纯电动泵车节能控制方法.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 210 背 景我国是能耗大国，能源相对短缺，对于能源的高效利用也是迫切要解决的问题，在工程机械领域也需要将高效率的系统作为设计和开发的重点。混凝土泵车作为泵送工具，具备布置灵活，施工效率高的特点，在市场上应用最为广泛；由于其需要长时间、大功率施工作业，势必需要消耗大量能源；然而现有泵车多为柴油驱动，具有污染严重的缺点。纯电动泵车通过电能驱动，由于电能可以通过风电、光电等清洁能源提供，可见纯电泵送方案对于减轻化石能源依靠有着明显作用。然而由于传统泵车多为柴油机驱动，控制方法也都是基于柴油机特点进行设计的，对于纯电动系统未必适用。综上所述，开发针对纯电泵车的控制方法，对于提高能源利用效率具有一定的研究价值。1 纯电动泵车动力系统纯电动泵车节能控制方法Reducing Energy Consumption Control Methods of Electric Pump Truck Based on Fast Adjustment of Motor Speed 张磊 曾维铨 刘朵(中联重科股份有限公司，湖南 长沙 410205；国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南 长沙 410205)摘要：从降低泵送能耗的角度出发，通过系统效率分析，并结合纯电动泵车的电机调速范围广的系统特点，制定了一种降低能耗的泵送速度控制方法，相对于传动的控制方式节能效果明显。关键词：纯电动泵车；控制方法；降能耗中图分类号：TU646 文献标识码：B如图 1 所示为某型号纯电动混凝土泵车动力系统示意图，驱动系统驱动车辆行驶；电机 1 与电机 2 分别带动各自泵组，实现相应功能；该系统可通过市电 380V 交流供电，也可以通过动力电池供电。图 2 为混凝土泵车泵送系统示意图，系统主要包括电机系统、主油泵、油缸、水箱、砼缸 等几部分。系统由主驱电机带动主油泵转动，主油泵将液压油泵向油缸，油缸中的油缸活塞通过推杆带动砼缸活塞进行推料和吸料。由于需要将混凝土输送到目标位置，泵送系统也是整个泵车耗能最大的系统，对于泵送系统的能耗优化正是本篇文章要重点介绍的内容。2 纯电动泵车节能控制方法2.1 泵送速度控制方法泵车泵送速度的控制方法：首先，用户通过控制遥控器上的档位旋钮下达档位目标，接着控制器根据收到的档位信息，计算出需求流量 Qreq；由于流量 Q 的值越大，单位时间内活塞做往复运动的频率越高；流量的计算公式为：Q=r V （1）直流快充图1 某型号纯电动混凝土泵车动力系统示意图图2 混凝土泵车泵送系统示意图22建设机械技术与管理 2023.04 式中：r 为泵的输入转速；V 为泵的排量；从图1可知，主驱电机的输出轴与主油泵的输入轴直连，泵的输入转速 r 就等于主驱电机的输出转速；排量 V 与泵的斜盘开度有关，斜盘开度越大泵的排量越大，对于变量泵可以通过控制泵的排量电流来控制泵的斜盘开度，泵的出厂参数说明中可以查到排量电流与泵的排量的对应关系曲线，并有相对关系：V=f()（2）式中：为变量泵的排量电流。综上所述，控制器算出需求流量 Qreq 后，通过特定的控制方法得到相应的目标排量 Qtar目标转速 rtar和目标排量电流 tar，通过目标转速 rtar控制电机转速，通过目标排量电流 tar控制泵的排量。图 4 为 本文所述的纯电泵车系统，应用传统泵送速度控制方法的实测数据，数据中 1 档至 6 档排量及转速的关系如图所示，为了实现泵送速度随着档位进行变化，传统控制方法采用使泵的转速 r 保持不变（图中为了方便观察，转速数值缩小了 10 倍），改变排量 V 来达到控制泵的流量 Q 的目的；从图中可以看出，随着档位从 6 档降到 1 档，泵的输入转速一直保持 1800rpm 不变，排量逐步降低，泵送速度也从起初的每分钟 18 次左右降低到了 5 次附近。可以肯定r图 3 泵送速度控制系统图4 传统泵送速度控制方法的是这样的控制方式确实起到了实现泵送速度跟随档位进行调节的效果。2.2 纯电动泵车泵送系统效率从图 2 中的泵送系统架构不难看出，影响纯电泵车泵送系统效率的主要部件是电机系统和主油泵；主油泵和电机系统的综合效率，基本决定了泵送系统的系统效率。图 5 为某液压泵不同排量下的效率 map 图，从图中可以发现如下规律：（1）相同转速和压力的条件下，液压泵的排量越大效率越高；（2）该泵的排量在 50%Vgmax以下，提高泵的排量对效率的提升较明显；（3）相同压力及排量情况下，泵的转速越低，效率越高。图 6 为某主驱电机系统在 580 伏电压下的效率 map 图，图中增加了等功率曲线；可以看出对于该电机系统而言，转速低于 rmin，电机效率下降明显；所以对于该电机系统的使用时，转速不应该低于 rmin，并且尽可能的使负载更大。图5 某液压泵不同排量下的效率 map 图图6 某主驱电机系统在 580 伏电压下的效率 map 图2023.04 建设机械技术与管理 23再结合图 4 的工况数据来分析一下，在图 4 中不难发现对于该系统，1 档、2 档、3 档 泵的开度均小于 50%Vgmax；根据上文分析，泵的排量越低其效率越低，在泵的排量低于50%Vgmax以下，泵的效率会大幅度下降，可见传统控制方法在低挡位泵送时对泵的效率利用不高。2.3 纯电动泵车节能控制方法根据之前对主泵的分析可知，主泵的排量越低效率越低，所以在控制时，需要尽量避免主泵排量低到一定程度，可以设定最低的控制排量为 Vmin（例如对于本文中的主油泵可以设置 Vmin为 50%Vgmax）；最高的设定控制排量 Vmax 可以等于泵的最大设计排量 Vgmax。根据之前对主驱电机系统的分析可知，电机系统在低转速时的效率不高，所以在设定程序时，也需要尽量避免电机转速低到一定程度。可以根据电机系统效率设定电机最低的转速为 rmin（例如对于本文中的电机系统可以设置 rmin为 700rpm），并根据系统所能承受的最高转速（电机的额定转速通常高于泵的最高转速）得到电机的最高设定转速 rmax。图 7 中阶段表示最低的流量阶段，此时档位处于 1档及以下，此时有最小流量 Qmin=rminVmin；阶段表示最高的流量阶段，此时档位处于最高档位，有最大流量 Qmax=rmaxVmax；阶段采取保持最低转速，增加排量的方式来提高流量，好处是可以尽可能保证油泵运行在低转速高排量的高效区域，此时电机效率损失有限，系统整体效率得到保障；阶段排量已经最大，通过提升转速来提高流量，从而提高泵送速度。相对于传统控制方法，在低挡位泵送时提高了泵的排量降低了泵的输入转速，提高了油泵的系统效率，降能耗优势明显。图 8 为具体的控制器流量控制过程，根据用户设置的档位设定泵送速度，计算出需求流量；再结合将能耗控制策略，根据需求流量得到电机的目标转速 rtar和主泵的目标排量 Vtar。得到了目标排量 Vtar之后，再通过公式（2），可以得到控制主泵的排量电流 tar；如图 3，控制器将目标转速发送到电机控制系统，将目标排量电流发送给变量调节机构，最终实现泵送速度的有效控制。3 实验分析用两种方法在同一台纯电动泵车上进行场内打水对比实验，保证两种方法实施过程中的环境因素相同，臂架高度相同，辅助电机的转速相同，记录低挡位泵送时的电池的输出功率、泵送速度等数据。档位泵送速度（次/分钟）辅助电机功率（kW）主驱电机功率（kW）电池输出功率（kW）14.61225.542.126.91235.150.339.61266.582.2表 1 原程序 1 档至 3 档能耗结果图 7 节能控制方法QreqQreq QminQmin Qreq QmidQmid Qreq QmaxQtar=Qmaxrtar=rmaxVtar=VmaxQtar=Qminrtar=rminVtar=VminQtar=QredVtar=Vminrtar=Qred/VminQtar=Qredrtar=rminVtar=Qred/rmin图 8 流量控制计算流程图 9 实验图片24建设机械技术与管理 2023.04 动装载机，其作业时零氧气消耗、对空气中氧含量无任何要求，很好地解决了在高原地区传统燃油装载机因“缺氧”引起的作业无力问题。5 结 论本文对电动装载机在环保、运营成本、NVH 性能、应用场景 4 个方面的优势进行了详细阐述与分析，研究发现：（1）相比年平均工作 3000h 的柴油装载机，电动装载机一年可以减少二氧化碳排放量 140t 左右，环保优势十分突出；（2）相比年平均工作 3000h 的柴油装载机，电动装载机每年可节约燃料使用成本约 26.5 万元和节约维修保养成本约1.3 万元；（3）相比传统柴油装载机，驾驶室内振动、噪声舒适性得到显著提升，机外辐射声功率大幅度降低；（4）相比传统燃油装载机，电动装载机对于易燃物料转运、噪音环保要求高、密闭空间、高原环境等应用场景优势突出。参考文献1 梁广华.我国推进碳中和意义及路径研究 J.未来与发展,2022(12):1-16.2 邵晖.浅谈电动装载机的发展应用与研究 J.中国新技术新产品,2020(24):14-16.3 杨斌,黄绵剑,刘浩然,等.电动装载机与传统装载机性能对比测试研究 J.建设机械技术与管理,2020(3):94-98.4 莫艳芳.纯电动装载机动力传动系统设计与开发 J.工程机械,2022,53(3):83-86.5 张强,韦海,罗庆玉,等.某型电动装载机电机噪声分析与优化 J.工程机械,2021,52(1):30-34.收稿日期：2023-03-03作者简介：李学，学士，工程师，主要从事电动装载机开发工作。上接第 20 页档位泵送速度（次/分钟）辅助电机功率（kW）主驱电机功率（kW）电池输出功率（kW）14.71213.528.826.91226.543.339.21249.367.1表 2 新程序 1 档至 3 档能耗结果通过对表 1 和表 2 的能耗测试结果对比可见，应用了新方法的程序在泵送低挡位工况打水实验中，达到相同泵送速度的能耗降低明显，每小时可节能 1015 度电。4 结 论本文首先介绍了新能源泵车的动力系统架构设计，对传统泵车泵送控制方法进行了介绍；然后作者经过对泵送系统效率分析，发现由于传统泵车泵送控制方法是基于发动机为动力源来设计的，考虑到发动机转速变化慢以及发动机转速不能过低的特点，为了保证发动机转速的稳定性，牺牲了低档位液压泵的效率；最后本文提出了针对纯电动泵车泵送系统的节能控制方法，在低档位工况相对于传统方法，并通过实验证明该方法在保证泵送速度的同时大幅度降低了系统能耗，具有很高的应用价值。参考文献1 陈宜通.混凝土机械 M.北京：中国建材工业出版社,2002.2 武四辈,曾发林.混凝土泵车节能控制策略研究 J.重型汽车,2008(4):9-11.3 朱建安,董忠红.水泥混凝土输送泵车整机模态 J.长安大学学报,2004(9):104-106.收稿日期：2023-04-24作者简介：张磊，硕士，工程师，主要从事新能源混凝土泵送机械软件控制方向的研发工作。