高功率密度集成电液换能器用于重型混合型非公路工作车辆外文翻译资料

High power density integrated electro-hydraulic
energy converter for heavy hybrid off-highway
working vehicles

Pavel Ponomarev1, Rafael Aring;man2, Heikki Handroos2, Paula Immonen1, Juha Pyrhouml;nen1,Lasse Laurila11Laboratory of Electrical Drives Technology, Lappeenranta University of Technology, Skinnarilankatu 34,53850 Lappeenranta, Finland 2Laboratory of Intelligent Machines, Lappeenranta University of Technology, Skinnarilankatu 34,53850 Lappeenranta, Finland E-mail: pavel.ponomarev@lut.fi

Abstract: Novel high power density integrated electro-hydraulic machine for electrical hybrid working vehicles is presented. The machine is dedicated to be used as a mechanical power source for hydraulic actuators with possibility of electrical energy recuperation. Advantages of using such a machine in mobile environments are discussed. The efficiency of the device is studied and compared with the traditional valve controlled systems.

1 Introduction

Heavy working and constructional vehicles are big consumers of fossil fuels. Fuel efficiency and low emissions of such machines are important factors for manufacturers and constructors to be competitive on the market.

With hybrid technology it is possible to increase the efficiency of the vehicle power transmission system. It is often also possible to maintain the performance of the vehicle even when the original internal combustion engine is replaced by a remarkably smaller one [1]. Improvement of the efficiency of the working hydraulics has an important role when the target is to reduce working machinersquo;s energy consumption [2]. Many heavy working machines use load sensing hydraulic system. In multiple actuator systems the load sensing hydraulic systems suffer from poor efficiency,especially, if in the system different pressure levels and flow rates are required [3].

Development of electrical hybrid mobile working vehicles requires introduction of new compact and powerful components. These components should be electrical, having good controllability and being capable of converting kinetic or potential energy into electricity to be stored in batteries or super capacitors. The force density of present day electro-magnetic mechanical actuators is low and there is a need for electro-hydraulic components which can supply the required power to hydraulic actuators in the mobile environment of hybrid working vehicles.

In this paper, a new electro-hydraulic device is introduced. This machine has a high power density and allows transformation of electrical energy into hydraulic energy and vice versa. The applicability and efficiency of such a machine are studied. The advantages of using such a machine in a mobile environment instead of traditional valve controlled hydraulic system are discussed.

2 Concept and examples of topologies

The two main topologies – serial and parallel hybrid – are illustrated in Fig. 1. In addition to these two, one common topology in mobile machines is the power-split topology but it is more suited for driveline power transmission.

In Fig.1 on top the drive transmission line is illustrated according to the serial hybrid topology, while on the bottom the parallel hybrid topology is presented. In both cases the hydraulic power circuit for working actuators is also presented. This circuit is often independent parallel system to the drive transmission. It can be noted that the actuator system itself follows the serial hybrid topology.

In Fig.1 block lsquo;Acc.rsquo; contains normal accessories for the pump-controlled fluid power system, accessories for compensating the difference in volume flows of differential cylinder and safety valves as well.

The main benefits of the hybrid topology for a working vehicle are often brought with downsized diesel engine. The downsizing is possible because of the typically low average power of the working vehicles. A typical load cycle often consists of periods of high loading alternated by idle periods. The power of a diesel engine can be decreased to the level of average load [4]. During the peak loadings the additional power can be withdrawn from the energy storage. During idle periods the diesel engine charges the electrical storage – battery or supercapacitors. The engine can be downsized to even lower than 40% in comparison to the conventional hydrostatic transmission system [5]. The fuel consumption can be significantly decreased when the engine is downsized. It brings significant money savings because of the fuel cost and also in CO2 emissions.

Fig. 1 Architectures of basic hybrid topologies

Top: serial hybrid; bottom: parallel hybrid

The main power consumers in a working off-highway or vehicle are traction drive and working actuators. In cranes, excavators and different stackers – the main actuator is often a boom driven by hydraulic cylinders and gripper or other actuator in the end of the boom. Traditionally, this end actuator is supplied by long hydraulic flexible power transmission line. This line produces additional losses during the operation. Fig. 2 shows a typical off-highway working vehicle with massive container gripper.

Instead of long hydraulic power lines, the end actuator can be supplied by an integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) placed directly to the end of the boom. This IEHEC together with the end actuator constitute an electro-hydraulic actuator system. Fig. 3 shows the main power system of a working vehicle with an integrated electro-hydraulic actuator system.

Fig. 2 Off-highway working vehicle with a telescopic boom and a massive stacking gripper with its actuators. [6]

The electro-hydraulic hybrid actuator system is specially developed for compact assembly. In this assembly all the components are located close to each other to avoid long fluid power transmission lines which quite commonly appe

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高功率密度集成电液换能器用于重型混合型非公路工作车辆

Pavel Ponomarev1, Rafael Aring;man2, Heikki Handroos2, Paula Immonen1, Juha Pyrhouml;nen1Lasse Laurila1

1实验室电气驱动技术，拉彭兰塔理工大学，Skinnarilankatu 34，53850 Lappeenranta，芬兰

2智利机器实验室，拉彭兰塔理工大学，Skinnarilankatu 34,53850 Lappeenranta，芬兰

摘要：提出了用于电动混合动力工作车辆的电动液压机的新型高功率密度。 该机器专门用作具有电能的液压致动器的机械动力源恢复。讨论在移动环境中使用这种机器的优点，研究该装置的效率并与传统的阀控制系统进行比较。

1. 背景资料

目前，重型工作和建筑车辆是化石燃料的大消耗者，这种机器的燃料效率和低排放是制造商和建造者在市场上竞争的重要因素。

通过本课题设计的混合技术，可以提高车辆动力传动系统的效率，通常也可以保持性能，即使当原来的内燃机被显著更小的内燃机替换时，工作液压的效率的改进也具有重要作用，目标是降低工作机的能量消耗。许多重型工作机使用负载感应液压系统，在多个致动器系统中，特别是如果在系统中需要不同的压力水平和流速，负载感测液压系统的效率更低。

电动混合移动工作车辆的发展需要引入新的紧凑和强大的部件，这些部件应当是电气的，具有良好的可控性并且能够将动能或势能转换成要存储在电池或超级电容器中的电。当前的电磁机械致动器的力密度低，并且存在需要能够向混合动力工作车辆的移动环境中的液压致动器提供所需动力的电液式部件。

在本文中，引入了一个新的电液装置，该装置具有高功率密度，并允许电能转换为液压能，反之亦然。本文还研究了这种机器的适用性和效率，在移动环境中而不是传统的阀控液压系统使用这种机器的优点。

1. 概念和例子的拓扑

两种主要的拓扑-串联和并联混合-如图1所示。除了这两个，在移动机器中另一个常见的拓扑是功率分离拓扑，但它更适合于动力传动系统。

在图1中，驱动传输线根据串联混合拓扑示出，而在底部显示并联混合拓扑。 在这两种情况下，还提供了用于工作致动器的液压动力回路，该电路通常在从属并联系统中与驱动传动相关。 可以注意到，致动器系统本身遵循串联混合拓扑。

在图1中，包含用于泵连续轧制流体动力系统的正常附件，以及用于补偿差动缸和安全阀的体积流量差异的附件。

图1.基础混合拓扑结构

顶部：串行混合 底部：平行混合

通常带有尺寸较小的柴油发动机是用于工作车辆的混合拓扑的主要益处。由于工作车辆的平均功率通常较低，减小尺寸是可能的。典型的负载周期通常包括由空载周期交替的高负载周期，柴油发动机的功率可以降低到平均负载的水平，在峰值负载期间可以从能量存储器中提取额外的功率。在空闲时段期间，柴油发动机对蓄电池或超级电容器充电。与传统的静液压传动系统相比，发动机可以具有甚至低于40％的水平。当发动机小型化时燃油消耗可以显着降低，由于燃料成本和二氧化碳排放量减少，可以节省大量资金。

工作中的非公路或建筑车辆中的主功率消耗器是牵引驱动器和工作致动器。 在起重机、挖掘机和不同的堆垛机中，主致动器通常是由液压缸和夹具或者其他致动器驱动的臂杆组成的。传统的端部致动器由长的液压柔性输电线供应，该线在操作期间会产生额外的损耗。图2显示了具有大容器夹具的典型非公路工作车辆。

图2. 带伸缩臂的非公路工作车辆及其执行器的大型堆垛夹具。[6]

不同于长的液压管路，端部执行器可以由直接放置在动臂端部的集成电液能量转换器（IEHEC）提供。这种IEHEC与端部执行器一起构成电动液压致动器系统。图3显示了具有集成的工作车辆的主动力系统电液致动器系统。

电液混合执行器系统专为紧凑型组装而开发。在组装过程中，通常出现在重型移动工作机中，所有部件彼此靠近以避免长的液压管路。在这类机械中，液压管是不可弯曲的软管和小直径的管子（为了在例如望远镜操作期间容易弯曲），会引起显着的液压功率损失。本文所提出的致动器设计允许通过电缆更换长管线和软管。在电缆中，由于其内阻的损失是明显的，但与液压管中的损失相比是可忽略的。

图4显示的是电液混合动力传动系统的电路图，图中所讨论的系统是泵控流体动力系统。液压泵由引入的电动机直接驱动，泵控流体动力系统具有许多优点，与常规的方向阀操作系统相比减少了液压损失是该系统最大的优点。然而，不幸的是，该系统也具有限制泵控流体动力系统的调试的缺点。

不对称差动圆柱体是产生力和机构运动的典型部件, 由于气缸室中存在差动容积，当它与泵控制的流体动力系统一起使用时，可能会出现问题。泵控制系统通常在闭环中使用，且泵的输入和输出端口必须维持均匀的体积流量。使用差动缸时，缸体积流量的差必须通过使用压力蓄积器来均衡。

图4所示的系统包括IEHEC、不对称差速缸、蓄压器、用于集成电机的冷却的单独的泵单元，以及对蓄压器和压力释放阀和止回阀充气装置。

图4中的箭头表示在致动器执行伸展运动的操作点处的系统的操作原理。此时，由于不同的活塞有效面积，较少的油从缸活塞杆侧流出而不是被泵入，在闭环流体动力回路中，需要补偿油量的不等式。活塞侧的作用压力迫使止回阀打开，这使得蓄压器内油液能够排出到低压侧。

当反向作用时，由于活塞杆侧的较高压力，止回阀打开之后，来自活塞侧的多余油液将流到蓄压器内。

1. 机构设计

集成式电动液压机由能够在没有明显的充气入口压力的泵送模式和电动模式下工作的液压机构和直接作用在轴上的集成齿-线圈永磁同步机（TC-PMSM）液压机组成。TC-PMSM由电气变频器控制。图5示出了IEHEC的剖视图。

图3. 消除长液压管的通过电线的电动液压致动器系统集成到具有柴油发动机（内燃机），发电机，能量存储和主要动力系统的主电力系统牵引电动机的示例

图4. 电液混合动力传动系统。[8]

表1列出了IEHEC的第一个原型的主要参数。

集成设计在移动环境中显著节省空间（见图6），高功率密度可以通过集成和通过在电机中使用直接沉浸式液体冷却来实现。

设计系统中电能回收的一个重要方面是高效发电机。集成电机的紧凑设计强制使用有效的液体冷却。电机的冷却需要用于冷却剂和热交换器的容器，这将增加动力单元的重量和尺寸，这在动力单元被放在远离车辆主液压系统的致动器附近的情况下是不允许的。为此，电机被特别设计为使用工作液压流体作为冷却介质。

图5. IEHEC

不需要为非公路工作车辆中的电动机制造新的单独的冷却回路，工作液压油可以用作冷却剂，在电动机附近可以找到用于冷却回路的合适的容器和泵。泵控制系统是闭环系统，需要增压泵以维持其入口处的供应压力，并且还补偿在液压部件中发生的泄漏。因此电气可以从升压电路获得机器冷却流，然后，当需要时，油液通过升压功能循环通过机器。如果条件需要，热交换器也可以连接到该电路。在实践中，移动机器中的致动器系统的工作周期非常短，并且PMSM（100℃）的典型允许工作温度比液压回路的工作温度（50-60℃）高得多。因此，可以预测不一定需要热交换器。泄漏补偿和冷却回路参与图4。

• 1. 液压机

轴向柱塞机可在高压和高流量下运行，齿轮泵难以获得高压力。原则上，液压机既作为电动机又作为泵，但在实践中，只有很少的机器完全准备好在两种模式下操作。弯轴活塞机通常适用于两种模式，在泵送模式和电机驱动模式下都具有较高效率。

为本研究选择的液压泵 - 马达是通常可用的弯轴活塞机，其准备好作为在泵入口中没有预压力的泵操作，并且可以以足够高的压力加载在入口端口上。

图6. IEHEC原型与传统电机泵在线耦合尺寸上的比较

3.2 电机

为实现最大密度，电机选择具有低长度TC-绕组，定子使用高级电工钢M270-50A和转子叠片，以减少铁损；为了减小涡流损耗，分割磁体，转子中使用高残余NdFeB PM（mu;PM= 1.17T @ 100℃）。定子有18槽，转子有16极，高数量的磁极减小了定子和转子轭的尺寸。供应频率在额定速度1500rpm下为200Hz。为了在这样高的频率下减小AC损耗，绕组缠绕有直径为1mm的并联连接的线股。

图7. 集成TC-PMSM在170％（280 Nm）和250％（400 Nm）负载下的绕组表面温升

表1 IEHEC的参数

极高效的冷却可以显著增加线圈绕组中的电流密度。在标称工作点，电流密度为8 A/mm²。短堆叠长度（50mm）确保通过冲洗端绕组从槽导体去除热量。这种措施增加了电机的电流连接，这与转子中的高磁通密度永磁体的利用一起导致高转矩密度和高功率密度机器有关。无框架的电机的功率密度为750W/kg，并且框架的功率密度为270W/ kg。在标称点处测量的扭矩密度为4.4Nm/kg，在300rpm和500Nm下的无框架扭矩为15Nm/kg。 选择直接浸油冷却是非常有效的。热量直接从绕组和转子去除。图7示出了当机器在50℃下以8l/min油流冷却时，在170％负载和250％负载下的绕组线圈表面上的机器的温升状态。

图8. 泵送模式下效率测量的示意图

图9. 驾驶模式下效率测量的示意图

图10. 抽水模式（左）和驾驶模式（右）测量液压机效率

温度的升高增加了铜绕组中的焦耳损耗。同时，气隙中的油阻力损失随着温度降低而降低，因此冷却剂流体具有较低的粘度。

除了出色的冷却，油浸还需要额外的功率来补偿油拖曳损失。为了减小油阻力，空气间隙的高度增加到2.7mm，这提供最大速度，并且在100℃下，冷却剂达到1.2kW的油拖曳损失，该损耗量仅构成原型的额定功率的4％。

使用PM机器的优点在于，与输送机（IM）相比，它提供了选择机器几何形状的极大自由。在IM中，总是需要使用某些尺寸以产生特定的扭矩。 利用永磁体，可以以更大的自由度选择转子的尺寸，这使得能够实现部件集成。

因为气隙中的高油阻力，需要选择转子的内部永磁体结构，以便承受它们的机械应力。

由于短端绕组，定子绕组的齿线圈拓扑允许减小机器的轴向长度。TC-PMSM的高同步电感允许机器在宽恒定功率速度范围内工作。在空载和高速运动的情况下，在液压系统应用中也可能需要这种操作。

图11. 在效率测量台上直接浸油油冷TC-PMSM

1. 效率测量

当今，功率转换的效率成为越来越重要的因素，电混合式非公路工作车辆的部件应当具有高效率，以便降低燃料消耗。典型的工作循环包括部分负载条件，因此，应测量各种操作点处的效率。

图12.电机效率图

4.1液压机

图8表示用于泵送模式下的液压机械的效率测量的测试装置示意图。该设置包括常规IM，其作为电动机经由配备有转速传感器的转矩传感器驱动泵。由泵产生的体积流量通过节流阀返回到罐里。上下压力传感器表示主压力和次压力。 流量传感器功能基于脉冲计算，并提供足够高的精度。恒定温度对于使测量可比较是必要的，通常使用油水热交换器控制温度。

关于测量程序，首先将转速设置为恒定，并且测量低扭矩下的体积流量。然后通过节流增加转矩，并测量流量。再以五种不同的转速水平重复该顺序。通过将实际流量除以每个测量点处的理论流量来计算容积效率。

当测量低速实轴输入转矩时，将转矩设定为恒定。然后，增加转速，并且在扭矩保持恒定的同时测量实际值。这也用五个不同的扭矩水平重复。因此，可以通过将理论转矩除以实际转矩来计算机械效率。

图9表示用于在电动模式下液压机的效率测量的测试装置的示意图。该装置包括现在通过液压驱动作为发电机的相同的常规IM电机和通过装有转速传感器的转矩传感器。发电机由同流换热的并网转换器控制。由外部液压动力单元产生的体积流量通过液压马达被引导到油箱。上下压力传感器表示主压力和次压力。 流量传感器功能基于脉冲计算，并提供足够高的精度。为使测量可比较，因保持恒定温度，通常使用外部电源的油-水热交换器控制温度。

图13. 泵浦模式（左）和生成模式（右）的IEHEC效率图

首先，将体积流量设置为恒定值，并测量低压下的扭矩和转速，然后增加压力并测量扭矩和转速。用这六个不同的压力和体积流量水平重复测试。当测量低转速体积流量和压力时，将扭矩设置为恒定，然后增加体积流量，并测量压力和转速。也用这几个不同的扭矩和体积流量水平重复测试。

图10表示从泵送（左）和电动（右）模式中的液压机械的测量点插值的效率图。在泵送模式最佳效

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