 现有研究的不足和课题的提出 鉴于当前的研究现状，现有研究的不足主要表现为： ( 1 ) 没有准确的动力学模型来描述基于负载工况的混合动力液压挖掘机动力 系统的工作状况和反映其动态性能； ( 2 ) 混合动力液压挖掘机节能控制策略的研究仅基于动力系统的静态模型， 研究不够深入，控制的实用性不强。 因此，本论文将从上述的不足切入，展开深入的研究。本课题的研究将根据 混合动力液压挖掘机的特点，充分考虑系统的节能效果、工作效率、控制方法的 难易程度等因素，建立主动力源柴油发动机的动力学模型，并联合电动机和电池 组模型结合挖掘机工况对动力系统的控制策略进行仿真分析和研究，最终实现系 统控制的节能性和平稳性。 1 4 研究方案与内容 根据研究的不足之处和提出的课题，本人开展的研究工作如下： ( 1 ) 根据研究目标，通过分析比较最终确定混合动力液压挖掘机动力系统布 置的方案，匹配动力系统中柴油发动机、电动机和电池组的参数； ( 2 ) 建立详细准确的混合动力液压挖掘机柴油发动机动力学模型； ( 3 ) 结合液压挖掘机工况，联合发动机、电动机和电池组模型进行动力系统 仿真，分析评价仿真结果，探讨验证提出的多工作点控制策略； ( 4 ) 混合动力液压挖掘机试验台架设计及搭建。 本论文重点研究的内容包括以下两方面： ( 1 ) 混合动力液压挖掘机柴油发动机动力学模型的建立。柴油发动机是混合 动力系统的主动力源，建立其详细的动力学模型是本论文侧重研究的方面。本文 将依据发动机厂商提供的参数建立基于气缸压力一曲轴转速n 6 1 的柴油发动机动 力学模型。 ( 2 ) 混合动力液压挖掘机动力系统模型仿真研究，多工作点控制策略的验证 和分析评价。 6 浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 本论文以m a t l a b s i m u l i n k 作为研究工具支持和建立研究模型，并进行整机 仿真及验证。 1 5 本章小结 本章介绍了混合动力液压挖掘机及其动力系统研究的意义，阐述了该领域在 国内外研究的情况，并根据目前研究现状指出了在混合动力液压挖掘机动力系统 方面研究的不足，从而引出了本研究课题，说明了本文开展研究的内容以及重点。 7 浙江大学硕士学位论文 混合动力液压挖掘机动力系统研究 第二章混合动力液压挖掘机动力系统布置和参数匹配 2 1 混合动力液压挖掘机动力系统布置方案 根据提供驱动系统的能量形式不同，目前混合动力系统的动力布置主要有串 联、并联及混联三种模式，每种模式分别具有其特点，并且在混合动力汽车上均 有相应的应用研究，对于混合动力液压挖掘机同样可以采用这三种动力系统布置 结构。 串联式动力结构是由发动机、发电机和电动机三部分动力单元通过串联方式 组成的动力系统。在串联式动力系统中，发动机输出的动力全部通过发电机发电， 其中部分电能通过变流器和逆变器带动电动机驱动液压泵运作，而多余的能量则 储存在储能元件电池中。外负载较小时由电池带动电动机驱动液压泵，而外负载 较大时改由发动机带动发电机发电驱动电动机。当挖掘机处于启动、重载的工况 时，发动机、发电机和电池组共同向电动机提供电能；当挖掘机处于怠速、轻载 的工况时，则由电池组直接驱动电动机；当电池组缺电时则由发动机一发电机组 向电池组充电。串联式结构可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，并可 以根据工况调整电池和电动机的输出，使发动机避免了怠速和低速运转的工况， 从而提高了发动机的效率，有一定的节能效果，减少了废气排放。串联式结构布 置灵活，控制简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发 电或停止。但它的缺点是发动机在驱动液压泵的过程中，经过了机械能一电能一 机械能两次能量转换，增加了中间环节，系统综合效率较低。 并联式动力结构是由发动机和电动机共同驱动液压泵，发动机与电动机是并 行的，分属两套系统，可以分别独立地向挖掘机传动系统提供扭矩，在不同的工 况下既可以共同驱动又可以单独驱动。在并联式动力系统中，发动机是主动力， 电动机是辅助动力，发动机输出的机械能一部分直接用来驱动液压泵，多余的机 械能则通过电动发电机发电，并经过变流器将能量存储到电池中。当挖掘机的 工况处于重载时，发动机和电动机能够同时向液压泵提供动力；当挖掘机处于轻 载或行进过程，将仅仅依靠发动机维持工作。电动机既可以作电动机又可以作发 电机使用，又称为电动一发电机组。并联式结构直接输出发动机的机械能给液压 8 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 泵，减少了能量转换环节，提高了动力系统的效率，降低能量损失，减少燃油消 耗，节能效果好。此外电动机可工作于电动或发电状态，减少了系统的动力总成。 在较大功率要求的场合，两套系统可以同时驱动，由电动机提供额外功率，而发 动机工作于理想的工况区域。并联式动力结构的缺点是安装结构较复杂，控制系 统较复杂。 混联式动力结构是串并联的结合，包含了串联式和并联式的特点。其动力系 统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电 机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源； 以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。混联式结构通 过控制离合器的开闭，在不同工况下可以得到串并联不同的连接方式，使得系统 工作更加灵活，提高了系统的综合性能。但该结构的缺点是控制系统和安装结构 都很复杂，而且初始成本很高。 下表将三种动力系统的布置方案进行了综合比较： 表2 1 串并混联式动力结构性能比较 耀兮 方案 串联式动力结构并联式动力结构混联式动力结构 比较 ( s h )( p h )( p s h ) 综合s h 和p h 结构 发动机、发电机和发动机、电动发电特点组成p s h ，由发 组成驱动电动机三大动机或驱动电动机两动机、电动发电机 力总成大动力总成和驱动电动机三大 动力总成 控制系统较简单复杂更复杂 ， 一 初始成本品较高面 总体效率较高高更高 排污量低低中等 安装结构简单 较复杂复杂 l 布置灵活度向低岛 维护费用较高低低 电池的使用量大小较小 9 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 下面给出了几种动力系统布置方案的结构示图： 鑫 液压 回路 图2 1 ( a ) 串联式动力系统布置方案 图2 1 ( b ) 并联式动力系统布置方案 电地 图2 1 ( c ) 混联式动力系统布置方案 1 0 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 本研究课题针对混合动力液压挖掘机的多动力源、多驱动目标的特点，综合 考虑系统的节能效果、工作效率、复杂程度、系统成本、控制方法的难易程度、 以及安装方便等问题，最终选择并联式动力结构作为我们混合动力液压挖掘机动 力系统的布置方案。 针对混合动力液压挖掘机并联式动力系统布置方案，并根据挖掘机的工作情 况，包括对挖掘机工作速度的要求及外部负载状况，我们将建立混合动力液压挖 掘机试验平台，对其动力系统总成控制策略方案进行深入研究，以达到挖掘机整 机节能性与工作效率的最佳综合效果，并尽可能提高电池组的使用寿命，降低系 统成本。 试验平台将模拟6 吨的液压挖掘机，则动力系统的主要技术参数是： 额定功率4 1 k w ，额定转速2 2 0 0 r p m 。 动力系统是由柴油发动机、电动机和电池组三大动力单元组成，系统总功率 将在发动机和电动机问进行分配。下面将分别对每个动力单元的参数进行匹配。 2 2 混合动力液压挖掘机动力系统参数匹配 2 2 1 柴油发动机参数匹配 柴油发动机是工程机械采用的最主要的动力装置。根据我们的研究目标，混 合动力液压挖掘机柴油发动机需要采用的基本参数是标定转速2 2 0 0 r p m 下功率 为2 6 k w 左右，并且协同电动机运作。在收集整理并对比研究各种用于工程机械 的柴油发动机参数资料基础上，综合考虑经济性、参数匹配等因素，最终采用常 柴z n 4 8 5 q 型柴油发动机应用于混合动力液压挖掘机动力系统上。 下表是国内外各种工程机械用柴油发动机的主要参数对比： 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 表2 2 国内外工程机械用柴油发动机参数比对 发发动机型式外形尺寸净重动力性指标经济性指标捧放 动 型号( 长，i 宽木高)( k g )额定功率最大扭矩燃油价格指标 机( m m ) 转速转速消耗率( r l 肥) r ( k w r p m )( n m r p m )( g k c - h ) 商 z n 3 8 5 q3 缸直 6 1 4 * 4 9 2 * 6 2 81 8 5 2 0 2 2 0 09 6 1 8 0 0 2 4 54 3 5 0 列水冷 常四冲程 柴 2 n 4 8 5 q4 缸直 6 9 6 木4 9 2 车6 5 02 0 5 2 6 2 2 0 01 2 1 1 8 0 0 2 4 5 5 4 0 0l 列水冷 四冲程 帕4 0 3 c - 1 53 缸直 5 7 2 阜4 2 2 术6 4 31 7 5 2 0 7 2 2 0 09 6 1 8 0 02 6 52 8 8 0 0欧2 金列水冷( 涡流) 斯四冲程 道f 2 l 2 0 1 12 缸直4 8 7 宰4 5 1 木6 8 31 7 52 1 8 2 8 0 09 0 1 7 0 02 2 03 2 5 0 0欧2 依列油冷 茨四冲程 3 t n v 8 8 一s3 缸商5 6 8 木5 2 4 木6 2 11 3 82 0 3 2 2 0 01 0 9 1 4 2 02 5 22 5 0 0 0e p a i i 列水冷 洋四冲程 马4 t n v 9 4 l4 缸直7 6 1 木5 3 0 幸8 6 81 6 03 5 5 2 2 0 02 1 4 1 1 0 02 3 53 0 0 0 0e p a i i s f n列水冷 网冲程 n c 4 8 5 b p g4 缸直6 7 8 木4 9 6 木6 1 92 2 03 0 2 6 0 0 1 3 1 i 7 0 0 2 4 44 1 0 0 | 列水冷( 2 0 5 2 2 0 0 ) - 1 9 0 0 新四冲程 昌c 4 9 0 b g 4 缸直 6 9 6 * 5 41 6 5 02 3 0 3 7 2 6 5 01 4 8 1 8 0 0 2 3 04 9 0 0e p a i i 列水冷( 3 0 6 2 2 0 0 ) - 1 9 0 0 四冲程 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 选用的常柴z n 4 8 5 q 型柴油发动机的主要技术参数n 7 1 如下： 表2 3 常柴z n 4 8 5 q 型柴油发动机主要技术参数 型号z n 4 8 5 q 型式 4 缸直列水冷四冲程 燃烧室型式直喷 缸径( m m ) x 行程( 咖)8 5 x 9 5 活塞总排量( l ) 2 1 5 6 压缩比 1 8 气缸工作顺序 1 3 4 2 标定功率转速( k w r p m )2 6 2 2 0 0 最大扭矩( n m )1 2 1 燃油消耗率( g k w - h ) 标定功率标定转速： 2 5 0 外特性最低点： 2 4 0 最高空车转速( r p m ) ：2 8 0 0 空车最低稳定转速( r p m ) ： 6 4 0 冷却方式 强制水冷 净质量( k g ) 2 0 5 外彤尺寸长x 宽x 高( m m )6 9 6 x 4 9 2 x 6 5 0 发动机配置：发电机5 0 0 w ，内置调节器；水温传感器3 0 6 ，水温报警器9 8 度；机油压力传感器3 0 3 ，机油压力报警器0 0 5 5 m p a ；转速传感器留接口，带空 气加热器( 便于冬天启动) ；发动机水箱；发动机消音器；发动机空气滤清器。 柴油发动机的工作特性： 柴油发动机随着外界工况的不同，它所发出的功率n e ，扭矩m e 和燃料消 耗率舻等也是不断变化的。这些性能指标随工况而变化的关系被成为柴油发动 机的工作特性。通过发动机厂商提供的发动机性能曲线，研究发动机的工作特性， 可以鉴定发动机的动力性和经济性，并能提高发动机的工作性能。柴油发动机的 工作特性n 町包括以下几种： ( 1 ) 负荷特性 当转速不变时，柴油发动机每小时燃料消耗量g 7 和燃料消耗率等性能参 数随负荷( 平均有效压力只或外负载扭矩互) 变化而变化的关系。该特性曲线能 清楚地反映出柴油发动机转速一定时，负荷变化与燃油消耗的关系。 ( 2 ) 速度特性 当柴油发动机供油机构位置( 齿条或操纵手柄) 一定时，柴油发动机性输出 1 3 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 扭矩m e 、功率 融、每小时燃料消耗量g 丁和燃料消耗率秽等性能参数随转速变 化的关系，称为柴油发动机的速度特性。当供油机构限制在标定功率位置时，测 得的速度特性为全负荷速度特性或外特性。当供油机构限制在标定功率以下各位 置时，所测得的速度特性称为部分负荷速度特性。部分负荷速度特性曲线有无数 条，一般柴油发动机厂商只给出外特性曲线。 ( 3 ) 万有特性 速度特性和负荷特性的各种曲线只能表达两个参数之间的关系，不能全面表 示发动机性能，而万有特性则能表示三个或三个以上参数之间的关系。一般以柴 油发动机转速n 为横坐标、输出扭矩m e ( 或平均有效压力) 为纵坐标，作出 若干条等燃料消耗率船曲线和等功率曲线盹，构成一系列的曲线族，称为万有 特性曲线。它可以表示各种转速、各种负荷下的燃料经济性。从万有特性曲线上 可以看出，柴油发动机在每一个功率值下都有一个最经济工作点，就是等功率曲 线和等耗油率曲线的切点。如果将所有功率下的最经济工作点连起来，就形成了 一条经济工作曲线。无论柴油机输出功率是多少，只要工作点位于经济工作曲线 附近，其燃油在此功率下的利用率就高，此即柴油发动机节能控制的理论依据。 图2 2 常柴z n 4 8 5 q 型柴油发动机万有特性曲线 ( 4 ) 调速特性 在不同的调速手柄位置上，柴油发动机转速 与负载转矩m e 等参数间的关 系被称为调速特性，也是一系列的曲线族。柴油发动机加装不同的调速器后具有 不同的调速特性。工程机械用柴油机采用全速调速器。在任何速度工况下，供油 量由调速器自动控制，以保持速度的恒定。 1 4 一盘_邑詈f旦 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 2 2 2 电动机参数匹配 混合动力系统的电动机主要有直流电机驱动系统和交流电机驱动系统，两者 在混合动力汽车上均有应用，但直流电机驱动系统在混合动力系统上的应用远不 及交流驱动系统普遍，以下将对各种类型的驱动电机的性能进行比较： 表2 4 驱动电机优缺点比较 直流电机 异步电机永磁同步电机开关磁阻电机 ( d m )( i m )( p m s m )( s r m ) 控制简单，只用电结构简单，造价低廉，体积小，重量轻，功结构简单、牢固， 优 压控制，不需检测可高速运行，调速范率密度大，低速输出效率高，起动转 磁极位置，小容量围大，转动惯量小，转矩大，效率高，维矩大，价格低， 点 系统、造价低维护简单，技术成熟护简单 免维护 有整流电刷，结构控制复杂，容量小时高速运行较i m 复噪音大，输出转 复杂，不适合高速、效率降低，制动困难杂，需检测转子磁极矩脉动大 缺大转矩运行，效率位置，永磁体有退磁 低，环境适应性差，问题，造价较高 点 维护难，容量增大 时造价大幅增加且 制造困难 表2 5 驱动电机综合特性比较 遮 机械 过载 可平 噪电磁 维修 寿体效成 控稳 女 电机类型特性 能力尸 干扰性能 命积率本 性性 较较 交流异步电机软小 难 小易长大低低 差大 较 严 较 1 一 较 有刷直流电机软大易大难短局 好重小向 永磁同步电机包 硬 大 易好 小小 易 长小两j 较 括无刷直流电机局 通过对各种类型的电动机的特点和综合特性的比较，并结合混合动力液压挖 掘机动力系统的需求，我们最终采用永磁同步伺服电动机。 根据混合动力液压挖掘机试验平台动力系统的参数和性能要求，我们定制了 一台额定功率1 5 7 k w ，母线额定电压2 5 0 v 的永磁同步电动机，其结构扁平，直 接联接安装于发动机上，是专门用于混合动力系统的电动机。以下列出了该永磁 同步电动机的主要技术参数口9 l ： 1 5 浙江大学硕士学位论文混合动力液压挖掘机动力系统研究 表2 6 采用的永磁同步电动机技术参数 直流母线额定电压2 5 0 v 直流母线电压范围 2 1 6 3 6 0 v 持 电机持续功率( 3 0 m in 电动工作制)1 5 7 k w基速至电动最高工作转速 续 工 电机持续转矩( 3 0 m i n 电动工作制) 1 5 0 n m ( 0 5 一1 ) 倍基速 作 区 电机基速 1 0 0 0 r p m 电机电动方式转速范围0 4 0 0 0 r p m 电机发电方式转速范围0 4 0 0 0 r p m 电机及其控制系统最高效率 9 0 基速点处电机电动发电峰值功率2 1 k w ，( 3 0 s ) 最高工作转速点电机电动发电峰值1 9 k w ，( 3 0 s ) 功率 峰 值 基速点处电机电动发电峰值转矩 2 0 0 n m ，( 3 0 s ) 工 堵转转矩 2 0 0 n m 5 s 堵转时间 作 区 电机最大转速 4 0 0 0 r p m 主回路输入电源最大允许放电电流 1 0 0 ( a m p ) 主回路输入电源最大允许充电电流 1 0 0 ( a m p ) 工 工作环境温度范围 1 0 一4 0 作 冷却方式自然风冷 环 境 工作环境湿度范围 0 - 9 5 永磁同步电动机的特性： 永磁同步电动机一般分为两类：一类是用正弦波电流供电的正弦波永磁同步 电机，简称p m s