陳俊屹， 陳其懷， 林添良， 林元正， 付勝杰

(華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，福建廈門 361021)

引言

隨著全球的環(huán)境污染日益嚴重以及資源儲量匱乏，各個國家都越來越重視對節(jié)能減排的研究[1]，工程機械的節(jié)能減排已經(jīng)成為國內(nèi)外的熱點研究對象之一。相比傳統(tǒng)的工程機械，電動化工程機械的節(jié)能效果十分顯著，能源利用率高，排放污染物大幅度減少甚至能做到零排放；因此，工程機械電動化是節(jié)能減排的最為理想的驅(qū)動方式之一。

電動化在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]，而在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用還處在起步階段。隨著電動化工程機械的研究熱度的提升，國內(nèi)外的工程機械廠商為了進行技術(shù)儲備，都開始著手研發(fā)各種電動化工程機械，其中最具代表性的機種就是電動挖掘機。國外在電動挖掘機研發(fā)取得進展的廠商主要有卡特彼勒、沃爾沃、日本神戶制鋼、日本小松等公司，而國內(nèi)同樣也有三一重工、徐工集團、柳工、華南重工、山河智能等公司對電動挖掘機進行研制。而電動挖掘機可以按照不同供電方式分為電纜供電型、外接電源供電型、電池供電型以及電池電纜復(fù)合供電型4種類型。電纜供電型采用電網(wǎng)直接供電，如圖1所示，該類型挖掘機沒有作業(yè)時長的限制，作業(yè)成本非常低，但是需要實時接入電網(wǎng)，因此工作的范圍以及靈活性會受到極大的約束；外接電源供電型挖掘機則通過外接一個單獨的電池電源車來解決電纜供電型取電難的問題，如圖2所示相比前2種類型，電池供電型挖掘機就沒有因取電問題所帶來的靈活性不足的問題，電池供電型是把電池與電控系統(tǒng)直接安裝在整機上，電池的容量直接決定了挖掘機的作業(yè)周期，如圖3所示為華僑大學(xué)與華南重工合作研發(fā)的國內(nèi)第一臺電池供電型電動挖掘機；電池電纜復(fù)合供電型為電纜與電池相結(jié)合，根據(jù)用戶及工作場地需求來選擇供電類型。

圖1 SWE25E電動挖掘機

圖2 外接電源供電型挖掘機

圖3 國內(nèi)第一臺電池供電型挖掘機

在高校與科研機構(gòu)方面，對于電動挖掘機的研究較少，研究的主要重點在于如何提高電動挖掘機的節(jié)能性。劉彬等[5]對小型電動液壓挖掘機進行了功率匹配及能效性研究，采用交流異步電機與電控變量泵組成動力源，結(jié)合進出口獨立控制技術(shù)，實現(xiàn)了能耗的降低；黃偉平等[6-8]提出基于變頻電機調(diào)速和液壓蓄能器輔助驅(qū)動的負載壓力適應(yīng)型自動怠速控制系統(tǒng)及分段劃分控制策略，如圖4所示，與傳統(tǒng)的挖掘機相比，該系統(tǒng)在怠速工況的節(jié)能效率達到67%；王浪等[9]對電動挖掘機動力總成展開研究，提出了變轉(zhuǎn)速代替變排量控制來實現(xiàn)負載敏感功能，得到較好的操控性與節(jié)能性，其原理圖如圖5所示。

在節(jié)能減排的大趨勢下，工程機械電動化技術(shù)已經(jīng)成為未來發(fā)展必然方向。但是，現(xiàn)今大部分企業(yè)對電動化挖掘機的研究還停留在如何把電機簡單地替代傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機，來實現(xiàn)挖掘機本身的功能，并沒有深入地研究純電驅(qū)動如何與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，沒有充分發(fā)揮出電動機相比柴油發(fā)動機具有良好的調(diào)速特性的優(yōu)勢。本研究綜合電動機與挖掘機液壓系統(tǒng)，以充分發(fā)揮電動機的調(diào)速特性來優(yōu)化挖掘機整機的操控性為目的，探究適合電動挖掘機的控制方法。

圖4 負載壓力適應(yīng)型自動怠速控制系統(tǒng)原理圖

圖5 基于變轉(zhuǎn)速控制的定量泵負載敏感系統(tǒng)原理圖

1 電動挖掘機動力總成基本結(jié)構(gòu)

電動挖掘機是由上架與下架兩部分組成，上架包含鏟斗、斗桿、動臂以及與其對應(yīng)的油缸等執(zhí)行機構(gòu)；下架主要由行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及推土鏟構(gòu)成，這些與傳統(tǒng)的挖掘機的機械結(jié)構(gòu)一致。電動挖掘機與傳統(tǒng)的挖掘機的差異主要體現(xiàn)在動力總成部分，一般的挖掘機動力總成系統(tǒng)都會包含能量單元、原動機以及液壓系統(tǒng)三部分。傳統(tǒng)挖掘機的能量單元都是由燃油提供，原動機則是對應(yīng)的燃油發(fā)動機。電動挖掘機的動力總成系統(tǒng)如圖6所示，其能量單元由以電池為主的系統(tǒng)構(gòu)成，原動機由電機控制器與電機構(gòu)成，液壓系統(tǒng)方面與傳統(tǒng)的挖掘機并無差異，需要匹配電池與電機組成的系統(tǒng)。由于電動挖掘機的能量是由電池提供的，動力總成系統(tǒng)中還需要有高壓管理單元來控制電能的合理分配，以及需要低壓系統(tǒng)對低壓輔件、低壓控制單元供電。

圖6 電動挖掘機動力總成系統(tǒng)簡圖

液壓挖掘機是一種典型的多執(zhí)行器復(fù)合動作的工程機械，因此，液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計直接影響整機的性能。如今，液壓挖掘機一般采用正流量系統(tǒng)、負流量系統(tǒng)或者負載敏感系統(tǒng)。正流量系統(tǒng)利用正比例控制系統(tǒng)的輸出信號與輸入信號成正比，即先導(dǎo)手柄的壓力上升會使泵的排量變大，反之壓力下降會使泵排量減小，來實現(xiàn)流量匹配；負流量系統(tǒng)則是先導(dǎo)壓力與泵的排量成反比；負載敏感系統(tǒng)不同于前兩者，其采用閉中心多路閥，先是利用梭閥選擇最大的執(zhí)行器壓力，把壓力反饋至負載敏感泵，調(diào)節(jié)泵的排量，使得泵出口壓力高于最大執(zhí)行器壓力一個固定的壓差值，如圖7所示，由于泵出口壓力高于每個執(zhí)行器壓力，所以各個執(zhí)行器的流量分配不再受負載壓力影響，流量分配就只與多路閥各閥芯有關(guān)，使得挖掘機有良好操控性。相比正流量系統(tǒng)與負流量系統(tǒng)而言，負載敏感系統(tǒng)更具有節(jié)能的效果[10]，因為負載敏感系統(tǒng)的流量分配特性使得泵的出口流量約等于各個執(zhí)行器所需流量之和。綜上所述，負載敏感系統(tǒng)從節(jié)能與操控性角度，更加適合電動挖掘機。

2 雙變動力總成控制的負載敏感系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)的挖掘機的負載敏感系統(tǒng)采用燃油發(fā)動機作為原動機，因此基本都是使燃油發(fā)動機定轉(zhuǎn)速來驅(qū)動負載敏感泵，利用負載敏感泵變排量來實現(xiàn)流量匹配；而電動挖掘機采用的是電機作為原動機，電機具有良好的調(diào)速特性，負載敏感系統(tǒng)需要根據(jù)電機的新特性調(diào)整原本的流量匹配方式。

圖7 負載敏感系統(tǒng)原理簡圖

2.1 定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)

定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)一般是傳統(tǒng)挖掘機所采用的的控制方式，傳統(tǒng)的原動機以固定轉(zhuǎn)速運行工作，流量匹配依靠負載敏感泵的變排量來實現(xiàn)。但是，挖掘機是一種典型的多執(zhí)行器復(fù)合動作的工程機械，在其作業(yè)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)流量飽和的現(xiàn)象。圖8為某型號8 t電動挖掘機的在定轉(zhuǎn)速800 r/min下負載敏感壓差曲線，負載敏感壓差Δp是由泵出口壓力傳感器采得的壓力減去LS口的壓力取得的，負載敏感泵設(shè)定壓差為1.6 MPa，溢流壓差為2.5 MPa，而在挖掘機一個工作周期內(nèi)時間占比較大的壓差為流量飽和工況壓差，此時負載敏感壓差低于泵的設(shè)定壓差，挖掘機多執(zhí)行器在工作時中流量需求大于泵所能夠提供的流量大小，出現(xiàn)了流量飽和的情況。

流量飽和工況在挖掘機工作時頻繁出現(xiàn)會十分影響整車系統(tǒng)的操控性與節(jié)能性。在流量飽和出現(xiàn)的時候，負載敏感系統(tǒng)為了不讓多執(zhí)行器復(fù)合動作時出現(xiàn)流量分配失調(diào)的問題，多路閥各節(jié)流口前后壓差會隨著流量飽和的不同程度而改變，從而改變二次先導(dǎo)壓力與執(zhí)行器速度之間的對應(yīng)關(guān)系。對于用戶而言，就體現(xiàn)在手柄的操作性會隨著流量飽和的不同程度而發(fā)生改變，挖掘機整機系統(tǒng)操控性差；并且，在流量飽和與非流量飽和過渡時，執(zhí)行器的速度會發(fā)生突變，存在安全隱患。在節(jié)能性方面，當(dāng)挖掘機工況經(jīng)常出現(xiàn)流量飽和的時候，駕駛員為了提高作業(yè)操作性，會主動提高原動機的轉(zhuǎn)速擋位，但是，在系統(tǒng)流量總需求較小的工況時，負載敏感泵會自動調(diào)節(jié)排量在低排量區(qū)間，使得系統(tǒng)效率降低、節(jié)能性差。因此，傳統(tǒng)的電動挖掘機的負載敏感系統(tǒng)僅僅用電機代替了之前的燃油發(fā)動機，依舊會出現(xiàn)流量飽和工況問題，沒有最大程度發(fā)揮電動機相對燃油機良好的調(diào)速特性[11]。

圖8 負載敏感壓差實測曲線

圖9 雙變動力控制的負載敏感系統(tǒng)原理圖

2.2 雙變動力控制的負載敏感系統(tǒng)

為了避免定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)存在的流量飽和的現(xiàn)象，同時考慮到變量泵在低排量區(qū)間效率較低，提出一種雙變動力總成控制方法，其控制系統(tǒng)原理圖如圖9所示。該系統(tǒng)采用LUDV負載敏感系統(tǒng)，采用永磁同步電機來驅(qū)動負載敏感泵，與定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)最大不同為電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)系統(tǒng)工況狀態(tài)主動控制，而負載敏感泵排量根據(jù)流量變化自適應(yīng)匹配，這兩部分組成了雙變動力控制的動力源。此外，該系統(tǒng)還對液壓先導(dǎo)系統(tǒng)進行了電控化，如圖9所示，先導(dǎo)手柄不再與多路閥的先導(dǎo)油路直接相連，先導(dǎo)手柄通過壓力傳感器把先導(dǎo)壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，便于控制器采集，多路閥與電控比例減壓閥相連，使用電控比例減壓閥對多路閥輸出先導(dǎo)壓力。因此，該系統(tǒng)的工作過程為：先導(dǎo)手柄輸出先導(dǎo)壓力，通過傳感器采集至控制器，控制器通過雙變動力總成控制策略對電控比例電磁閥進行控制，最終多路閥控制各個執(zhí)行器。

與傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)相比，雙變動力控制的負載敏感系統(tǒng)具有更大的流量調(diào)節(jié)范圍。以某型號8 t挖掘機為例，負載敏感泵一般具有10～11倍的排量變換范圍，而電機轉(zhuǎn)速范圍一般約為800～2600 r/min，所以電機轉(zhuǎn)速變換范圍約為3～4倍，整個系統(tǒng)的流量變換范圍約為30～40倍。因此，該系統(tǒng)可以在高速大流量工況下，通過同時提高轉(zhuǎn)速與排量來避免流量飽和，提高挖掘機的操控性；當(dāng)工況為低速小流量時，通過同時降低轉(zhuǎn)速與排量來實現(xiàn)流量匹配，提高挖掘機的節(jié)能性。

3 雙變動力總成控制策略研究

3.1 雙變動力控制系統(tǒng)動力源效率特點分析

雙變動力控制系統(tǒng)工作過程中，當(dāng)執(zhí)行器所需總流量在系統(tǒng)能提供的最小與最大流量之間時，必定存在不同的轉(zhuǎn)速與排量的組合都可以滿足同一個目標流量的情況。因此，對于雙變動力控制系統(tǒng)需要考慮電機與泵的工作效率，以提高效率，降低能耗，達到節(jié)能的效果。斜盤式柱塞泵效率圖，如圖10所示，圖中U形曲線為泵效率ηp曲線，斜線為各個排量比i所對應(yīng)的容積效率ηV曲線。泵的效率在工作范圍內(nèi)波動較大。變量泵的效率受排量的影響最大，隨著排量的增大而增大；而變量泵效率隨著壓力的增大，先增大后緩慢減小。由于變量泵的工作壓力取決于負載，無法進行調(diào)定，所以要使該變量泵效率在高效區(qū)間，需要讓泵盡量工作在大排量狀態(tài)。

永磁同步電機效率MAP圖如圖11所示，永磁同步電機效率是隨著轉(zhuǎn)速與扭矩變化的，但是在挖掘機正常工作范圍內(nèi)，其電機效率均在90%以上。為了使雙變動力控制系統(tǒng)工作在高效區(qū)間內(nèi)，雙變動力總成控制策略需要讓變量泵盡量工作在高排量比區(qū)間內(nèi)。

圖10 斜盤式柱塞泵效率圖

圖11 永磁同步電機的效率MAP圖

3.2 基于分級壓差控制的雙變動力控制策略

雙變動力控制的負載敏感系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速n與泵排量q都會隨負載變化而改變，為了充分發(fā)揮其雙變量調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，并且在高效的區(qū)間工作，提出了基于分級壓差控制的雙變動力控制策略，其控制原理圖如圖12所示。

由圖12可以看出，基于分級壓差控制的雙變動力控制策略是對電機轉(zhuǎn)速進行壓差閉環(huán)控制，通過電機的變轉(zhuǎn)速控制來維持負載敏感系統(tǒng)壓差的恒定。對泵出口壓力pp與最高負載壓力pLmax信號作差值,求得實際負載敏感壓差Δp，讓實際負載敏感壓差Δp與變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm相比較，求得控制偏差，然后通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器求得控制轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)實際電機轉(zhuǎn)速限制得到最終目標轉(zhuǎn)速n*，對電機進行控制。而對于整個雙變動力控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)存在3種壓差值，包括溢流壓差Δp0、變排量設(shè)定壓差Δpp以及變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm，這3種壓差設(shè)定值依次減小。

對雙變動力控制的負載敏感系統(tǒng)進行分級壓差設(shè)置后，隨著目標流量從零需求開始增加，整個系統(tǒng)將出現(xiàn)如圖13所示的5個階段：第1階段為空載溢流階段，執(zhí)行器需求流量為0，泵出口流量全部經(jīng)過多路閥溢流回油箱，負載敏感實際壓差為Δp0，電機轉(zhuǎn)速與泵排量都為最小值，此時系統(tǒng)流量為最小流量Qmin；第2階段為小流量階段，執(zhí)行器目標流量逐漸增加，但還有部分泵出口流量溢流回油箱，所以實際壓差依舊為Δp0；第3階段為變排量調(diào)壓階段，此時執(zhí)行器的目標流量增大至與系統(tǒng)最小流量相等，實際壓差變?yōu)樽兞勘迷O(shè)定壓差Δpp；第4階段為變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段，該階段變量泵排量增大至最大值，使得變量泵無法通過增大排量來維持壓差穩(wěn)定，壓差持續(xù)下降至Δpm時，電機開始隨著目標流量增加而提高轉(zhuǎn)速，使壓差穩(wěn)定在Δpm；第5階段為流量飽和階段，當(dāng)執(zhí)行器目標流量繼續(xù)增大，電機轉(zhuǎn)速到達最大值，此時流量只能以最大流量Qmax輸出，實際壓差無法維持在Δpm，出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象。

圖13 等效執(zhí)行器流量及實際負載敏感壓差變化曲線

基于分級壓差控制的雙變動力控制策略可以最大限度地優(yōu)化流量飽和問題，實現(xiàn)全變量范圍的流量匹配。在空載工況下，電機轉(zhuǎn)速和泵排量為最小值，將空載損耗降到最低；在低速小流量工況下，電機在最低轉(zhuǎn)速運行，通過改變泵排量來匹配流量；在高速大流量下，泵排量達到最大值時，通過增加電機轉(zhuǎn)速使壓差得以穩(wěn)定，避免流量飽和的情況發(fā)生；該控制策略只有在電機轉(zhuǎn)速與泵排量都達到最大值還無法滿足目標流量時，才會出現(xiàn)流量飽和工況。整個控制過程都遵循讓變量泵盡量工作在高排量比區(qū)間內(nèi)，因此，這種控制策略方案能使動力源在高效區(qū)間運行。

4 仿真分析

根據(jù)圖12的基于分級壓差控制的雙變動力控制系統(tǒng)原理圖，建立AMESim仿真模型，如圖14所示。

圖14 基于分級壓差控制的雙變動力控制系統(tǒng)AMESim仿真模型

表1 雙變動力控制系統(tǒng)主要設(shè)置參數(shù)

為了方便驗證雙變動力控制策略的可行性，對該AMESim仿真模型進行以下處理[12]：

(1) 采用比例換向閥模擬多路閥換向功能；

(2) 采用比例溢流閥模擬執(zhí)行器進行加載；

(3) 采用機械庫中的變轉(zhuǎn)速電機模擬永磁同步電機且忽略效率影響；

(4) 采用液壓庫中變量泵模型模擬斜盤式軸向柱塞泵且忽略效率影響。

為了使變排量調(diào)壓階段與變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段的操控一致性，設(shè)置標準時變轉(zhuǎn)速設(shè)定壓差Δpm比變排量設(shè)定壓差Δpp低0.2 MPa，因此，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

通過試湊法對抗積分飽和PI調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定，先導(dǎo)壓力的設(shè)定變化曲線如圖15所示。進行仿真分析得到如圖16與圖17所示的仿真結(jié)果。

圖15 先導(dǎo)壓力的設(shè)定變化曲線

由圖16曲線分析可得：

(1) 在0～1 s區(qū)間內(nèi)，先導(dǎo)壓力為0，電機轉(zhuǎn)速恒為800 r/min，泵出口流量為系統(tǒng)所能提供的最低流量，負載敏感壓差為2.5 MPa；

(2) 在1～4 s區(qū)間內(nèi)，隨著先導(dǎo)壓力的上升，經(jīng)流溢流閥的流量逐漸減小直至溢流閥關(guān)閉，在1.6 s時，溢流閥完全關(guān)閉，泵的排量逐漸上升，負載敏感壓力逐漸下降并穩(wěn)定在1.6 MPa，3.9 s時，泵排量比達到100%，負載敏感系統(tǒng)壓差繼續(xù)下降；

(3) 在4～9 s區(qū)間內(nèi)，負載敏感壓差降至1.4 MPa時，電機轉(zhuǎn)速開始逐漸上升，負載敏感壓差穩(wěn)定在1.4 MPa，而泵排量比維持在100%；

(4) 在9～12 s區(qū)間內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速在9 s時達到最大轉(zhuǎn)速2600 r/min，此時泵出口流量達到系統(tǒng)最大值為197.6 L/min，隨著先導(dǎo)壓力繼續(xù)增加，負載敏感壓差下降進入流量飽和工況。

由圖17負載流量仿真曲線可以得到，負載流量1與負載流量2保持良好的一致性。在1～8 s區(qū)間內(nèi)，為斜坡信號響應(yīng)階段，其差值占比低于1.5%；在8～10 s大流量輸出階段，其差值占比低于3%。由此可得，包括流量飽和階段在內(nèi)，整個過程系統(tǒng)流量匹配基本不受到負載壓力影響。

圖16 負載敏感壓差、電機轉(zhuǎn)速、泵排量比及泵出口流量仿真曲線

圖17 負載流量仿真曲線

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，基于分級壓差控制的雙變動力控制策略可以通過變轉(zhuǎn)速與變排量實現(xiàn)全范圍流量匹配，最大程度避免流量飽和的情況發(fā)生，而且分級壓差控制對負載敏感及抗流量飽和基本無影響，系統(tǒng)具有良好的操控性。

圖18 試驗樣機系統(tǒng)原理圖

5 試驗研究

為了進一步驗證雙變動力總成控制策略的實際效果，搭建了一套8 t電動挖掘機的試驗樣機。由于試驗過程中執(zhí)行器加載無法較精確的控制，所以采用比例溢流閥對執(zhí)行器進行模擬加載，整個試驗樣機原理圖，如圖18所示。采用4個比例溢流閥分別模擬動臂聯(lián)以及斗桿聯(lián)的加載情況，并且使用流量計對泵出口流量及各個支路流量進行采集，各個支路的負載壓力通過壓力傳感器采集。

進行試驗時，先對多路閥某一聯(lián)施加如圖19所示的先導(dǎo)壓力信號曲線。經(jīng)過試驗可以得到如圖20所示的試驗結(jié)果。

由圖20可得，在1 s時，先導(dǎo)壓力開始逐漸上升，由于實際多路閥閥芯存在遮蓋量，使得在2.6 s時才有流量通過節(jié)流口進入執(zhí)行器，此時負載敏感壓差開始下降，當(dāng)變量泵排量從最小開始上升時，負載敏感壓差穩(wěn)定在1.6 MPa左右；隨著先導(dǎo)壓力繼續(xù)上升，變量泵排量逐漸上升直至達到最大值，為了穩(wěn)定負載敏感壓差在調(diào)定值1.4 MPa左右，此時電機轉(zhuǎn)速從最低轉(zhuǎn)速開始上升；最終，先導(dǎo)壓力信號達到最大值，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1400 r/min。從試驗結(jié)果可以得到，負載流

圖19 先導(dǎo)壓力信號曲線

圖20 分級壓差控制曲線

量在變排量調(diào)壓階段與變轉(zhuǎn)速調(diào)壓階段都能很好地跟隨先導(dǎo)壓力曲線的變化，在2個階段轉(zhuǎn)換過程存在約為100 ms的遲滯，對操控性能影響較小。

電機轉(zhuǎn)速分別在800 r/min與2000 r/min固定轉(zhuǎn)速工作，分別輸入圖19先導(dǎo)壓力信號，進行雙變動力控制負載敏感系統(tǒng)的對比試驗，得到如圖21與圖22所示的結(jié)果曲線。從圖中可知，2000 r/min定轉(zhuǎn)速負載敏感壓差最后穩(wěn)定在變排量泵調(diào)定壓差1.6 MPa，流量約為108 L/min；分級壓差控制穩(wěn)定在1.4 MPa，流量約為105 L/min；800 r/min定轉(zhuǎn)速因供油不足進入流量飽和，壓差穩(wěn)定在0.6 MPa，流量約為59 L/min。

圖21 負載敏感壓差對比曲線

圖22 負載流量對比曲線

分級壓差控制及2000 r/min定轉(zhuǎn)速控制的電機功率對比曲線，如圖23所示?？蛰d運行階段，2000 r/min 定轉(zhuǎn)速的電機功率約為7.7 kW，而分級壓差僅約為2 kW，降低了74%的空載損耗；當(dāng)先導(dǎo)壓力上升至最大時，2000 r/min定轉(zhuǎn)速的功率約為21 kW，而分級壓差約為17 kW，降低了19%的能量損耗。因此，在這整個過程中，分級壓差控制比2000 r/min定轉(zhuǎn)速控制降低了19%～74%的能量損耗。

綜上所述，從試驗結(jié)果可得：

(1) 基于分級壓差控制的雙變動力總成控制策略可以實現(xiàn)良好的流量跟隨；

(2) 與定轉(zhuǎn)速-變排量負載敏感系統(tǒng)相比，分級壓差控制可以解決傳統(tǒng)挖掘機在低轉(zhuǎn)速下工作時的流量飽和問題，提高挖掘機操控性；

(3) 分級壓差控制可以明顯降低在高轉(zhuǎn)速工況下，流量匹配不合適導(dǎo)致的能量損耗，節(jié)能性能提高19%以上。

圖23 電機功率對比曲線

6 結(jié)論

(1) 利用電機相比柴油機具有良好的調(diào)速特性，針對電動挖掘機提出基于分級壓差控制的雙變動力控制策略。通過對變排量壓差及變轉(zhuǎn)速壓差的分級設(shè)置，對電機與泵排量進行分階段控制，最大程度避免流量飽和工況的發(fā)生；

(2) 利用AMESim仿真分析證明了基于分級壓差控制的雙變動力控制策略的可行性，結(jié)果表明分級壓差控制系統(tǒng)可實現(xiàn)雙變動力源全變量范圍的流量自匹配，最大程度避免了流量飽和工況的發(fā)生，且系統(tǒng)具有良好的操控性；

(3) 通過試驗驗證了基于分級壓差控制的雙變動力控制策略的具有良好的流量跟隨性，解決了傳統(tǒng)挖掘機在低速定轉(zhuǎn)速時流量飽和的問題，高轉(zhuǎn)速時節(jié)能性提高了19%以上。