一种用于液压机械中多源能量回收的混合式飞轮-液压储能系统

《Journal of Energy Storage》：A hybrid flywheel-hydraulic energy storage system for multi-source energy recovery in hydraulic machines

　　• 提出了一种刚性的同轴电机-飞轮-泵集成液压动力单元。• 建立了一种多源协同能量回收与调度策略。• 与传统压力机相比，成形效率从48.85%提升至94.80%。• 3秒循环能耗降低2060.6?kJ；压力波动保持在0.07?MPa以下。引言液压机因其动力传递平稳、控制简单和承载能力高，在工业制造系统中得到广泛应用[1]。然而，传统液压机系统通常存在安装功率过高、能量利用效率低下的问题[2]。这些限制导致安装容量过大，辅助设施投资增加[3]。此外，效率低下会导致液压系统内热量积聚过多[4]。由此引起的油温异常升高和热应力增大，会显著损害系统稳定性，最终降低设备耐久性和运行可靠性[5]。系统的主要能量失效模式包括节流耗散、容积泄漏、机械摩擦阻力和液压介质发热，而成形过程的实际有效能量比仅为9.3%[6]，如图1所示。因此，开发更高效的节能改造方案需要明确理解液压机能效低下的根本原因。为此，Zhao等人系统分析了液压机子系统的能量耗散机理[7]。通过该分析，建立了能量转换与传输的综合框架。可以得出结论：液压机设备的严重能量损失从根本上源于实际工作负载与系统总安装功率之间的功率偏差[8]。如图2所示，液压机的安装功率由整个工作循环中的峰值负载需求决定，但大部分循环时间处于低负载运行状态，实际功率需求远低于安装容量[9]。此外，其液压缸运动具有强周期性，循环间等待时间几乎等于一个工作循环[10]。即使在完全卸载、零负载功率需求的情况下，电机仍持续运行，多余的能量通过卸载阀和溢流阀耗散浪费。为实现液压机的高效运行，世界各地的研究人员针对独立耗能部件进行了多维度研究。根据Lin[11]和Li[12]的研究，目前液压机的节能控制方法大致可分为两类：能量匹配和能量回收。能量匹配，也称为无节流泵控制，通过协调调节电机转速和泵排量来调节输出流量[13]。根据调节方式不同，能量匹配方案（图3）采用三种不同方法：恒速变量泵单元（VDP）[14]、变速定量泵单元（VSP）和变速变量泵单元（SDVP）[15]。与传统阀控液压系统相比，VDP通过控制泵排量来调节输出流量，可提高能效超过28%[16]。VSP由变速电机和定量泵组成，通过电机转速控制来调节输出流量。随着伺服电机成本的下降，伺服电机在液压机中的应用日益广泛，推动了节能降耗的进展[17]。然而，上述方法主要局限于单台电机或泵的输出调节[18]。这些方法往往忽视各子系统之间的相互作用以及对系统整体效率的影响[19]。为解决这一局限，Huang等人[20]提出了一种集成SDVP控制方案。在该框架中，根据液压成形设备的负载功率需求，协调电机转速和泵输出容量，从而显著提高系统能量利用效率。尽管具有这些优势，但由于电机转速与泵排量之间的耦合关系，在确定最优高效组合和实现高精度协调控制方面仍存在挑战，阻碍了SDVP在液压机中的广泛采用[21]。此外，这些方法无法降低安装功率，在现有技术条件下，长时间空载能量损失仍然不可避免。在此背景下，能量回收成为降低安装功率和减少可避免能量损失的关键途径[22]。在能量回收策略中，根据能量冗余的不同形式，通常使用蓄能器、飞轮和电容器来回收和再利用液压机中的冗余能量[23]（如图4所示）。回收的能量随后在运行循环的其他阶段释放，以提高整体能效。Yao等人[24]开发了一种结合变频驱动单元和蓄能器的回收方法。该配置形成了用于快锻液压机的复合泵-蓄能器动力源，使系统总能耗降低了65.3%。此外，Lin等人[25]提出了一种新型电容器储能回收系统。在该系统中，势能回收率达到45%，同时电机和发电机相关的功率损耗降低了60%。尽管能量回收技术已证明有效，但这些方法通常存在回收能力有限和动态调节不足的问题[26], [27], [28]。此外，频繁的能量交换过程可能降低整体系统效率[29], [30]。这些缺点限制了这些方法在复杂工况下的适用性[31]。为解决这些挑战，提出了一种基于飞轮的混合储能系统，用于液压成形设备。该系统旨在回收高负载运行过程中产生的大量残余能量。此外，它还能收集液压能以及成形过程完成后积聚在液压缸、机械框架和管道中的弹性应变能。所提出的方案能够有效回收和再利用这些多源能量形式。此外，该系统显著减轻了超低速运行期间的液压冲击和结构振动，从而提高加工精度。该技术大幅降低了动力单元的整体安装容量，为液压设备能效提升提供了新的可靠途径。章节片段能量回收方案为实现液压系统内冗余能量和卸载能量的有效回收与再利用，本工作提出了一种集成式机械-液压混合能量回收方案。如图5所示，该方案将基于飞轮的机械储能与液压储能有机结合，双储能配置的实施使系统整体安装功率达到图2所示的理想指标。核心的建模集成FESS的液压动力单元促进了电能与机械能之间的双向能量转换。这是通过飞轮的加速储能和减速释能循环实现的。在低负载阶段和怠速条件下，飞轮储存能量。相反，在高负载阶段，储存的能量释放以协助异步电机克服外部负载。储存的总能量实验方案为系统验证储能系统集成后液压成形设备的能量利用效率，对13 MN快锻液压机试验平台进行了改造，如图14所示。液压机通过比例溢流阀调节系统压力。实验平台的核心部件包括一个容积为23?m3、流量能力为5800?L/min的稳压单元，以及一个容积为6?m3的缓冲单元。的结论本研究提出了一种基于机械储能与液压储能深度融合的协同能量回收方案，以解决传统液压成形设备中安装功率过大和能量严重耗散的关键问题。该方案的核心是一种创新的电机-飞轮-泵刚性耦合液压动力单元。结合自适应频率调节策略，该单元能够高效捕获、储存和定向CRediT作者贡献声明Xiaopeng Yan：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法学。Ke Zhao：写作 – 初稿，调查，数据管理。Shu Zeng：数据管理。Jianping Wang：数据管理。Cheng Qiu：监督，资金获取。Weiyi Hao：验证。Yize Li：形式分析。Jing Huang：资源，形式分析。Baijin Chen：项目管理。Qifan Tan：验证。Dongjie Mu：调查。Wei Zhu：软件。利益冲突声明本工作得到国家自然科学基金（项目编号：52405051）和中央高校基本科研业务费（项目编号：2026XKRC008）的资助。Xiaopeng Yan|Ke Zhao|Shu Zeng|Jianping Wang|Cheng Qiu|Weiyi Hao|Yize Li|Jing Huang|Baijin Chen|Qifan Tan|Dongjie Mu|Wei Zhu