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电动挖掘机能量回收系统设计：提出集成分布式-集中式电液作动器（HDCA），通过多目标优化方法平衡安装空间、功率与节能需求，创新性引入功率覆盖比率评估指标，仿真表明在3-7kW功率下较传统负载传感系统节能2.2%-15.6%。
穆鸿云|程敏|唐雄峰|李晓斌|蒋佩
中国重庆大学先进装备机械传动国家重点实验室，重庆400044
摘要：
电液静力执行器（EHA）在电动挖掘机中具有广阔的应用前景，因其具有节能潜力，但由于体积大、质量重和功率要求高的限制而尚未得到广泛应用。为了解决这些问题，本研究设计了一种集成式的混合分布式-集中式执行器（HDCA），该执行器采用四腔液压缸，EHA辅助原液压缸实现能量回收和负载差平衡。考虑到节能能力以及空间和功率的限制，提出了一种多目标设计方法，该方法包括EHA（分布式侧）和原液压缸（集中式侧）。引入了一种新的指标——功率覆盖比，用于评估挖掘机臂在随机四象限负载特性下的节能能力，并据此设计HDCA和阀门曲线。与传统EHA相比，集成式HDCA的体积减少了35.1%–50.9%，质量减少了15.6%–36.6%。针对6吨电动挖掘机的仿真结果显示，在选定的HDCA额定功率为3–7千瓦的情况下，电池能耗比传统负载感应（LS）系统降低了2.2%–15.6%。所提出的方法可用于设计满足不同安装空间、安装功率和能效要求的HDCA。
引言
随着全球对低碳发展的关注日益增加，近年来建筑机械的电气化变得越来越紧迫[1]，[2]。挖掘机在建筑、救援和采矿领域得到广泛应用，从而创造了巨大的市场潜力。电动化被认为是减少建筑机械排放的重要途径。然而，目前的电气化解决方案仅将发动机和燃料替换为电动机和电池。液压系统的低能效仍然是一个挑战，导致电池体积庞大且成本高昂[3]，[4]。
负载感应（LS）系统通过将泵压力控制在比负载压力高一定裕度的方式来匹配所需流量。由于其能效高和可控性可靠，该系统被广泛应用于小型/中型挖掘机和其他移动机械中。然而，该系统存在显著的能量损失，主要源于两种机制：节流损失和负载差损失。由于LS系统采用阀门控制电路，节流损失是不可避免的。通过多模式控制两个独立的控制孔口，独立计量控制可以有效减少节流损失[5]。此外，在多执行器复合运动过程中，由于负载差异，轻负载执行器的压力补偿器也会产生压力损失。以往的研究通过多种方法解决了这一问题。
(1)液压变压器。液压油通过高低共用压力轨（CPRs）供应，二次压力调节由液压变压器完成，以补偿负载差异。INNAS[6]，[7]对液压变压器进行了大量研究。李等人[8]用电动机替换了变压器，提出了一种混合液压-电动架构，使系统能耗降低了50%以上。最近的研究改进了结构设计、能量回收和建模方法，使变压器实现了更高的能效和控制性能[9]，[10]。然而，由于结构复杂，液压变压器的生产成本仍然很高，其商业化仍面临重大挑战[11]。
(2)多压力源。通过控制多个切换阀来匹配不同的压力源，以补偿负载差异。姚等人[12]提出了一种多压力源网络系统和功率管理策略，用于功率分配和能量回收，使发动机能耗降低了60.3%。还提出了一种使用多压力总线的液压系统[13]。此外，提出了一种利用遗传算法和模型预测控制的节流控制方法，在恶劣工作条件下避免使用位移传感器，同时将阀门损失降低了55%[14]。然而，多压力源系统需要多个泵、蓄能器和切换阀，导致结构相对复杂、成本较高且安装空间较大[15]。
(3)多腔液压缸。通过匹配不同有效面积的腔室来补偿负载差异[15]。Heybroek等人[16]提出了一种使用CPRs驱动四腔液压缸的驱动方案，并采用模型预测控制策略，使系统能效提高了71%。提出了一种可变活塞面积对称多腔液压缸的设计方法，并优化了切换规律，平均输入功率降低了54%[17]。王等人[18]提出了一种基于仿生肌肉驱动机制和负载匹配控制器的多腔液压缸驱动方案。然而，当执行器负载变化时，多腔液压缸需要频繁切换工作腔室，导致压力冲击和可控性较差的问题[19]。
(4)负载平衡单元。在LS系统中，用液压马达和电动机替代了压力补偿器。王等人[20]提出了一种节能的压力补偿液压系统，使能耗降低了30%以上。此外，还提出了一种新型的电液能量存储系统，使能耗降低了21.5%以上[21]。然而，由于液压马达和电动马达的响应速度较慢，无法保证压力补偿功能。
(5)分布式控制系统。每个液压执行器由独立的泵单元驱动。葛等人[22]提出了一种使用非对称泵的电液静力执行器（EHA）驱动方案，解决了流量不对称问题，同时将挖掘机臂的能耗降低了75%。在[23]中提出了一种开环EHA系统，将装载臂的能耗降低了三分之二。丁等人[19]将四腔液压缸与EHA系统和可变传动比结合使用，使峰值功率和能耗降低了20%以上。李等人[24]提出了一种使用主动机电执行器（EMA）和被动液压驱动的新型电液混合驱动系统，将挖掘机臂的能耗降低了70%。还提出了一种机电-液压混合执行器（EMHA）[25]，[26]，[27]，使用EMA进行运动控制，液压系统辅助功率输出。功率密度提高了154%，能耗降低了54%以上。然而，纯分布式控制系统存在安装功率高和安装空间大的问题[15]。
为了解决由负载差异和潜在能量引起的低能效问题，我们在之前的工作中提出了一种混合分布式-集中式负载感应（HDC-LS）系统[28]。其思想是通过将分布式执行器和原液压缸并联连接，建立一个混合分布式-集中式执行器（HDCA），以平衡负载差异并回收潜在能量。在挖掘机臂上的实验结果表明，该系统具有高能效和易于实现的优点。在本研究中，进一步讨论了HDCA的参数设计标准，因为需要考虑多个目标和约束条件，包括负载平衡能力、额定功率和安装空间。
相关多目标方法可以在混合电液系统中找到[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。罗等人[31]采用多目标遗传算法优化了电液混合系统，权衡了电池寿命、质量增加和能效之间的矛盾。提出了一个用于液压-机械无级变速器的多目标遗传算法优化框架，揭示了拖拉机爬坡能力和燃油消耗率之间的权衡[32]。林等人[33]提出了一种基于凸规划的框架，用于并行电液混合系统的同步参数优化，实现了组件尺寸和能量管理的协同设计。然而，这里讨论的多目标问题与这些研究有两个不同之处：1) HDCA的节能能力与随机负载特性以及HDCA的额定功率和质量相关联。2) 安装在臂上的HDCA对安装空间和缸体尺寸敏感，但难以预先明确指定约束条件。
为了解决这些问题，在随机四象限负载下仔细评估了HDCA的节能能力。此外，提出了一种针对HDCA和控制阀的多目标参数设计方法，以在有限的额定功率、有限的安装空间和节能能力之间进行权衡。设计并验证了一种带有四腔液压缸的集成HDCA，并在不同额定功率下的6吨电动挖掘机中进行了验证。主要贡献如下：
(1)引入了一种新的指标——功率覆盖比，用于评估HDCA的节能能力，考虑了挖掘机的随机四象限负载特性。通过将典型挖掘周期分为土壤交互阶段和自由运动阶段，建立了负载特性模型，特别考虑了HDCA对臂的附加质量。
(2)提出了一种多目标参数设计方法，考虑了额定功率和安装空间的限制以及节能能力。同时考虑了四腔液压缸的参数约束。在这种方法下，在明确的功率和隐含的空间约束下找到了一组最优解。随后，设计了HDCA，以提高效率同时确保控制性能。
本文的其余部分组织如下：第2节简要介绍了HDC-LS系统的布局和HDCA的设计挑战。第3节介绍了多目标参数设计方法。第4节进行了仿真研究。第5节提出了结论和未来工作。
部分摘录
HDC-LS系统布局
如图1(b)所示，HDC-LS系统的基本机制是通过将EHA（分布式侧）与原液压缸（集中式侧）并联连接来建立HDCA。EHA的效果类似于增强臂部强度的外骨骼，如图1(d)所示。利用EHA的四象限操作来平衡负载差异，如图1(b)所示。当HDCA是负载最大的执行器时，EHA施加辅助力
多目标设计
为了实现完全的负载平衡和能量回收，需要具有足够额定功率的EHA来适应挖掘机不同的负载条件。然而，EHA的额定功率受到臂部安装空间、安装功率和整机成本的限制。对于HDC-LS系统，参数设计的主要目的是在这些约束条件下确定HDCA的功率和尺寸。此外，由于HDCA的作用，控制阀也需要重新设计
仿真研究
本节建立了HDC-LS系统和传统LS系统的仿真模型，并比较了它们在不同设计参数下的运动和能耗特性。
结论与未来工作
本研究讨论了电动挖掘机的节能HDCA的多目标设计问题，考虑了随机四象限负载特性、额定功率和安装空间。建立了考虑HDCA质量的挖掘机臂的负载特性模型。根据分布式侧所需的输出力，引入了一个新的指标——功率覆盖比，用于评估HDCA的节能能力。
CRediT作者贡献声明
唐雄峰：研究、形式分析。程敏：项目管理、方法论、资金获取、概念化。蒋佩：软件、数据管理。李晓斌：监督、资源协调。穆鸿云：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52322503）和重庆市自然科学基金（资助编号：2024NSCQ-JQX0123）的支持。
