沈桂麗，吳朝來

(中鐵隧道集團有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

由于隧道施工通風透氣性較差，施工環(huán)境較惡劣，隧道施工中常用的出渣車采用柴油發(fā)動機作為動力來源，且該種出渣車使用較頻繁，其尾氣排放嚴重地污染隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。為改善這種狀況，研發(fā)一種新能源的出渣車成為隧道施工的迫切需求。目前國內(nèi)外汽車行業(yè)早已研制出了混合動力汽車和純電動汽車，且多采用蓄電池作為電源，以新能源超級電容為電源的電動出渣車較為少見。文獻［1－6］介紹了超級電容的工作原理和特點，并對其在汽車上的應(yīng)用進行了設(shè)計分析;文獻［7］介紹了超級電容在工程機械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對超級電容的性能和在推土機中的應(yīng)用進行了分析。可以看到，以上文獻均注重超級電容在機械制造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對超級電容的電池能量、動力、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計與選擇研究較少。本文根據(jù)自卸車性能參數(shù)的要求和超級電容的特點，設(shè)計出了一種新型環(huán)保節(jié)能的超級電容自卸車。該車是以超級電容電池為能源，該能源具有功率密度高，可重復(fù)使用，無任何尾氣排放，配備液壓自卸裝置，運行平穩(wěn)等優(yōu)點，在隧道施工中可取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 超級電容自卸車設(shè)計的創(chuàng)新

在超級電容自卸車設(shè)計、制造、使用及報廢后回收再利用等過程的整個生命周期內(nèi)，將環(huán)境性能、資源性能作為設(shè)計的目標和出發(fā)點，力求使自卸車成為對隧道作業(yè)環(huán)境影響最小、資源利用率最高、能源消耗最低的綠色產(chǎn)品。

2 超級電容自卸車設(shè)計技術(shù)指標

本文設(shè)計的超級電容自卸車車體充滿電，滿載最大行駛里程為3.5 km，最大車速為15 km/h，最大爬坡度為20%，能較好地適應(yīng)隧道惡劣的路況條件，能充分保證區(qū)間內(nèi)往返作業(yè)。超級電容組件箱均有獨立的散熱系統(tǒng)，對進、出風口及冷熱倉均采取相應(yīng)措施，能在20～40℃的環(huán)境中正常作業(yè)。超級電容自卸車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 超級電容自卸車主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of super capacitor dump truck

3 超級電容自卸車電池能量的參數(shù)選擇

3.1 超級電容

超級電容又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程中并不發(fā)生化學反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，所以超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容剖面如圖1所示。

圖1 超級電容剖面圖Fig.1 Profile of super capacitor

超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的2個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成2個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。它是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間，具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，因而不同于傳統(tǒng)的化學電源。超級電容器的突出優(yōu)點是功率密度高，充放電時間短，大電流放電，循環(huán)壽命長，工作溫度范圍寬，可耐壓儲存更大容量，檢測方便，剩余電量可直接讀出，無污染，綠色環(huán)保。

3.2 超級電容電池容量的參數(shù)計算

超級電容電池容量由無坡度車輛滿載行駛總耗能、車輛輔助電源系統(tǒng)耗能和電動自卸液壓起降裝置耗能3部分組成，即

3.2.1 無坡度車輛滿載行駛總耗能

式中:m為滿載時整車質(zhì)量，為8 500 kg;g為重力加速度，取9.8 m/s2;μ為滾動摩擦因數(shù)，取0.03;S為續(xù)航里程，取3.5 km。

代入式(2)得:W1=8 746 500 J=2.43 kW·h?？紤]到電機效率和機械傳動效率，超級電容儲存電能還應(yīng)增加20%。

3.2.2 車輛輔助電源系統(tǒng)耗能

式中:U為輔助系統(tǒng)電源電壓，取24 V;I為輔助系統(tǒng)電源電流，取10 A;T為時間，取2 h。

代入式(3)得:W2=0.48 kW·h。

3.2.3 電動自卸液壓起降裝置耗能

式中:m為自卸質(zhì)量，為6 000 kg;g為重力加速度，取9.8 m/s2;H為起升高度，取1 m。

代入式(4)得:W3=58 800 J=0.016 kW·h。

由式(2)—(4)計算得:超級電容電池容量W=2.926 kW·h。

4 超級電容自卸車的動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

超級電容自卸車的動力性主要取決于動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配，包括驅(qū)動電機、傳動系統(tǒng)、控制器等部件。需要合理選擇動力總成各部件參數(shù)，以此來滿足整車的動力要求［8］。

4.1 驅(qū)動電機參數(shù)選擇

超級電容自卸車驅(qū)動電機將電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能，并通過傳動裝置或直接驅(qū)動車輪和工作裝置。主驅(qū)動電動機是超級電容自卸車的動力源，其性能與整車性能密切相關(guān)。因此，主驅(qū)動電機的選擇及參數(shù)匹配是研究設(shè)計超級電容自卸車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了高性能地驅(qū)動超級電容自卸車，驅(qū)動電機在性能上必須達到一定要求。在低速或爬坡時，轉(zhuǎn)矩要高，而在高速行駛時，轉(zhuǎn)矩要低;其次，驅(qū)動電機的調(diào)速范圍要寬，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運行在恒功率區(qū)，通常在整個調(diào)速范圍內(nèi)還要保持較高的運行效率。

主驅(qū)動電機的最大功率應(yīng)滿足

首先，根據(jù)最大車速vmax確定最大功率

其次，根據(jù)最大爬坡度確定最大功率

最后，根據(jù)加速性能來確定最大功率(車輛在加速過程中的末時刻輸出最大功率)

式(6)—(8)中:vmax為最大車速，取15 km/h;ηT為傳動系數(shù)總效率，取0.93;m為滿載時整車質(zhì)量，取8 500 kg;g為重力加速度，取9.8 m/s2;f為滾動阻力系數(shù)，取0.03;CD為空氣阻力系數(shù)，取0.4;A為超級電容自卸車的迎風面積，取2.38 m2;αmax為最大爬坡度，tan αmax=0.2;vi為爬坡車速，取2 km/h;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);va為汽車的末速度;ta為汽車的加速時間。

確定電機的額定功率后，再確定電機的峰值功率

式中:P峰為電機峰值功率;P額為電機額定功率;λ為電機過載系數(shù)，取2～3。

根據(jù)計算，本文選擇P額=15 kW，P峰=36 kW，超級電容自卸車主驅(qū)動電機建議選用ZYCD－15永磁直流電動車電機，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 ZYCD－15電機參數(shù)Table 2 Parameters of ZYCD－15 motor

4.2 傳動比的確定

4.2.1 最小傳動比的選擇

設(shè)傳動系的傳動比為i，主減速比為io，變速器傳動比為ig，則有i=ioig。變速器Ⅰ，Ⅱ2檔傳動比分別為ig1和ig2，最小傳動比的選擇應(yīng)從滿足汽車行駛最大車速的要求出發(fā)，在路面附著系數(shù)能夠滿足要求的條件下，由汽車理論可知

式中:nmax為最大轉(zhuǎn)速，取6 000 r/min;r為車輪滾動半徑，取0.325 m;vmax為最大車速，取15 km/h。

代入式(10)得:最小傳動比imin≤48.984。對于變速器而言，imin=ig2io，選擇合理的主減速比為27.3，則變速器Ⅱ檔傳動比應(yīng)滿足ig2≤1.794。

4.2.2 最大傳動比的選擇

確定傳動系最大傳動比時，應(yīng)考慮最大爬坡度和地面附著率2方面問題。傳動系最大傳動比(imax)是變速器Ⅰ檔傳動比(ig1)與主減速器比(io)的乘積，在路面附著系數(shù)能夠滿足要求的條件下，由汽車理論可知

式中:ηT為傳動系數(shù)總效率，取0.93;m為滿載時整車質(zhì)量，取8 500 kg;g為重力加速度，取9.8 m/s2;f為滾動阻力系數(shù)，取0.03;αmax為最大爬坡度，取11.3°;Tmax為最大轉(zhuǎn)矩，取120 N·m;r為車輪滾動半徑，取0.325 m。

代入式(11)得:最大傳動比imax≥54.7。同樣，選取主減速比為27.3，則變速器Ⅰ檔傳動比應(yīng)滿足ig1=2.004。

5 超級電容自卸車控制系統(tǒng)

5.1 超級電容自卸車控制系統(tǒng)電氣原理

超級電容自卸車電氣控制系統(tǒng)主要包括電力驅(qū)動單元、能量單元和輔助動力單元等，其電氣原理如圖2所示。

圖2 超級電容自卸車電氣原理圖Fig.2 Electric system of super capacitor dump truck

5.2 超級電容自卸車控制系統(tǒng)原理分析

超級電容自卸車控制系統(tǒng)接線示意圖如圖3所示，圖3中電池組充滿電后分兩路向控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。

第1路DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出24 V直流電壓為超級電容自卸車的電瓶充電，以確保照明系統(tǒng)及自卸舉升油缸電機等輔助動力系統(tǒng)正常工作。另外，當踩下加速踏板時，油門踏板的機械信號將轉(zhuǎn)換成－5～+5 V電壓信號，該信號通過12針接頭進入控制器，為控制器中開關(guān)元件提供脈沖觸發(fā)信號。

第2路電池組的電壓信號在車鑰匙開關(guān)處于ON狀態(tài)時進入控制器，控制器正常得電，電源的直流電壓信號在開關(guān)電路作用下轉(zhuǎn)化相位切換的三路脈沖可調(diào)信號，從而變頻驅(qū)動主電機ZYCD－15，使整車動力系統(tǒng)正常運行［9－10］。

踩下制動踏板時，制動模擬信號通過12針接頭進入控制器，使開關(guān)電路失去觸發(fā)信號，導(dǎo)致控制器沒有輸出信號，主驅(qū)動電機失去電壓信號;但由于慣性作用，主驅(qū)動電機由電動狀態(tài)進入發(fā)電狀態(tài)，通過控制器的能量反饋單元將電能反饋給電源系統(tǒng)，從而達到能量重復(fù)利用、節(jié)約電能的目的。

圖3 超級電容自卸車控制系統(tǒng)接線示意圖Fig.3 Line diagram of control system of super capacitor dump truck

6 結(jié)論與建議

超級電容自卸車的成功研制，關(guān)鍵是對其電池能量、動力、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行設(shè)計與選擇，并對各系統(tǒng)參數(shù)進行合理選擇。

1)超級電容自卸車選擇超級電容作為電池具有功率密度高，充放電時間短，大電流放電，循環(huán)壽命長，工作溫度范圍寬，可耐壓儲存更高容量，檢測方便，無污染，綠色環(huán)保等優(yōu)點，且壽命比蓄電池長，但是由于其體積較大，增加了車自身負荷及各項成本。隨著科技的發(fā)展，將會有更好的電池替換它。

2)本研究對超級電容自卸車的驅(qū)動電機、傳動系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的計算只是初步計算分析，還需要進一步驗算取值才能使整車的動力性能更加優(yōu)越。

3)控制器相當于人的大腦，控制整車的運行狀態(tài)，所以控制器的性能直接影響著車輛的整體性能。本文選擇的控制器具有變頻調(diào)速功能，并含有能量反饋單元，且為一種新型的節(jié)能控制器，性能較先進。

［1］ 張杜鵲，歐陽海，胡歡.超級電容器在電動汽車上的應(yīng)用［J］.汽車工程師，2009(6):56 －58.(ZHANG Duque，OUYANG Hai，HU Huan.Application of supercapacitor on electric vehicles［J］.Auto Engineer，2009(6):56 －58.(in Chinese))

［2］ 張勁松.超級電容器的原理及應(yīng)用［J］.職業(yè)，2009(26):171.

［3］ 華黎.超級電容器發(fā)展與新能源汽車［J］.汽車與配件，2009(48):26 －32.(HUA Li.Development of supercapacitor and new energy vehicle［J］.Automobile ＆ Parts，2009(48):26 －32.(in Chinese))

［4］ 劉智婷.電動汽車燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢［J］.科技信息:學術(shù)研究，2008(13):74－76.

［5］ 馮海俠，寧武.超級電容器組在混合動力汽車上的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.遼寧師專學報:自然科學版，2008(1):104－105.

［6］ 李貴遠，陳勇.動力電池與超級電容混合驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007(1):104－108.(LI Guiyuan，CHEN Yong.Design and simulation of hybrid-drive system with battery pack and capacitors［J］.Journal of Sys-tem Simulation，2007(1):104 －108.(in Chinese))

［7］ 卞永明，趙芳偉，吳昊，等.超級電容在工程機械中的應(yīng)用研究［J］.中國工程機械學報，2011(4):69 －73.(BIAN Yongming，ZHAO Fangwei，WU Hao，et al.Application of super-capacitors for engineering machinery［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2011(4):69 －73.(in Chinese))

［8］ 胡毅，陳軒恕，杜硯，等.超級電容器的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電力設(shè)備，2008(1):24 － 27.(HU Yi，CHEN Xuanshu，DU Yan，et al.Development and application of super condenser［J］.Electrical Equipment，2008(1):24 －27.(in Chinese))

［9］ 趙學平，李欣，陳杰，等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)永磁直流電機PWM控制模式研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2010(1):176－180.(ZHAO Xueping，LI Xin，CHEN Jie，et al.Study of PWM control mode in electric power steering system［J］.Journal of System Simulation，2010(1):176 －180.(in Chinese))

［10］ 陳賢明，呂宏水，王偉，等.直流電動機脈寬調(diào)速的單周期控制［J］.電氣傳動自動化，2009(4):18 －23.(CHEN Xianming，LV Hongshui，WANG Wei，et al.Speed regulation with PWM for DC motor under one-cycle control［J］.Electric Drive Automation，2009(4):18 －23.(in Chinese))