液压挖掘机在各类工程领域中应用广泛,尤其在土方挖掘等工程建设施工中具有不可替代的作用,是最重要的工程机械之一。然而传统挖掘机主要以柴油机作为动力源,不仅在负载剧烈变化时效率低下,而且在工作中会不可避免地产生排放带来污染问题。由于全球气候问题造成的排放政策收紧,社会对工程机械节能环保的要求越来越高,以电机作为主动源的纯电驱液压挖掘机因其高效率与零排放的特点逐渐成为研究的热点。现有的纯电驱液压挖掘机在动臂下落时普遍使用了节流调速,在此过程中将会有大量的能量在节流口转换为热能,这在造成能量浪费的同时也降低了系统的寿命。因此,本文在传统纯电驱挖掘机动臂系统基础上引入了超级电容储能系统与回收单元,提出了一种纯电驱液压挖掘机电气式动臂势能回收与再利用系统。设计了包括定量马达与永磁同步电机的回收单元,可以在控制动臂下落速度的同时将动臂无杆腔高压油产生的液压能转化为电能;设计了包括双向DC/DC与超级电容的超级电容储能系统,能够在维持母线电压稳定的情况下回收与释放电能;建立起基于损耗的系统各关键元件仿真模型,以此为基础构建了动臂系统的机械、电气、液压联合仿真模型,并在仿真中对系统的动态特性与能耗特性进行了研究。详细研究内容如下:(1)提出了纯电驱液压挖掘机电气式动臂势能回收与再利用系统的方案。依据系统工况、动臂机械结构动力学模型与液压系统数学模型对回收单元进行了参数匹配。分别对超级电容、DC/DC、回收马达,回收电机等系统关键元件的工作原理与特点进行了分析,在此基础上建立了永磁同步回收电机及其驱动系统数学模型,使用状态空间平均法与超级电容经典等效模型建立了超级电容储能系统数学模型。(2)在确定超级电容储能系统工作参数后,通过计算确定了DC/DC各元件参数与超级电容容量。在此基础上,使用平均电流法设计了基于线性控制理论补偿器的DC/DC双闭环控制策略,还以非线性控制理论设计了双向DC/DC的滑模变结构控制策略。分别建立了两种控制策略基于Matlab/Simulink的控制模型,在对比仿真中分析了两种控制方式的动态特性,在对比仿真结果后采用了性能更优越的滑模控制作为DC/DC的控制系统。(3)对回收单元中回收电机与回收马达的损耗来源进行了分析,以此为基础利用经验公式法得到他们在不同工作状态下的效率map图。然后使用等效电阻法建立了双向DC/DC的损耗模型,用在Matlab/Simulink中编写的损耗计算程序计算出了不同功率下DC/DC的效率状况。搭建超级电容模块参数辨识实验台,通过参数辨识实验求出了超级电容经典等效模型中串联电阻与并联电阻的值,得到超级电容模块损耗模型。(4)在Simulation X中分别建立了动臂液压系统、回收电机、超级电容储能系统的仿真模型,将其组合后成为动臂系统机械、电气、液压联合仿真模型。在动臂空载上升下降的工况下对系统进行联合仿真,分析系统的运行特性与能耗特性,然后以同样工况对无能量回收功能的原电驱挖掘机动臂系统与本系统能耗特性进行对比仿真。结果显示,系统运行特性良好,在动臂下落过程中对动臂势能具有60%的回收效率,本系统相比原系统可以实现21.8%的节能。