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電能力，可通過電纜向純電驅礦用挖掘機供電，使多臺設備同時工作。裝車作業時電機的需求功率隨著負載的劇烈時變而大幅變化，峰值功率高達幾百千瓦甚至幾兆瓦。這限制了允許同時工作的用電設備數量，進而制約生產效率和作業進度。并且，在純電驅挖掘機作業時，回轉機構頻繁起制動，大量的回轉制動動能轉換為電能會導致公用直流母線電壓劇烈波動從而影響其它用電設備的安全。為了避免這一情況，當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，本研究以純電驅礦用液壓挖掘機為研究對象，采用電機驅動主泵和回轉平臺，利用電氣儲能系統調節電網的輸出功率，創新地設計了基于模糊規則功率前饋的直流母線電壓預測控制綜合能量管理策略以實現純電驅礦用挖掘機高效可靠作業。

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試驗方法

以純電驅礦用液壓挖掘機驅動系統和儲能系統為研究對象，建立其驅動系統和電氣儲能系統的數學模型以及純電驅礦用挖掘機多體動力學聯合仿真模型，設計了基于模糊規則功率前饋的直流母線電壓預測控制綜合能量管理策略，具體包括電氣儲能系統工作模式切換策略和基于模糊規則功率前饋的直流母線電壓預測控制策略，通過直流母線電壓和SOC值判斷電氣儲能系統的工作模式，利用預測控制器和模糊規則來控制超級電容的輸出功率和直流母線電壓。并利用90°挖掘作業循環對不同驅動系統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

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結果

(1) 與基于確定規則、模糊規則和預測控制的三種能量管理策略相比，當電氣儲能系統的SOC初始值為50%時，一個90°挖掘作業循環前后，所提策略的SOC值變化量僅0.42%，可有效回收回轉平臺的制動動能和抑制直流母線電壓波動。 當電氣儲能系統的SOC初始值為80%時，經過一個挖掘作業循環后，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的峰值功率。

(2) 與傳統液壓礦用挖掘機相比，所開發挖掘機的運行成本可降低54.02%；與未采用電氣儲能系統的純電驅礦用挖掘機相比，所開發挖掘機的電網峰值功率可降低10%。為此，所開發的挖掘機不僅具有良好的經濟收益，還具有較好的節能減排效果。

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結論

本文所開發的純電驅礦用液壓挖掘機既可降低能耗和運行成本，還可降低電網的峰值功率，減少電網停電故障，使施工現場可容納更多臺拖線式純電驅礦用挖掘機同時工作，確保施工現場持續高效可靠生產作業。

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前景與應用

純電驅礦用挖掘機的電氣儲能系統能量管理技術將通過優化驅動系統結構、改進儲能技術、引入先進的智能控制算法和優化算法，實現對電機驅動系統和超級電容輸出功率的智能管理以提高設備的工作效率和使用壽命、節省運營成本和降低污染物排放。

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作者團隊介紹

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

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

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作 者：秦 濤

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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