2.4.5 纯电动挖掘机典型案例
目前，华侨大学、浙江大学、福工、玉柴等均致力于小型纯电驱动工程机械的研究。目前关于纯电动挖掘机的研究仅采用电动机来模拟发动机的功能，并没有充分发挥出电动机相对发动机具有良好的转速控制特性的优点，同时对整机的电液控制也没有专门设计。在纯电动挖掘机研究方面的典型代表是华侨大学。自2011年起，华侨大学开始致力于纯电驱动挖掘机的关键技术突破及样机的研制。目前已经申请或授权了相关专利20项以上，研制了纯电动挖掘机专用电动机及电机控制器，并在2013年研制了一台6t型纯电驱动液压挖掘机，如图2-68所示。考虑到纯电驱动系统对能量密度的要求和能量回收工况对充电速度的要求，该机型的能量储存单元采用了电池和超级电容的复合储能单元。该机型每小时大约耗电30kW·h，每千瓦时按1元计算，则纯电驱动挖掘机每小时耗费30元，传统工程机械每小时耗费60元左右。由此可以看出，纯电动工程机械耗费大约为传统工程机械的50%。
图2-68 华侨大学研制电驱动液压挖掘机样机
1.整体特点
考虑到目前动力电池的能量密度难以保证纯电动挖掘机长时间工作的不足，且动力电池也难以快速储存能量，同时考虑到超级电容成本较高的缺点，华侨大学提出了一种基于动力电池和液压蓄能器的双动力电动机驱动的纯电驱动挖掘机，并研制出国内第一台采用液压蓄能器和动力电池的新型电液混合驱动挖掘机，如图2-69所示。
图2-69 华侨大学1.5t纯电驱动挖掘机原理图
1）采用双电机复合驱动。由于液压挖掘机的动力系统功率的峰值功率和平均功率差值较大。平均功率基本在峰值功率的50%～70%之间。通过双电机-双泵的全局功率匹配，保证电动机的高效工作，进而延长了动力电池充满电后的作业时间。
2）采用功率密度高的液压蓄能器和能量密度高的动力电池作为复合能源。液压蓄能器用来满足工程机械的剧变工况，动力电池用以保证整机的最小作业时间。
3）动臂势能采用了液压蓄能器和平衡液压缸的方案，解决了液压蓄能器压力对执行机构操控性影响的问题，具体原理参考第4章。
4）转台驱动采用液压蓄能器-液压马达和动力电池-电动机的双动力驱动方案。用液压马达保证转台制动和起动所需要的瞬时大功率，解决了动力电池难以快速储存和释放功率的不足之处；用电动机保证良好的转速控制特性，克服了液压马达难以精确控制转台速度的不足之处。
5）通过调整电动机的转速来优化液压泵流量与负载所需流量的匹配，采用定量泵代替变量泵。
6）自动怠速时，对液压蓄能器充油以建立起克服负载所需的压力，电动机的转速可降到液压泵允许的最低转速，从而实现节能、减噪，同时又保证了取消自动怠速时，依靠蓄能器的压力可以快速建立起负载所需压力。
2.新型电驱动液压挖掘机电动机驱动控制策略
针对工程机械的工况特点，作业要求，以及电动机及液压系统的工作参数等，研究动力系统工作于转矩模式、转速模式时的性能参数及动态特性，以及实现转矩、转速模式平滑切换的先进控制策略，同时提高动力系统的效率，达到优良的动态响应性能。采用基于主动负载预测的综合控制策略，即电动机转矩控制、转速控制相结合的复合控制策略，实现电驱动工程机械系统的协同优化控制，具体实施如下。
（1）转矩控制
根据液压挖掘机的作业要求，在不同工况下，为了实现良好的操控性，提高工作效率，需要液压泵的出口压力主动匹配负载的压力，由于定量泵的排量已知，即动力系统对电动机输出转矩值的大小以及动态性能要求苛刻。因此，课题在转矩控制环节以动力系统输出转矩为控制对象，根据液压挖掘机不同工作模式下对转矩输出的需求，结合负载转矩观测器输出量、先导压力信号等控制信息，转矩控制分为转矩加速模式和转矩恒定模式；采用PID控制来实现转矩的动态控制与双电动机转矩分配。为改善驱动系统的动态特性，根据转矩观测器目标值与电动机当前输出转矩值的偏差对PID参数在线整定，即在不同控制论域内设定不同的PID参数，实现输出转矩分段精确控制，改善转矩瞬态特性。
（2）转速控制
当液压挖掘机工作在诸如吊装、平整等精细操作模式时需要液压泵流量保持恒定而且流量较小，对定量泵而言即保持电动机一个较小的恒定转速。为提高液压挖掘机性能，避免液压系统发生抖动等不良现象的产生，动力系统期望电动机输出转速在无超调的前提下，快速、精确地逼近目标值，因此，考虑到纯电驱动动力系统和液压系统具有非线性、强耦合性、参数时变等特点，为了获得动力系统良好的转速特性，采用组合非线性反馈控制（CNF）策略实现转速的精确控制。CNF控制系统的跟踪过程快速、平滑且没有太大的超调，甚至无超调，且线性反馈控制和非线性反馈控制无需转换，能充分利用动力系统的控制能力。电驱动液压挖掘机控制策略原理图如图2-70所示。
3.动力总成控制方法
如图2-71所示。以工程机械装备中小型液压挖掘机为控制对象，研究电动机动态特性、过零死区、模式切换等对整机控制性能的影响；针对小型液压挖掘机具有工作模式多和负载复杂的特点，研究基于工况和模式识别的动力总成控制方法，包括基于电动机-定量泵流量控制代替传统变量泵控制的全局功率匹配控制策略，挖掘转矩控制、新型自动怠速控制，基于负载最大压力的压力加速优化控制等；研究基于压力反馈及控制信号输入等相关信息识别执行元件工作模式（自动怠速模式、功率匹配模式、精细操作模式、能量再生模式、挖掘模式、压力加速模式、行走优先模式）等的方法；根据不同工况时和动力源多目标的特点，研究不同工况模式下电动机与之匹配的目标信号。
图2-70 电驱动液压挖掘机控制策略原理图
图2-71 纯电驱动动力总成控制方法