液压挖掘机作为土方挖掘的代表工程机械,在基建高速发展的国内具有不可替代的地位。传统液压挖掘机使用柴油发动机作为动力源,剧烈波动的挖掘工况使得发动机工作点难以工作于高效区间,导致整机能量效率低,排放特性差。而且,挖掘机动臂下降过程中,大量动臂势能往往经节流阀耗散,浪费能量的同时引起系统发热,进一步降低了整机效率。在当前节能减排大势下,液压挖掘机节能相关研究内容逐渐增多,提高液压挖掘机能效及降低排放成为了当前研究热门课题之一。目前较为热门的混合动力挖掘机节能技术虽然能有效提高液压挖掘机的能效并减少其排放,但整机效率仍受发动机效率限制,废气排放问题依旧严峻。因此,本文直接使用永磁同步电机驱动液压系统,杜绝了发动机的低能效及排放等问题;使用电动缸原位替换动臂液压缸,用以驱动动臂并回收动臂势能,进一步提高电驱液压挖掘机的整机能效;设计了双向DC/DC变换器及超级电容储能系统以辅助电源为电机提供功率并回收电机的回馈电能,设计了配套的能量控制策略以控制能流大小。随后以现有用于电驱液压挖掘机的电驱系统为对比,在以上构建的永磁同步电机驱动系统模型、储能系统模型及能量控制策略模型基础上对本系统进行仿真,并对原电驱系统和本课题提出的电驱及储能系统的功率波动特性及能耗特性进行了分析与研究。详细研究内容如下:1.提出了本课题的纯电驱液压挖掘机储能系统方案,分别对作为关键元件的永磁同步电机、电动缸、超级电容进行了工作原理的阐述及工作特性的分析。随后构建了永磁同步电机驱动系统的数学模型,构建了基于等效电阻的双向DC/DC变换器及超级电容储能系统的数学模型。2.在SimulationX软件中分别构建了作为主动力源的主永磁同步电机驱动系统仿真模型及作为动臂电动缸动力源的辅助永磁同步电机驱动系统仿真模型,并使用等效机械损耗使模型的仿真效率趋近计算效率。基于全纹波建模方法构建了双向DC/DC变换器仿真模型,设计了双向DC/DC变换器的各参数及控制器,并构建了基于等效电阻的超级电容组模型。使用以上模型构建起纯电驱液压挖掘机电驱储能系统的仿真模型。3.在纯电驱液压挖掘机电驱储能系统仿真模型的基础上,通过对储能系统须实现的功能进行分析,提出了制定能量控制策略的条件。在一个整机重载挖掘工况下,于SimulationX软件中分别制定了逻辑判断控制策略模型与模糊系统控制策略模型。4.于SimulationX软件中以动臂单动作工况为仿真工况,对原电驱系统及本方案提出的电驱系统在驱动动臂时的节能效果进行了仿真及分析。随后在整机挖掘复合动作工况下对原电驱系统及本方案提出的无储能系统电驱系统、储能系统使用逻辑判断策略的电驱系统及使用模糊控制策略的电驱系统进行了系统仿真,分别对比了四者系统的功率波动特性、效率及能耗特性。研究结果表明,本方案采用的电驱系统能降低驱动动臂的耦合能耗,动臂电动缸能回收并利用动臂下降时的重力势能;储能系统能在能量控制策略的约束下降低电源最大输出功率。在现有电驱挖掘机系统的高节能率下,能进一步提升约17.8%的能效值。