纯电驱矿用液压挖掘机电气储能系统综合能量管理策略研究|CJME论文推荐

引用论文

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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关于文章

研究背景及目的

露天矿场普遍具备发电能力，可通过电缆向纯电驱矿用挖掘机供电，使多台设备同时工作。装车作业时电机的需求功率随着负载的剧烈时变而大幅变化，峰值功率高达几百千瓦甚至几兆瓦。这限制了允许同时工作的用电设备数量，进而制约生产效率和作业进度。并且，在纯电驱挖掘机作业时，回转机构频繁起制动，大量的回转制动动能转换为电能会导致公用直流母线电压剧烈波动从而影响其它用电设备的安全。为了避免这一情况，当公用直流母线电压超过制动电阻的阈值电压时，接通制动电阻会造成大量的能量浪费。针对上述问题，本研究以纯电驱矿用液压挖掘机为研究对象，采用电机驱动主泵和回转平台，利用电气储能系统调节电网的输出功率，创新地设计了基于模糊规则功率前馈的直流母线电压预测控制综合能量管理策略以实现纯电驱矿用挖掘机高效可靠作业。

试验方法

以纯电驱矿用液压挖掘机驱动系统和储能系统为研究对象，建立其驱动系统和电气储能系统的数学模型以及纯电驱矿用挖掘机多体动力学联合仿真模型，设计了基于模糊规则功率前馈的直流母线电压预测控制综合能量管理策略，具体包括电气储能系统工作模式切换策略和基于模糊规则功率前馈的直流母线电压预测控制策略，通过直流母线电压和SOC值判断电气储能系统的工作模式，利用预测控制器和模糊规则来控制超级电容的输出功率和直流母线电压。并利用90°挖掘作业循环对不同驱动系统和能量管理策略的运行性能、能耗特性和运行成本展开对比研究。

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

结果

(1) 与基于确定规则、模糊规则和预测控制的三种能量管理策略相比，当电气储能系统的SOC初始值为50%时，一个90°挖掘作业循环前后，所提策略的SOC值变化量仅0.42%，可有效回收回转平台的制动动能和抑制直流母线电压波动。当电气储能系统的SOC初始值为80%时，经过一个挖掘作业循环后，其SOC值可回到63.3%，处于健康的工作范围，即30%~70%之间，在此期间仍可有效抑制直流母线电压的波动和降低电网的峰值功率。

(2) 与传统液压矿用挖掘机相比，所开发挖掘机的运行成本可降低54.02%；与未采用电气储能系统的纯电驱矿用挖掘机相比，所开发挖掘机的电网峰值功率可降低10%。为此，所开发的挖掘机不仅具有良好的经济收益，还具有较好的节能减排效果。

结论

本文所开发的纯电驱矿用液压挖掘机既可降低能耗和运行成本，还可降低电网的峰值功率，减少电网停电故障，使施工现场可容纳更多台拖线式纯电驱矿用挖掘机同时工作，确保施工现场持续高效可靠生产作业。

前景与应用

纯电驱矿用挖掘机的电气储能系统能量管理技术将通过优化驱动系统结构、改进储能技术、引入先进的智能控制算法和优化算法，实现对电机驱动系统和超级电容输出功率的智能管理以提高设备的工作效率和使用寿命、节省运营成本和降低污染物排放。

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关于作者

作者团队介绍

李运华，1994 年博士毕业于西安交通大学，现为北京航空航天大学长聘教授，机械电子工程学科博士生导师, 北航自动化学院学术委员会秘书长。主要学术与社会兼职有：IEEE高级会员，中国机械工程学会流体传动与控制分会委员兼液压专业委员会副主任，著名国际学术刊物的IEEE/ASME Transactions on Mechatronics主任编委（Senior Editor），国际学术刊物International Journal of Control Theory and Applications 的Associate Editor(副主编)，《液压气动与密封》主编，道路施工技术与装备教育部重点实验室(长安大学)学术委员会委员和中国力学学会流体控制工程专业委员会理事等。目前主要从事机械电子工程、液压传动与控制和车辆与工程机械领域的教学与科研工作。

杨丽曼（通讯作者），工学博士，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院副教授、硕士生导师。主持国家自然基金、国家重点研发计划课题等20余项；获省部级科技奖励5项；发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利20余项。

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