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引用論文

Qin, T., Li, Y., Quan, L. et al. A Novel Integrated Energy Management Strategy of Energy Storage System for a Pure Electric-Driven Mining Hydraulic Excavator. Chin. J. Mech. Eng. 38, 58 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01231-9

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研究背景及目的

露天礦場普遍具備發(fā)電能力，可通過電纜向純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)供電，使多臺設(shè)備同時工作。裝車作業(yè)時電機(jī)的需求功率隨著負(fù)載的劇烈時變而大幅變化，峰值功率高達(dá)幾百千瓦甚至幾兆瓦。這限制了允許同時工作的用電設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而制約生產(chǎn)效率和作業(yè)進(jìn)度。并且，在純電驅(qū)挖掘機(jī)作業(yè)時，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頻繁起制動，大量的回轉(zhuǎn)制動動能轉(zhuǎn)換為電能會導(dǎo)致公用直流母線電壓劇烈波動從而影響其它用電設(shè)備的安全。為了避免這一情況，當(dāng)公用直流母線電壓超過制動電阻的閾值電壓時，接通制動電阻會造成大量的能量浪費。針對上述問題，本研究以純電驅(qū)礦用液壓挖掘機(jī)為研究對象，采用電機(jī)驅(qū)動主泵和回轉(zhuǎn)平臺，利用電氣儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的輸出功率，創(chuàng)新地設(shè)計了基于模糊規(guī)則功率前饋的直流母線電壓預(yù)測控制綜合能量管理策略以實現(xiàn)純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)高效可靠作業(yè)。

試驗方法

以純電驅(qū)礦用液壓挖掘機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)為研究對象，建立其驅(qū)動系統(tǒng)和電氣儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)多體動力學(xué)聯(lián)合仿真模型，設(shè)計了基于模糊規(guī)則功率前饋的直流母線電壓預(yù)測控制綜合能量管理策略，具體包括電氣儲能系統(tǒng)工作模式切換策略和基于模糊規(guī)則功率前饋的直流母線電壓預(yù)測控制策略，通過直流母線電壓和SOC值判斷電氣儲能系統(tǒng)的工作模式，利用預(yù)測控制器和模糊規(guī)則來控制超級電容的輸出功率和直流母線電壓。并利用90°挖掘作業(yè)循環(huán)對不同驅(qū)動系統(tǒng)和能量管理策略的運行性能、能耗特性和運行成本展開對比研究。

Figure 1 Schematic diagram of pure electric-driven mining hydraulic excavator

Figure 2 Equivalent circuit of the d and q axes

Figure 3 Energy management strategy for an electric ESS

結(jié)果

(1) 與基于確定規(guī)則、模糊規(guī)則和預(yù)測控制的三種能量管理策略相比，當(dāng)電氣儲能系統(tǒng)的SOC初始值為50%時，一個90°挖掘作業(yè)循環(huán)前后，所提策略的SOC值變化量僅0.42%，可有效回收回轉(zhuǎn)平臺的制動動能和抑制直流母線電壓波動。當(dāng)電氣儲能系統(tǒng)的SOC初始值為80%時，經(jīng)過一個挖掘作業(yè)循環(huán)后，其SOC值可回到63.3%，處于健康的工作范圍，即30%~70%之間，在此期間仍可有效抑制直流母線電壓的波動和降低電網(wǎng)的峰值功率。

(2) 與傳統(tǒng)液壓礦用挖掘機(jī)相比，所開發(fā)挖掘機(jī)的運行成本可降低54.02%；與未采用電氣儲能系統(tǒng)的純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)相比，所開發(fā)挖掘機(jī)的電網(wǎng)峰值功率可降低10%。為此，所開發(fā)的挖掘機(jī)不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)收益，還具有較好的節(jié)能減排效果。

結(jié)論

本文所開發(fā)的純電驅(qū)礦用液壓挖掘機(jī)既可降低能耗和運行成本，還可降低電網(wǎng)的峰值功率，減少電網(wǎng)停電故障，使施工現(xiàn)場可容納更多臺拖線式純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)同時工作，確保施工現(xiàn)場持續(xù)高效可靠生產(chǎn)作業(yè)。

前景與應(yīng)用

純電驅(qū)礦用挖掘機(jī)的電氣儲能系統(tǒng)能量管理技術(shù)將通過優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)儲能技術(shù)、引入先進(jìn)的智能控制算法和優(yōu)化算法，實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和超級電容輸出功率的智能管理以提高設(shè)備的工作效率和使用壽命、節(jié)省運營成本和降低污染物排放。

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作者團(tuán)隊介紹

李運華，1994 年博士畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)長聘教授，機(jī)械電子工程學(xué)科博士生導(dǎo)師, 北航自動化學(xué)院學(xué)術(shù)委員會秘書長。主要學(xué)術(shù)與社會兼職有：IEEE高級會員，中國機(jī)械工程學(xué)會流體傳動與控制分會委員兼液壓專業(yè)委員會副主任，著名國際學(xué)術(shù)刊物的IEEE/ASME Transactions on Mechatronics主任編委（Senior Editor），國際學(xué)術(shù)刊物International Journal of Control Theory and Applications 的Associate Editor(副主編)，《液壓氣動與密封》主編，道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室(長安大學(xué))學(xué)術(shù)委員會委員和中國力學(xué)學(xué)會流體控制工程專業(yè)委員會理事等。目前主要從事機(jī)械電子工程、液壓傳動與控制和車輛與工程機(jī)械領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。

楊麗曼（通訊作者），工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師。主持國家自然基金、國家重點研發(fā)計劃課題等20余項；獲省部級科技獎勵5項；發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項。

近年團(tuán)隊代表性文章

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