常奇　王玥　牛王強(qiáng)

摘 要： 鋰電池組與柴油機(jī)構(gòu)成的混合動(dòng)力起重機(jī)系統(tǒng)是港口節(jié)能減排的一項(xiàng)重要技術(shù)。針對(duì)起重機(jī)再生制動(dòng)能量的回收，設(shè)計(jì)了雙向DC?DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩種工作模式（再生制動(dòng)模式和鋰電池組放電模式）；對(duì)雙向DC?DC變流器升壓工作方式設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制器，降壓工作方式設(shè)計(jì)了電流環(huán)和電壓環(huán)兩種控制器，并進(jìn)行了對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電過(guò)程和不同運(yùn)行模式間切換過(guò)程的控制。運(yùn)用PLECS搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，在制動(dòng)能量回收過(guò)程中，采用電壓環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)較高效率的制動(dòng)能量回收。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力輪胎式起重機(jī)； 鋰電池組； 雙向DC?DC變換器； 再生能源存儲(chǔ)； PLECS

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0132?05

Abstract： The hybrid power system of rubber tyred gantry crane （RTGC）， which consists of a lithium battery pack and a diesel engine， is important for energy conservation and emission reduction in the port. To solve the problem of energy storage in the backing mode of RTGC， a bidirectional DC?DC converter was designed to achieve two operating modes （regenerative braking mode and lithium battery pack discharge mode） of lithium battery pack storage device. A double closed?loop controller was designed for the boost operating mode of bidirectional DC?DC converter. Two controllers with a current loop and voltage loop was designed for the buck operating mode of the bidirectional DC?DC converter. With the controllers， the control of lithium battery pack storage system was realized in the charging， discharging and switching process of the different modes. The PLECS is used to build a simulation model of the system. The simulation results show that the voltage loop controller can efficiently implement the braking energy recovery in the braking process.

Keywords： hybrid power RTGC； lithium battery pack； bidirectional DC?DC converter； regenerative energy storage； PLECS

0 引 言

輪胎式集裝箱起重機(jī)（RTG）是從20世紀(jì)70年代初逐漸發(fā)展起來(lái)的一種集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)的專用裝卸設(shè)備。常規(guī)RTG的能量源為柴油發(fā)電機(jī)組，其能量轉(zhuǎn)換效率低且能耗大。在能源日趨緊張的今天，如何減少能量消耗及合理回收其制動(dòng)階段產(chǎn)生的能量成為目前研究的必然趨勢(shì)?；旌蟿?dòng)力RTG就是將起重機(jī)下放集裝箱時(shí)釋放的能量收集起來(lái)，轉(zhuǎn)化為電能，然后在需要時(shí)重新提供給起重機(jī)。這種RTG不僅節(jié)能環(huán)保，而且可以保證常規(guī)RTG操作靈活的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，雙向DC?DC變換器以其優(yōu)良的特性在數(shù)控機(jī)床、地鐵、電力機(jī)車、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文中混合動(dòng)力RTG再生制動(dòng)能量采用鋰電池組進(jìn)行存儲(chǔ)，出于對(duì)串聯(lián)電池?cái)?shù)量與高電壓電機(jī)的矛盾及對(duì)制動(dòng)能量回收的考慮，促使雙向DC?DC變換器在混合動(dòng)力RTG上的使用，而雙向DC?DC變換器是影響混合動(dòng)力RTG性能的重要因素之一。

對(duì)混合動(dòng)力RTG的研究早已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是雙向DC?DC變換器的建模與控制在混合動(dòng)力RTG方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]主要從基于超級(jí)電容器的混合動(dòng)力RTG的能量管理和控制策略方面進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2?3]利用狀態(tài)空間平均法建立三電平雙向DC?DC變換器的小信號(hào)模型，使用二項(xiàng)式準(zhǔn)則和巴特沃斯準(zhǔn)則對(duì)DC?DC變換器的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于超級(jí)電容器的混合動(dòng)力RTG的制動(dòng)能量回收和不間斷運(yùn)行狀態(tài)。

為了更好地模擬混合動(dòng)力起重機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，文中根據(jù)混合動(dòng)力RTG運(yùn)行的各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，針對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電方式的不同設(shè)計(jì)了不同的控制策略，按時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切換，并進(jìn)行了建模仿真，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制策略。

1 混合動(dòng)力RTG結(jié)構(gòu)及工作模式

混合動(dòng)力系統(tǒng)（Hybrid Power System）發(fā)明于19世紀(jì)末，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。鑒于其在汽車上的成功應(yīng)用，近年來(lái)混合動(dòng)力系統(tǒng)已成為工程機(jī)械節(jié)能降耗、降低廢氣排放的重要研究課題之一，而混合動(dòng)力RTG正是其工程應(yīng)用的一種具體體現(xiàn)?；旌蟿?dòng)力RTG通過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和鋰電池組系統(tǒng)協(xié)同工作，將再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在鋰電池組中，需要時(shí)可以利用，從而減少柴油消耗和廢氣排放。

對(duì)常規(guī)RTG的改造主要是混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)的應(yīng)用，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由小功率柴油發(fā)電機(jī)組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動(dòng)如圖1所示。

混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組的充放電，控制能量流動(dòng)的傳輸方向。

該混合動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中主要有3種工作模式：柴油發(fā)電機(jī)模式、再生發(fā)電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發(fā)電機(jī)模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于加速提升集裝箱或平移狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從柴油發(fā)電機(jī)組獲得能量。圖2（b）為再生發(fā)電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于提升集裝箱減速運(yùn)行和下放集裝箱時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電模式，并通過(guò)雙向DC?DC變換器給鋰電池組進(jìn)行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于再次加速提升集裝箱狀態(tài)，且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過(guò)雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動(dòng)力RTG的關(guān)鍵技術(shù)

混合動(dòng)力RTG起重機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)是對(duì)鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲(chǔ)能元件，雙向DC?DC變換器用來(lái)控制鋰電池組的充放電。接下來(lái)將分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動(dòng)力RTG能量?jī)?chǔ)蓄單元的主要有超級(jí)電容器和鋰電池2種。

超級(jí)電容器具有功率密度高、充電時(shí)間極短和使用壽命特別長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但是，超級(jí)電容器的漏流自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間的擱置會(huì)內(nèi)耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動(dòng)力電源難以控制。

鋰電池具有儲(chǔ)存容量大、放電電流穩(wěn)定、無(wú)污染及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，是RTG上理想的能量?jī)?chǔ)蓄單元。目前將鋰電池作為能量?jī)?chǔ)蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發(fā)的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)（Hybrid Power System）。整個(gè)鋰電池系統(tǒng)由許多小的供電單元組成，對(duì)每個(gè)小供電單元進(jìn)行電池溫度和充電量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)其充、放電是否過(guò)量，并且在整個(gè)操作過(guò)程中保持電池的輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該電池系統(tǒng)的使用壽命可達(dá)7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點(diǎn)[4]。

現(xiàn)以提升機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱時(shí)，能量流向是由柴油發(fā)電機(jī)組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載；當(dāng)?shù)蹙呦路偶b箱時(shí)，能量流向是將電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)能量回送到鋰電池組（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動(dòng)電阻上；當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，能量流向是由鋰電池組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結(jié)束，柴油發(fā)電機(jī)開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關(guān)鍵設(shè)備。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

根據(jù)前述混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于再生制動(dòng)狀態(tài)，且由鋰電池組供電時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)再生能量的回收?；旌蟿?dòng)力RTG系統(tǒng)需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，在升壓過(guò)程中，能有效地減少逆變系統(tǒng)輸入的直流電壓紋波，保證驅(qū)動(dòng)性能；在降壓過(guò)程中，使變換器電壓輸出平穩(wěn)，減少電流波動(dòng)對(duì)電池充電性能所造成的影響。下文將對(duì)雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成仿真實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，并對(duì)再生制動(dòng)能量回收過(guò)程分別設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力系統(tǒng)電流環(huán)和電壓環(huán)控制策略。通過(guò)PLECS仿真，有效地完成了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)提升和下放集裝箱過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用電壓環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量較高效率的回收，從而使整個(gè)系統(tǒng)可以采用小功率的柴油機(jī)發(fā)電組，并達(dá)到節(jié)能減排的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] KIM Sang?Min， SUL Seung?Ki. Control of rubber tyred gantry crane with energy storage based on supercapacitor bank [J]. IEEE Transactions on Power Electron， 2006， 21（5）： 1420?1427.

[2] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. Mode?ling and control of the ultracapacitor?based regenerative controlled electric drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3471?3484.

[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

[4] 陳光.基于鋰電池的混合動(dòng)力RTG[J].港口裝卸，2011（6）：35?36.

[5] Dubarry M， Vuillaume N， Liaw B Y. From Li?ion single cell model to battery pack simulation [C]// Proceeding of 2008 IEEE International Conference on Control Applications. [S.l.]： IEEE， 2008： 708?713.

[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

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[8] 丁惜瀛，于華，李健，等.基于模糊PI控制的電動(dòng)汽車雙向DC/DC變換器[J].大功率變流技術(shù)，2012（1）：13?16.

[9] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[10] 陳旭，谷盛，梁克，等.基于Simulink的輪胎門式起重機(jī)柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2011，11（4）：87?90.

對(duì)常規(guī)RTG的改造主要是混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)的應(yīng)用，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由小功率柴油發(fā)電機(jī)組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動(dòng)如圖1所示。

混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組的充放電，控制能量流動(dòng)的傳輸方向。

該混合動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中主要有3種工作模式：柴油發(fā)電機(jī)模式、再生發(fā)電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發(fā)電機(jī)模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于加速提升集裝箱或平移狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從柴油發(fā)電機(jī)組獲得能量。圖2（b）為再生發(fā)電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于提升集裝箱減速運(yùn)行和下放集裝箱時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電模式，并通過(guò)雙向DC?DC變換器給鋰電池組進(jìn)行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于再次加速提升集裝箱狀態(tài)，且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過(guò)雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動(dòng)力RTG的關(guān)鍵技術(shù)

混合動(dòng)力RTG起重機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)是對(duì)鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲(chǔ)能元件，雙向DC?DC變換器用來(lái)控制鋰電池組的充放電。接下來(lái)將分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動(dòng)力RTG能量?jī)?chǔ)蓄單元的主要有超級(jí)電容器和鋰電池2種。

超級(jí)電容器具有功率密度高、充電時(shí)間極短和使用壽命特別長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但是，超級(jí)電容器的漏流自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間的擱置會(huì)內(nèi)耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動(dòng)力電源難以控制。

鋰電池具有儲(chǔ)存容量大、放電電流穩(wěn)定、無(wú)污染及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，是RTG上理想的能量?jī)?chǔ)蓄單元。目前將鋰電池作為能量?jī)?chǔ)蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發(fā)的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)（Hybrid Power System）。整個(gè)鋰電池系統(tǒng)由許多小的供電單元組成，對(duì)每個(gè)小供電單元進(jìn)行電池溫度和充電量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)其充、放電是否過(guò)量，并且在整個(gè)操作過(guò)程中保持電池的輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該電池系統(tǒng)的使用壽命可達(dá)7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點(diǎn)[4]。

現(xiàn)以提升機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱時(shí)，能量流向是由柴油發(fā)電機(jī)組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載；當(dāng)?shù)蹙呦路偶b箱時(shí)，能量流向是將電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)能量回送到鋰電池組（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動(dòng)電阻上；當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，能量流向是由鋰電池組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結(jié)束，柴油發(fā)電機(jī)開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關(guān)鍵設(shè)備。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

根據(jù)前述混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于再生制動(dòng)狀態(tài)，且由鋰電池組供電時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)再生能量的回收?；旌蟿?dòng)力RTG系統(tǒng)需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，在升壓過(guò)程中，能有效地減少逆變系統(tǒng)輸入的直流電壓紋波，保證驅(qū)動(dòng)性能；在降壓過(guò)程中，使變換器電壓輸出平穩(wěn)，減少電流波動(dòng)對(duì)電池充電性能所造成的影響。下文將對(duì)雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成仿真實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，并對(duì)再生制動(dòng)能量回收過(guò)程分別設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力系統(tǒng)電流環(huán)和電壓環(huán)控制策略。通過(guò)PLECS仿真，有效地完成了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)提升和下放集裝箱過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用電壓環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量較高效率的回收，從而使整個(gè)系統(tǒng)可以采用小功率的柴油機(jī)發(fā)電組，并達(dá)到節(jié)能減排的目的。

參考文獻(xiàn)

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[4] 陳光.基于鋰電池的混合動(dòng)力RTG[J].港口裝卸，2011（6）：35?36.

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[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

[7] 馬奎安，陳敏.超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)充電模式控制設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2010，27（7）：85?88.

[8] 丁惜瀛，于華，李健，等.基于模糊PI控制的電動(dòng)汽車雙向DC/DC變換器[J].大功率變流技術(shù)，2012（1）：13?16.

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對(duì)常規(guī)RTG的改造主要是混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)的應(yīng)用，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由小功率柴油發(fā)電機(jī)組、鋰電池組和雙向DC?DC變換器組成，其工作原理及能量流動(dòng)如圖1所示。

混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)能量傳遞的核心單元是雙向DC?DC變換器，其功能是監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組的充放電，控制能量流動(dòng)的傳輸方向。

該混合動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中主要有3種工作模式：柴油發(fā)電機(jī)模式、再生發(fā)電模式和鋰電池組放電模式。圖2（a）為柴油發(fā)電機(jī)模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于加速提升集裝箱或平移狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從柴油發(fā)電機(jī)組獲得能量。圖2（b）為再生發(fā)電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于提升集裝箱減速運(yùn)行和下放集裝箱時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電模式，并通過(guò)雙向DC?DC變換器給鋰電池組進(jìn)行充電。圖2（c）為鋰電池組放電模式，當(dāng)RTG起重機(jī)處于再次加速提升集裝箱狀態(tài)，且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載從鋰電池組獲得能量，鋰電池組通過(guò)雙向DC?DC變換器放電。

2 混合動(dòng)力RTG的關(guān)鍵技術(shù)

混合動(dòng)力RTG起重機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)是對(duì)鋰電池組和雙向DC?DC變換器的研究，鋰電池組作為儲(chǔ)能元件，雙向DC?DC變換器用來(lái)控制鋰電池組的充放電。接下來(lái)將分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 鋰電池組

目前用于混合動(dòng)力RTG能量?jī)?chǔ)蓄單元的主要有超級(jí)電容器和鋰電池2種。

超級(jí)電容器具有功率密度高、充電時(shí)間極短和使用壽命特別長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但是，超級(jí)電容器的漏流自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間的擱置會(huì)內(nèi)耗掉能量，易受充放電流和溫度等因素的影響，作為動(dòng)力電源難以控制。

鋰電池具有儲(chǔ)存容量大、放電電流穩(wěn)定、無(wú)污染及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，是RTG上理想的能量?jī)?chǔ)蓄單元。目前將鋰電池作為能量?jī)?chǔ)蓄單元并且使用得較好的，是日本住友重工研發(fā)的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)（Hybrid Power System）。整個(gè)鋰電池系統(tǒng)由許多小的供電單元組成，對(duì)每個(gè)小供電單元進(jìn)行電池溫度和充電量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)其充、放電是否過(guò)量，并且在整個(gè)操作過(guò)程中保持電池的輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高電池的使用壽命。住友重工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該電池系統(tǒng)的使用壽命可達(dá)7.5年，較好地改善了鋰電池壽命較短的缺點(diǎn)[4]。

現(xiàn)以提升機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱時(shí)，能量流向是由柴油發(fā)電機(jī)組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載；當(dāng)?shù)蹙呦路偶b箱時(shí)，能量流向是將電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)能量回送到鋰電池組（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），多余部分消耗在制動(dòng)電阻上；當(dāng)?shù)蹙咛嵘b箱且鋰電池組儲(chǔ)能充足時(shí)，能量流向是由鋰電池組供給到電動(dòng)機(jī)負(fù)載（經(jīng)過(guò)DC?DC變換器控制），直到鋰電池組放電結(jié)束，柴油發(fā)電機(jī)開始供能。由此可見，雙向DC?DC變換器是控制能量流向的關(guān)鍵設(shè)備。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

根據(jù)前述混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)工作模式的不同，雙向DC?DC變換器分別工作在Boost模式和Buck模式。當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于再生制動(dòng)狀態(tài)，且由鋰電池組供電時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Boost模式，保證起重機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)起重機(jī)負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，雙向DC?DC變換器工作于Buck模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)再生能量的回收?；旌蟿?dòng)力RTG系統(tǒng)需要保證雙向DC?DC變換器的輸出電壓、電流保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，在升壓過(guò)程中，能有效地減少逆變系統(tǒng)輸入的直流電壓紋波，保證驅(qū)動(dòng)性能；在降壓過(guò)程中，使變換器電壓輸出平穩(wěn)，減少電流波動(dòng)對(duì)電池充電性能所造成的影響。下文將對(duì)雙向DC?DC變換器兩種工作模式控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成仿真實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)各個(gè)工作模式的特點(diǎn)，并對(duì)再生制動(dòng)能量回收過(guò)程分別設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力系統(tǒng)電流環(huán)和電壓環(huán)控制策略。通過(guò)PLECS仿真，有效地完成了混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)提升和下放集裝箱過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用電壓環(huán)控制器可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量較高效率的回收，從而使整個(gè)系統(tǒng)可以采用小功率的柴油機(jī)發(fā)電組，并達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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