工程机械混合动力技术的发展与应用cofr.docx

工程机械械混合动动力技术术的发展展与应用用刘昌盛，张大大庆，蒋蒋苹，谭谭青（中中南大学学机电工工程学院院，湖南南长沙；湖湖南山河河智能机机械股份份有限公公司，湖湖南长沙沙）摘要描述了了国内外外工程机机械主机机厂商及及研究机机构在工工程机械械混合动动力技术术方面的的研究现现状，重重点论述述了串、并并联式混混合动力力系统中中具有代代表性的的产品，并并对系统统原理、能能量同收收和控制制策略做做了介绍绍。对目目前研究的现现状与问问题进行行了分析析，并提提出今后后工程机机械混合合动力的的关键技技术研究究。关键词词工程程机械；混合动动力；能能最同收收；控制制策略中图分分类号文献标标识码文章编编号），随着工程程机械品品种和数数量不断断增加，大大量工程机械所所消耗的的资源和和排放的的污染物物对环境境造成了难以估估计的影影响。为为实现可可持续发发展，国国内外对工程机机械尾气气排放及及噪声等等限制愈愈加严格格，人们环保意意识的日日益增强强，开发发研制环环保节能能型产品现已成成为工程程机械发发展的趋趋势。目目前，业业内对于工程机机械节能能技术的的研究，多多数都集集中在提提高相关元件件的性能能、改进进液压系系统和提提高动力力系统与液压系系统的功功率匹配配个方方面。但但是这些些方面虽然在在国内外外进行了了多年的的研究，技技术也已已经非常成熟熟，效果果却并不不理想，除除非有大大的突破破，否则再也也难以大大幅度地地改善节节能效果果。目前正在在汽车工工业流行行的混合合动力技技术无疑疑具有很高高的吸引引力，它它在汽车车上的成成功应用用为耗能大、排排放差的的工程机机械领域域提供了了借鉴。为为降低产品的的能耗和和排放，提提高产品品的竞争争力和对对未来市场的的占有率率，融合合了内燃燃机驱动动和电力力驱动技术的混混合动力力技术已已受到了了工程机机械领域域的高度重视并并进行相相关的研研究尝试试，开始始逐渐发发展成为各大工工程机械械制造商商一个新新的重要要研究方方向。日立建机机、住友友建机、新新卡特彼彼勒一三三菱及沃沃尔沃等已对对混合动动力工程程机械进进行了不不同程度度的研究工作州。年，日日立建机机生产出出了世界界上第一台混混合动力力驱动的的轮式装装载机，这这是混合合动力系统在在工程机机械上的的首次应应用。小小松于年月研制制成功世世界上第第一台混混合动力力液压挖挖掘机的的试验机型型。年年月在在法国巴巴黎举办办的展展上，纽纽荷兰与与神户制制钢联合合研制推推出了混合动力力液压挖挖掘机样样机，引引起了广广泛的关关注。当前，在在综合考考虑了系系统的节节能、排排放、布布局和成本本等因素素的基础础上，在在工程机机械上应应用的混合动力力驱动方方式主要要有两种种型式：以神户户制钢、日立建机机为代表表的串联联混合动动力驱动动方式和和以小松、新卡卡特彼勒勒一三菱菱为代表表的并联联混合动动力驱动方式。（）串串联式混混合动力力系统研研究。神户制钢钢研制的的串串联式混混合动力力液压挖挖掘机样机及及其结构构如图所示，柴柴油发动动机输出出的动力完全全用于驱驱动发电电机发电电，电能能以直流流电的形式储存存在电池池和电容容当中，用用电动机机取代液液压国内外工工程机械械混合动动力系统统研究现现状马达驱动动旋转体体。另外外，系统统采用了了电池和和电容同时蓄能能的方式式，在一一定程度度上弥补补了电池池和电工工程机械械混合动动力技术术研究国外在混混合动力力工程机机械研发发方面起起步较早早，一些研究究机构和和制造商商如日本本早稻田田大学、小小松、收稿日日期通讯地地址张张大庆，湖湖南省长长沙市星星沙山河河智能产产业园万方数据据建筑瓤城城（上上半月刊刊）搿茎控制单元了曾濡凹器图神户户制钢液液压挖掘掘机串联联式混合合动力系系统原理理图整机结构构布局灵灵活，自自由度大大；但由由于发动动机输出的所有有能量都都必须经经过机械械能一电电能一机机械能的转换之之后才能能用于驱驱动液压压系统对对外做功功，在整个能量量转化过过程中能能量的损损失比较较大，因因此系统总效率率较低，且且电机装装机功率率较大。在能量回回收方面面，系统统动臂单单元采用用泵一马马达的驱动动方式，在在动臂下下降时，液液压马达达将回油油的液压能能转化为为机械能能直接用用来与电电动机共共同驱动泵，若若回收的的功率超超出了泵泵的需求求，则多多余的机械能通通过电动动机（此此时工作作于发电电状态）转转化为电能存存储在电电容中，从从而实现现了惯性性能、制制动图神户户制钢的的串联式式混合动动力液压挖掘掘机样机机及其结结构图容各自的的不足。发动机输输出机械械能驱动动发电机机，所输输出的交交流电经整整流器变变为直流流电后，部部分储存存在电池池和电容中，另另一部分分经逆变变器处理理后驱动动电动机机。电动机输输出的机机械能经经液压泵泵转化为为液压能能，并在控制阀阀的作用用下驱动动执行机机构。系系统中电电池和电容用来来平衡发发动机的的输出功功率和电电动机的的输入功率：当当发动机机的输出出功率大大于电动动机所需需要的功率时，多多余的能能量存储储在电池池和电容容中；而而当发动机的的输出功功率小于于电动机机所需的的功率时时，电池和电容容输出电电能以补补充不足足的部分分。控制制器接收发动机机的转速速信号、操操作手柄柄的动作作控制信信号和电池的的状态信信号等，经经过运算算处理，进进而控制制发动机的的燃油供供应和整整流器、逆逆变器的的运行和和转换。系统统原理图图如图所示。在该方案案中，由由于发动动机与驱驱动电机机之间无无机械连接接，因此此发动机机工况稳稳定、排排放低，并并且能和重力力势能的的回收。该该回收方方法的优优点是采采用泵一马达达的驱动动方式，缩缩短了能能量回收收流程，但但对系统元元件的要要求较高高，并且且增加了了控制的的复朵度。神钢的混混合动力力系统控控制部分分由混合合控制器器、能量控制制器、整整流器、电电池监测测器和发发动机控控制器构成，其其中最主主要的是是混合控控制器和和能量控控制器。混合合控制器器监测电电池的、发发动机的的转速、电容的开开启电压压和直流流电能，经经运算后后输出电电池的充放电电请求功功率、发发电机的的最低和和最高功功率、发动机的的启制动动和控制制模式信信号。该该系统采采用了多模式的的控制策策略，根根据电池池荷电状状态的低低、中、高分为种控制制模式，由由电池荷荷电状态态的状况况来分配各动力力总成的的输出能能量。在在种模模式下，电电池的充电能来来源均为为发电机机输出的的电能，电电容的充充电能为发电电机输出出的电能能和回收收的能量量。放电电时，当电池的的荷电状状态为低低和中的的情况下下，电容容优先放电，只只有电池池荷电状状态高时时，电池池优先放放电。这种控制制策略利利用了电电容比功功率大，而而电池比比能万方数据据建筑札械械（上上半月刊刊）器警蓁蓁 瓣量大的特特点，但但由于同同时使用用电池和和电容，使使控制策略较较复杂。能能量控制制器包括括能量分分配控制制、直流电电电压控制制和电容容电压控控制。它它根据混混合控制器输出出的控制制模式、电电池的充充放电请请求功率率、发电机的的最低和和最高功功率以及及直流电电电压和和电容的充放电电功率控控制发电电机、电电池和电电容的目目标电流。（）并并联式混混合动力力系统研研究。小松于年月月在市场场上率先先推出了了一台混混合动力力挖掘机机，采用用了一种种并联式式混合动动力工程机械械的系统统方案，如如图所所示。与与神钢的的系控制阀电动机砰蛳潞潞萃呈岂¨统不同，液液压泵由由发动机机与发电电电动动机并联联驱动，采用用电池来来储存电电力。除除了收集集原本浪浪费的能量外，该该系统还还可以使使发动机机在低速速空转，与与标准型液液压挖掘掘机相比比，总共共可降低低能源消消耗达。图小松松液压挖挖掘机并并联式混混合动力力系统原原理图由图可可知，系系统采用用了单独独的液压压马达一一发电机来回回收动臂臂下落时时的动能能和势能能。在动动臂运动过程中中，由控控制阀控控制动臂臂油缸的的动作，而而动臂下放时时则由液液压马达达一发电电机在能能量回收收的同时控制动动臂的下下落。对对回转平平台采用用电动机机驱动方式，在在减速制制动时，制制动能通通过发电电电动动机转化为电能能储存在在电容器器中，实实现了转转台回转转制动时能量的的回收利利用。能能量回收收示意图图如图所示。图小松松的并联联式混合合动力液液压挖掘掘机发动机输输出的能能量主要要用于驱驱动外载载，剩余余部分机械械能通过过电动发电机机转化为为电能，并并通过整流逆逆变器储储存在电电池当中中。当发发动机的的输出功功率不足以以驱动液液压系统统时，电电池中储储存的电电能释放出来驱驱动电动动发电电机，辅辅助发动动机共同同驱动液液压系统。不不同于传传统的液液压驱动动，系统统中回转转平台是由电电动机直直接驱动动的，节节省了原原本消耗耗在液压控制阀阀和液压压马达上上的能量量。系统统原理图图如图所示。系系统中发发动机与与电动机机以机械械方式连连接，与串联式式相比，发发动机、发发电机的的装机功功率相对对来说可以以小一些些，配备备的电池池和电容容的容量量较低，图小松松混合动动力液压压挖掘机机系统的的能量回回收示意意图小松的并并联式混混合动力力液压挖挖掘机系系统采用用了一种分分工况恒恒工作点点的控制制策略：（）在在某种工作模式式下，发发动机的的转速与与转矩保保持不变变；（）当液压泵泵所需的的转矩小小于发动动机的转转矩时，控控制器控制与与发动机机相连的的电动机机处于发发电状态态，吸收剩余的的转矩转转化为电电能存储储在电池池中；（）当液压泵所所需的转转矩大于于发动机机的转矩矩时，控控制器控制与发发动机相相连的电电动机处处于电动动状态，电电池在配备相相同柴油油发动机机情况下下可以获获得更大大的功放电，补补充不足足的转矩矩；（）改改变工作作模式时时，率输出，而而且驱动动效率比比较高、油油耗较低低，但系系统的布局局比较复复杂，对对控制系系统的要要求也比比较高。控制器改改变发动动机的转转速，同同时改变变电动机机电动、发电状态态切换时时的吸收收和补充充转矩。这这种控制制策万方数据据建冠辄械械（上上半月刊刊）曲略的主要要目的是是稳定发发动机的的工作点点，减小小发动机的装机机功率。国国内工程程机械混混合动力力技术研研究国内进行行工程机机械混合合动力技技术研究究的生产产厂和研究究机构还还不多，研研究工作作尚属探探索阶段段，相关的文文献报道道基本空空白。贵州詹阳阳动力重重工在年月北京京国际工工程机械展展上，推推出了混合动动力环保保型挖掘机样机机，如图图所示示。其系系统具有有以下特特点：采采用并联式式混合动动力系统统，双泵泵双回路路高压变变量、交叉功率率调节、负负向流量量控制；回转优优先、动动臂合流、斗斗杆合流流、铲斗斗合流、动动臂再生生、斗杆杆再生实现工工作装置置平稳工工作；可可以减少少能量消消耗。围詹阳阳动力重重工混混合动力力挖掘机机样机及及其结构构图浙江大学学自年年开始已已开展混混合动力力挖掘机仿真分分析和台台架试验验相关研研究工作作。在仿仿真分析方面，利利用液压压挖掘机机工作中中的实测测数据建建立了混合动动力液压压挖掘机机整机仿仿真模型型，研究究了串、并联混合合动力系系统的节节能效果果，分析析了能量量回收、单独驱动动、电动动机直接接驱动回回转等基基于混合合动力节能方案案的节能能效果和和可行性性。在台台架试验验方面，建立了一一个初步步的液压压挖掘机机混合动动力系统统试验系统，对对混合动动力系统统的结构构、控制制策略、能能量回收的效效果及对对操作性性能的影影响等进进行了试试验研究。混合动动力关键键技术研研究在施工过过程中，工工程机械械具有工工况复杂杂、负载变化剧剧烈、工工作环境境恶劣等等特点，在在采用混混合动力驱动动方式后后，对动动力系统统及其主主要部件件提出了更高的的要求，控控制系统统的架构构和控制制策略将将大大改变，机机器的操操控性也也更加复复杂。如如何针对对工程机械自自身特点点，开展展混合动动力系统统的参数数优化匹配、控控制策略略、能量量回收技技术以及及提高可可靠性和操控性性等关键键技术的的研究，是是今后工工程机械械混合动力技技术发展展与应用用的重点点所在。（）混混合动力力工程机机械动力力参数优优化匹配配。混合动力力工程机机械的燃燃油经济济性和动动力性能能主要取决于动动力源之之间的装装机功率率比，即即动力参参数匹配。根据据工程机机械的动动力性和和实际工工况，合合理选择动力系系统中发发动机功功率、电电机功率率、电池池容量等各种参参数，对对发动机机和电机机进行功功率匹配配，确定混合动动力挖掘掘机两种种动力源源最佳的的混合度度，对混合动力力工程机机械能量量转换和和整机效效率起着着关键的作用，是是动力控控制策略略取得良良好效果果的前提提与保证。（）混混合动力力系统的的控制策策略。在在工程机机械混合动力力系统中中，增加加了电动动发电电机、电电池、电电容等组成成的辅助助动力源源，能量量传递变变得复杂杂，如何管理能能量的流流动及合合理分配配各动力力元件的的功率，将对柴油油机的燃燃油经济济性及整整个混合合动力系系统的动力特性性有着重重要的影影响。（）混混合动力力工程机机械能量量回收系系统。根根据不同种类类、不同同液压系系统工程程机械的的特点，研研究合理的能能量回收收系统结结构方案案以及系系统关键键元件结构参数数的全局局匹配，使使之与自自身工况况相适应应，达到最佳佳的工作作状态，提提高能量量回收系系统的效效率。（下转第第页页）万方数据据建冠瓤械械（上上半月刊刊）拶涮、。，厂专题论论述髫。麓麓蠡。；嬲嬲缈的信息通通过这个控制制器来处处理，参参数和故故障信息息则送到显显示器显显示。基基于此，通通过个个相对独独立的总线系统统将整个个冷铣刨刨机系统统联系起起来，而而在这种通讯频频率下主主总线允允许最大大长度分分别为和，冷铣铣刨机的的总线系系统完全全可以满满足。结束语语（上接第第页页）（）混混合动力力系统的的可靠性性。工程程机械工工作条件差、散散热条件件苛刻以以及复杂杂的电磁磁环境等等对部件和系系统的散散热、电电磁兼容容性以及及防护性性等方面的要求求更为严严格。另另外混合合动力工工程机械械储能装置工作作电流大大、峰值值功率高高，需要要对储能能系统进行电气气、热管管理系统统等全面面的综合合设计，并并进行可靠性性和环境境适应性性等大量量的试验验研究。因因此，混合动力力系统的的可靠性性是工程程机械能能在恶劣劣的工作环境下下安全稳稳定运行行的重要要保证。（）混混合动力力工程机机械的操操控性。良良好的操操控性是评评价工程程机械性性能的一一个重要要指标。动动力系统驱动动方式的的改变及及动力元元件的增增加，影影响到工程机械械的操控控性能，表表现在两两方面：一是混混合动力驱动动系统的的控制量量增加；二是不不同于传传统的工程机械械通过对对液压系系统的控控制及其其自身调调节来保证操纵纵性。混混合动力力工程机机械是根根据整机机的动施工效率率、质量量、经济济性以及及故障的的智能化化诊断是冷冷铣刨机机智能化化的主要要实现目目标。本本文结合徐工冷铣铣刨机智智能化系系统的构构成分析析，分别从行行走速度度的自适适应控制制、柴油油机管理理、故障诊断、总总线网络络等方面面构建了了智能型型冷铣刨机的设设计框架架，文中中应用的的方法对对其它类类型工程机械的的智能化化实现也也具有借借鉴意义义。国内的一一些工程程机械生生产厂家家和研究究院校也也开始认识到混混合动力力技术的的重要性性，但多多数还停停留在实验阶段段。因此此，在混混合动力力技术的的成熟化化和市场化的道道路上，还还有很长长的一段段路要走走。参考文文献黄黄宗益，李李兴华，陈陈明液液压挖掘掘机节能能措施建筑机械械化，（）：高高峰，冯冯培恩，潘潘双夏等等液压压挖掘机机节能控控制综述述工程机机械与维维修，（）：兼浑佳佳行，大大望泰弘弘，河口口正等，卜夕叉于厶二二土弓掘掘削楼械械刃高劾劾率化自勤卓卓技衍会会学衍耩演刷刷集，：南南僚孝夫夫，今西西悦二郎郎，鹿兑兑岛昌之之八、），暑弋，作桨晴晴勤力夕夕三工一宣自勤卓卓技衍会学衍耩耩演前删删集，：筒井昭昭，南僚僚孝夫，吉吉松英昭昭等，、夕暑暑弋，力力镭勤油油压，夕夕手工工工一少夕夕叉于厶厶明凳自勤力性能及及负载的的要求，对对液压系系统实施施二次控控制的，因此此在节能能的同时时，保证证混合动动力工程程机械率技衍会会学衍耩耩演前刷刷集，：，具有良好好的操纵纵性能是是需要解解决的技技术难点点。在全球能能源面临临短缺和和对环保保日益关关注的今今天，混合合动力技技术已经经成为了了工程机机械节能能研究的热点，是是今后工工程机械械可持续续发展的的重要研研究方向。国国外各大大工程机机械制造造商和相相关研究究机构都对混合合动力工工程机械械的研究究越来越越重视，近近年来不断加加大研发发力度，已已开始达达到实用用化阶段段。，鹿鹿兄岛昌昌之，空空利雄，小小见山昌昌之八八夕、：）勤勤力源制制御叉于厶厶刃阴袋袋自勤勤卓技衍衍会学衍潦演演前刷集集，：万方数据据建筑托械械（上上半月刊刊）感谢您试试用AnnyBiizSooft 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