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【摘 要】液压挖掘机多采用柴油机——液压系统——多执行器驱动方案，耗油较高、排放较差，随着近年来能源短缺和环境污染问题的日趋严重，同时液压挖掘机是工程机械使用中排在首位的，所以它的节能问题越来越受到业界的重视。目前一种能改善排放质量的混合动力系统越来越受到工程机械领域专家和企业的关注。
【关键词】混合动力；液压挖掘机；节能
Application of hybrid technology in hydraulic excavator
Zhang Yue，Ni Bing-wei
(Jilin Vocational and Technical College Changchun Jilin 130012)
【Abstract】Hydraulic excavator used more diesel engine - hydraulic system - many actuators drive scheme, the higher fuel consumption, discharge is poorer, with the recent energy shortage and environmental pollution problems become increasingly serious, while the hydraulic excavator is ranked in the use of construction machinery first place, so it's energy problem more and more be industry attention. Currently a technique of improving the quality of hybrid system emissions is paid attention to more and more by engineering machinery field experts and enterprise's attention.
【Key words】Hybrid technology;Hydraulic excavator;Energy saving
液压挖掘机多采用柴油机——液压系统——多执行器驱动方案，耗油较高、排放较差，随着近年来能源短缺和环境污染问题的日趋严重，同时液压挖掘机是工程机械使用中排在首位的，所以它的节能问题越来越受到业界的重视。
在液压挖掘机等工程机械的节能方面的研究主要体现在三方面：提高工作元件性能、改进液压系统和改善柴油机——泵——执行元件的功率匹配。这些措施取得了一定的节能效果，但由于挖掘机工况复杂、负载波动剧烈，传统的液压挖掘机不能实现动力系统与负载的优化匹配，柴油机大部分时间工作在非高效区，因此燃油消耗高、排放差。目前的挖掘机采用转速感应控制实现发动机和泵的匹配，而在负载——泵环节，则采用负载传感控制或负流量控制。两个措施都是靠调节泵的排量来实现局部功率匹配的，因此，现有液压挖掘机不可能实现全局功率匹配，必须重新考虑挖掘机的动力系统的结构。目前一种能提高整体系统功率效率和改善排放质量的混合动力系统越来越受到工程机械领域的专家和企业的关注。
混合动力技术。
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。根据原动机种类的不同，混合动力系统理论上可以有多种形式，其中包括油电混合（发动机和电动机组合）和油液混合（发动机和带有液压蓄能器的液压马达/泵组合）。最常用的是油电混合。根据原动机配置形式的不同，混合动力分为串联式、并联式和混联式。
1. 油电混合动力系统
1.1 串联式油电混合动力系统。
发动机、发电机、电动机和外载四大基本构成采用“串联”方式组成驱动系统。如图1所示发动机输出动力全部通过发电机发电，实际上发动机和发电机组合可看作是一个电能供应装置，发动机不直接驱动外载。只有电动机驱动外载，当驱动电能有多余时可储存在储能装置中，当驱动电能不足时储能装置释放电能，协助发电机供电共同驱动外载。其优点是发动机与外载之间无机械连接，控制系统和控制策略都较简单。缺点是只有电动机驱动模式，其动力特性类似于电驱动，其装机功率大、体积和重量较大。工作时能量必须经过机械能→电能→机械能两次转换，效率不高，节能效果较不明显。
图1 串联油电混合动力系统
1.2 并联式油电混合动力系统。
发动机和驱动电机通过机械连接以并联方式驱动外载,可以实现以下三种驱动模式：发动机单独驱动、发动机和电动机共同驱动和电动机单独驱动。一般发动机驱动为主要模式，电驱动为辅助模式。由于发动机和电动机可以功率叠加共同驱动，因此可以采用功率小的发动机和电动机，减小装机功率，总成的尺寸较小、重量较轻、价格低。共同驱动模式下，发动机输出功率驱动外载时，多余的机械能可通过发电机发电储能；当动力不足时，储存电能又能通过电动机补充供能，起到“削峰填谷”作用。由于有发动机直接驱动模式，能量转换环节少，因此并联系统效率较高，节能效果较好。但并联式混合动力系统发动机、电机和外载之间通过机械相连接，结构设计布置较困难，控制方式和策略都较复杂。该系统如图2 所示。
图2 并联式油电混合动力系统
1.3 混联式油电混合动力系统。
混联式是串联式和并联式相结合，发动机用机械功率分流装置，分别通过离合器与驱动元件、发电机相连，可以通过结合和分离离合器，来实现串联或并联各种不同连接模式的转换，如图3所示。混联式扩大了传动方案的可能性，可实现复杂的能量组合和流动形式。设计者可寻找适合不同机械和不同工况下的最佳动力混合形式和复合传动方式。但设计和布置难度增大，系统结构复杂，会导致零部件数量增多，制造成本高，同时操纵和控制更为复杂。目前在汽车上已应用，但工程机械上作者尚未见有关具体报道。
图3 混联式油电混合动力系统
2. 油液混合动力系统
油液混合动力系统是由发动机和带有液压蓄能器的液压马达／泵作为混合动力源的一种新型的混合动力系统。该系统的关键部件为液
压马达／泵以及蓄能器。液压马达／泵可工作于四个象限，既能作液压泵又能作为液压马达。它能输出较大扭矩，可以减小发动机装机功率，降低排放，减少油耗，且结构紧凑。蓄能器的功率密度大，响应速度快，可以瞬时完成能量的充放。
现有研究的液压混合共有串联和并联两种模式。
2.1 串联式油液混合动力系统由发动机、变量泵、液压马达／泵、液压蓄能器和动力装置等以串联的方式组成，如图4所示。发动机驱动恒压变量泵为系统提供恒压动力油源。当发动机输出功率大于负载所需功率时，多余的能量通过变量泵存储在蓄能器中，液压马达／泵工作在马达状态，带动变量泵，从而驱动液压系统。当发动机动力不足，液压蓄能器作为辅助动力源带动液压马达／泵。当回收势能时，液压马达／泵工作在泵状态，往蓄能器中存储能量。串联系统避免了发动机与外界负载的直接联系，因此发动机可以在一个特定工况区域内相对稳定地运行。但是串联式系统能量传递环节多，能量损失和噪声相对较大，并且结构复杂、成本高。
图4 串联式油液混合动力系统
2.2 并联系统由发动机和液压蓄能器组成，如图5所示。其中发动机、液压马达／泵与挖掘机的变量泵同轴相连。系统可以工作在液压马达／泵单独驱动和发动机、液压马达／泵联合驱动两种模式下。在挖掘机怠速运行时可以关闭发动机，而在挖掘机装载挖掘时，由于工况复杂，为了使发动机工作在稳态模式，故需要由液压马达／泵弥补负载的不足。并联式静液传动混合动力系统整体效率高、元件体积小、噪声低，但是增加了一个能量环，因此控制难度大。
图5 并联式油液混合动力系统
通过以上混合动力技术的分析，采用混合动力技术能使液压挖掘机达到较好的节能减排效果，所以采用混合动力技术的挖掘机是顺应了节能减排的潮流。
［文章编号］1006-7619（2011）05-04-433
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】混合动力；液压挖掘机；节能
Application of hybrid technology in hydraulic excavator
Zhang Yue，Ni Bing-wei
(Jilin Vocational and Technical College Changchun Jilin 130012)
【Abstract】Hydraulic excavator used more diesel engine - hydraulic system - many actuators drive scheme, the higher fuel consumption, discharge is poorer, with the recent energy shortage and environmental pollution problems become increasingly serious, while the hydraulic excavator is ranked in the use of construction machinery first place, so it's energy problem more and more be industry attention. Currently a technique of improving the quality of hybrid system emissions is paid attention to more and more by engineering machinery field experts and enterprise's attention.
【Key words】Hybrid technology;Hydraulic excavator;Energy saving
液压挖掘机多采用柴油机——液压系统——多执行器驱动方案，耗油较高、排放较差，随着近年来能源短缺和环境污染问题的日趋严重，同时液压挖掘机是工程机械使用中排在首位的，所以它的节能问题越来越受到业界的重视。
在液压挖掘机等工程机械的节能方面的研究主要体现在三方面：提高工作元件性能、改进液压系统和改善柴油机——泵——执行元件的功率匹配。这些措施取得了一定的节能效果，但由于挖掘机工况复杂、负载波动剧烈，传统的液压挖掘机不能实现动力系统与负载的优化匹配，柴油机大部分时间工作在非高效区，因此燃油消耗高、排放差。目前的挖掘机采用转速感应控制实现发动机和泵的匹配，而在负载——泵环节，则采用负载传感控制或负流量控制。两个措施都是靠调节泵的排量来实现局部功率匹配的，因此，现有液压挖掘机不可能实现全局功率匹配，必须重新考虑挖掘机的动力系统的结构。目前一种能提高整体系统功率效率和改善排放质量的混合动力系统越来越受到工程机械领域的专家和企业的关注。
混合动力技术。
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。根据原动机种类的不同，混合动力系统理论上可以有多种形式，其中包括油电混合（发动机和电动机组合）和油液混合（发动机和带有液压蓄能器的液压马达/泵组合）。最常用的是油电混合。根据原动机配置形式的不同，混合动力分为串联式、并联式和混联式。
1. 油电混合动力系统
1.1 串联式油电混合动力系统。
发动机、发电机、电动机和外载四大基本构成采用“串联”方式组成驱动系统。如图1所示发动机输出动力全部通过发电机发电，实际上发动机和发电机组合可看作是一个电能供应装置，发动机不直接驱动外载。只有电动机驱动外载，当驱动电能有多余时可储存在储能装置中，当驱动电能不足时储能装置释放电能，协助发电机供电共同驱动外载。其优点是发动机与外载之间无机械连接，控制系统和控制策略都较简单。缺点是只有电动机驱动模式，其动力特性类似于电驱动，其装机功率大、体积和重量较大。工作时能量必须经过机械能→电能→机械能两次转换，效率不高，节能效果较不明显。
图1 串联油电混合动力系统
1.2 并联式油电混合动力系统。
发动机和驱动电机通过机械连接以并联方式驱动外载,可以实现以下三种驱动模式：发动机单独驱动、发动机和电动机共同驱动和电动机单独驱动。一般发动机驱动为主要模式，电驱动为辅助模式。由于发动机和电动机可以功率叠加共同驱动，因此可以采用功率小的发动机和电动机，减小装机功率，总成的尺寸较小、重量较轻、价格低。共同驱动模式下，发动机输出功率驱动外载时，多余的机械能可通过发电机发电储能；当动力不足时，储存电能又能通过电动机补充供能，起到“削峰填谷”作用。由于有发动机直接驱动模式，能量转换环节少，因此并联系统效率较高，节能效果较好。但并联式混合动力系统发动机、电机和外载之间通过机械相连接，结构设计布置较困难，控制方式和策略都较复杂。该系统如图2 所示。
图2 并联式油电混合动力系统
1.3 混联式油电混合动力系统。
混联式是串联式和并联式相结合，发动机用机械功率分流装置，分别通过离合器与驱动元件、发电机相连，可以通过结合和分离离合器，来实现串联或并联各种不同连接模式的转换，如图3所示。混联式扩大了传动方案的可能性，可实现复杂的能量组合和流动形式。设计者可寻找适合不同机械和不同工况下的最佳动力混合形式和复合传动方式。但设计和布置难度增大，系统结构复杂，会导致零部件数量增多，制造成本高，同时操纵和控制更为复杂。目前在汽车上已应用，但工程机械上作者尚未见有关具体报道。
图3 混联式油电混合动力系统
2. 油液混合动力系统
油液混合动力系统是由发动机和带有液压蓄能器的液压马达／泵作为混合动力源的一种新型的混合动力系统。该系统的关键部件为液
压马达／泵以及蓄能器。液压马达／泵可工作于四个象限，既能作液压泵又能作为液压马达。它能输出较大扭矩，可以减小发动机装机功率，降低排放，减少油耗，且结构紧凑。蓄能器的功率密度大，响应速度快，可以瞬时完成能量的充放。
现有研究的液压混合共有串联和并联两种模式。
2.1 串联式油液混合动力系统由发动机、变量泵、液压马达／泵、液压蓄能器和动力装置等以串联的方式组成，如图4所示。发动机驱动恒压变量泵为系统提供恒压动力油源。当发动机输出功率大于负载所需功率时，多余的能量通过变量泵存储在蓄能器中，液压马达／泵工作在马达状态，带动变量泵，从而驱动液压系统。当发动机动力不足，液压蓄能器作为辅助动力源带动液压马达／泵。当回收势能时，液压马达／泵工作在泵状态，往蓄能器中存储能量。串联系统避免了发动机与外界负载的直接联系，因此发动机可以在一个特定工况区域内相对稳定地运行。但是串联式系统能量传递环节多，能量损失和噪声相对较大，并且结构复杂、成本高。
图4 串联式油液混合动力系统
2.2 并联系统由发动机和液压蓄能器组成，如图5所示。其中发动机、液压马达／泵与挖掘机的变量泵同轴相连。系统可以工作在液压马达／泵单独驱动和发动机、液压马达／泵联合驱动两种模式下。在挖掘机怠速运行时可以关闭发动机，而在挖掘机装载挖掘时，由于工况复杂，为了使发动机工作在稳态模式，故需要由液压马达／泵弥补负载的不足。并联式静液传动混合动力系统整体效率高、元件体积小、噪声低，但是增加了一个能量环，因此控制难度大。
图5 并联式油液混合动力系统
通过以上混合动力技术的分析，采用混合动力技术能使液压挖掘机达到较好的节能减排效果，所以采用混合动力技术的挖掘机是顺应了节能减排的潮流。
［文章编号］1006-7619（2011）05-04-433
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