謝 毅

（中交路橋華東工程有限公司，上海201210）

0 前言

隨著能量消耗的不斷增加，特別是空氣污染的日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排已成為當(dāng)今中國最為迫切解決的問題之一。工程機(jī)械作為大排放機(jī)械，技能減排勢(shì)在必行。因此，純電動(dòng)裝載機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。純電動(dòng)裝載機(jī)是指將動(dòng)力電池或網(wǎng)電等作為能量源為整機(jī)提供動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)整機(jī)作業(yè)行駛的機(jī)型。

目前，純電動(dòng)裝載機(jī)多為單一的蓄電池來提供動(dòng)力，但是蓄電池作為唯一的動(dòng)力來源有很多缺陷：①蓄電池對(duì)溫度比較敏感，給使用著帶來諸多不便；②蓄電池的有限循環(huán)壽命，增加了使用者更換電源的費(fèi)用；③廢舊電池的環(huán)保問題。

超級(jí)電容作為新型的能源，它擁有蓄電池所不具備的優(yōu)點(diǎn)：①有非常高的功率密度；②充電速度快；③循環(huán)壽命長，半永久性使用無需更換；④效率高；⑤低溫性能優(yōu)越[1]。因此將超級(jí)電容作為輔助電源與動(dòng)力電池組成聯(lián)合體共同工作，組成蓄電池-超級(jí)電容的復(fù)合系統(tǒng)既可以將蓄電池的高比能量和超級(jí)電容的高比功率的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，又可以降低電動(dòng)車輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求，使系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的要求，并對(duì)蓄電池起保護(hù)作用，大大延長蓄電池循環(huán)使用壽命，提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性，極有發(fā)展前途。

本文的研究為純電動(dòng)裝載機(jī)單一電源和復(fù)合電源的比較，為現(xiàn)階段純電動(dòng)裝載機(jī)的研發(fā)提供一定的借鑒，復(fù)合電源的純電動(dòng)裝載機(jī)相對(duì)于單一電源的純電動(dòng)裝載機(jī)更有價(jià)值。

1 復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)

復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)裝載機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)與純電動(dòng)裝載機(jī)有一定的區(qū)別，其儲(chǔ)能裝置是由蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合提供。超級(jí)電容與蓄電池構(gòu)成的復(fù)合電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有四種：①超級(jí)電容與蓄電池直接并聯(lián)；②電源復(fù)合結(jié)構(gòu)為蓄電池與DC/DC變換器串聯(lián)，然后再與超級(jí)電容并聯(lián)；③電源復(fù)合結(jié)構(gòu)為超級(jí)電容與DC/DC變換器串聯(lián)，然后與蓄電池并聯(lián)；④超級(jí)電容、蓄電池均與DC/DC變換器串聯(lián)[2]。

綜合比較，復(fù)合電源結(jié)構(gòu)宜采用圖1結(jié)構(gòu)，如圖1所示，超級(jí)電容與DC/DC變換器串聯(lián)后與蓄電池并聯(lián)，蓄電池直接對(duì)外輸出功率的方式提高了能量利用效率，超級(jí)電容通過DC/DC變換器跟蹤監(jiān)測(cè)蓄電池組端電壓，并調(diào)節(jié)自身電壓，該種復(fù)合電源系統(tǒng)易于控制。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

2 純電動(dòng)裝載機(jī)工況分析

2.1裝載機(jī)工況循環(huán)的制定

裝載機(jī)工作模式主要有：裝載、短距離搬運(yùn)、輕度鏟掘和其它輔助作業(yè)（平地、吊運(yùn)等），其中，裝卸和短距離搬運(yùn)為主要工作模式。

裝卸工作模式主要是“V”型作業(yè)，這種作業(yè)方式主要分為六個(gè)階段，裝載機(jī)從起點(diǎn)出發(fā)，分別為空載前進(jìn)、挖掘、帶載后退、帶載前進(jìn)、卸載，空載后退，裝載機(jī)回到起點(diǎn)后開始下一個(gè)工作循環(huán)[3]。短距離搬運(yùn)模式與“V”型作業(yè)相似，同樣分為六個(gè)階段，只是空載運(yùn)輸和帶載運(yùn)輸?shù)木嚯x要長一些。

在裝載機(jī)作業(yè)過程中，其行駛速度相對(duì)較小，參考傳統(tǒng)裝載機(jī)工作速度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在仿真中設(shè)定裝載機(jī)的最大速度為12 km/h左右，具體速度曲線如圖2所示。

圖2 裝載機(jī)循環(huán)工況

2.2裝載機(jī)整車動(dòng)力學(xué)模型

（1）插入阻力

在裝載機(jī)工況中，插入工況需求的功率是最大的[6]，在此選擇插入工況分析，其插入阻力為：

式中，K1、K2、K3、K4分別為物料塊度及松散程度影響系數(shù)、物料種類影響系數(shù)、料堆高度影響系數(shù)、鏟斗形狀系數(shù)；lp為鏟斗插入堆料深度（cm）；在一次鏟掘法時(shí)，取0.7～0.8倍的斗底長度；Bb為鏟斗寬度（cm）。

（2）鏟斗翻轉(zhuǎn)阻力矩

鏟斗翻轉(zhuǎn)阻力指的是當(dāng)鏟斗插入料堆一定深度后向上翻起，此時(shí)料堆對(duì)鏟斗的反作用力矩。用翻轉(zhuǎn)鏟斗來挖掘物料時(shí)，通常忽略鏟斗翻轉(zhuǎn)的角加速度，鏟斗剛開始翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，受到最大靜阻力矩Mcmax，接著鏟斗繼續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，受到的阻力矩迅速減??；當(dāng)回轉(zhuǎn)至鏟斗底面剛離開物料時(shí)，此時(shí)的靜阻力矩為M0（完全由鏟掘的物料重量決定），而此時(shí)鏟斗的翻轉(zhuǎn)角度為α0，Mc的計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)c為鏟斗插入阻力；Lc為鏟斗插入深度；x為鏟斗回轉(zhuǎn)軸心o和鏟斗刃的距離1.143（m）；y為鏟斗回轉(zhuǎn)軸心o和地面的垂直距離0.1（m）。

（3）崛起阻力

掘起阻力是指在鏟斗插入料堆一定深度后，提升動(dòng)臂時(shí)物料對(duì)裝載機(jī)鏟斗的反作用力。掘起阻力主要是剪切阻力，最大掘起阻力通常發(fā)生在鏟斗開始舉升的時(shí)刻，此時(shí)鏟斗中物料與料堆之間剪切面積最大，隨著動(dòng)臂的舉升掘起阻力逐漸減小。鏟斗開始舉升時(shí)物料的剪切力按下式計(jì)算：

其中：K為開始舉升鏟斗時(shí)物料的剪切應(yīng)力，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定；B為鏟斗寬度（cm）；Lc為鏟斗的插入深度（cm）。

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1電機(jī)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

裝載機(jī)在工作時(shí)，當(dāng)車速越高，風(fēng)阻會(huì)增加，需求功率也會(huì)增大；當(dāng)載重質(zhì)量越大，滾動(dòng)摩擦阻力越大，需求的功率也越大?？紤]車輛運(yùn)行的各種工況，通過重載時(shí)最高車速來初步確定單個(gè)電機(jī)的額定功率[3]。由上面工況分析所得，裝載機(jī)的峰值功率在其插入物料堆時(shí)，所以電機(jī)的峰值功率必須滿足裝載機(jī)工作時(shí)對(duì)峰值功率的需要。即：

式中：PNe為電動(dòng)機(jī)的額定功率（kW）；PNmax為電動(dòng)機(jī)的峰值功率（kW）。

3.2蓄電池的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

3.2.1蓄電池功率的匹配

在進(jìn)行功率匹配的時(shí)候，蓄電池提供的功率需要滿足轉(zhuǎn)載機(jī)在工作時(shí)為其設(shè)定的閥值，即：

式中：Pbmax為蓄電池的功率（kW）；Pave為蓄電池提供功率的閥值（kW）。

3.2.2電池?cái)?shù)量的選擇

根據(jù)所選蓄電池的特性，為了達(dá)到蓄電池的功率需求，單體電池串聯(lián)數(shù)量n1和電池組并聯(lián)數(shù)量m1可按下式確定，即：

式中：U1為電池組端口電壓（V）；Ebat為單體電池的電動(dòng)勢(shì)（V）；Qbat為電池在所需提供的總能量（kW·h）；R串為串聯(lián)電池組的等效內(nèi)阻（Ω）；ηb為電池放電效率。

3.3超級(jí)電容的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

3.3.1超級(jí)電容功率的匹配

超級(jí)電容需要提供閥值以外的功率，即：

式中：Pcmax為蓄電池的功率（kW）。

3.3.2超級(jí)電容數(shù)量的選擇

根據(jù)所選超級(jí)電容的特性，為了達(dá)到超級(jí)電容的功率需求，超級(jí)電容串聯(lián)數(shù)量n2和電池組并聯(lián)數(shù)量m2可按下式確定[4]，即：

式中：Qc為超級(jí)電容所需提供的總能量(kW·h)；Cc為拆機(jī)電容單體容量，F(xiàn)；Umax、Umin為超級(jí)電容的最大和最小端口電壓，V；ηc為超級(jí)電容放電效率。

4 典型工況仿真驗(yàn)證

本文通過Advisor軟件和simulink聯(lián)合對(duì)純電動(dòng)裝載機(jī)進(jìn)行建模，分別建立單一蓄電池和復(fù)合電源為動(dòng)力的模型。根據(jù)上面文中對(duì)裝載機(jī)各部分的模型建立，將其整合加入典型的傳動(dòng)系統(tǒng)模塊，建立純電動(dòng)裝載機(jī)的整體模型[5]，如圖3所示。

圖3 純電動(dòng)裝載機(jī)的整體模型

本文選擇某5 t輪式裝載機(jī)為例，對(duì)比分析其在V型裝卸模式下對(duì)原生土進(jìn)行作業(yè)過程中單一動(dòng)力源和復(fù)合動(dòng)力源的不同，只選擇70 s的周期時(shí)間對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖4和圖5分別為在該工況下蓄電池作為唯一電源時(shí)和復(fù)合電源提供動(dòng)力時(shí)電源系統(tǒng)輸出的功率譜圖。其中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為功率值。

圖4 單一電源系統(tǒng)輸出的功率

圖5 復(fù)合電源系統(tǒng)輸出的功率

從圖4可以看出若要實(shí)現(xiàn)工況需求，電機(jī)的功率需求都要電池來提供，單一蓄電池需要提供的峰值功率達(dá)到160 kW，由于蓄電池的比功率比較低，高峰值功率也意味著對(duì)電池的性能和成本要求都會(huì)高。

從圖5可知，如果將單一電源換成復(fù)合電源，此時(shí)電機(jī)需求的功率將有蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合提供，當(dāng)電機(jī)需求功率在閥值以下，所需功率都有蓄電池來提供；但電機(jī)需求功率超過一定的閥值后，蓄電池和超級(jí)電容配合放電，此時(shí)蓄電池不高于閥值的功率，超級(jí)電容提供閥值以上的功率需求，在這種情況下，很好的利用了電池比能量高和超級(jí)電容比功率高的特點(diǎn)。在整個(gè)循環(huán)工況過程中，蓄電池持續(xù)在功率閥值以下比較均衡的放電，峰值功率由超級(jí)電容提供，使得蓄電池的放電電流減小，且電池組峰值功率需求減少，這樣既保護(hù)了壽命，也降低了成本。

5 結(jié)束語

蓄電池-超級(jí)電容的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于單一蓄電池的系統(tǒng)，能更好的為動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力需求。將蓄電池的比能量高和超級(jí)電容比功率該的特點(diǎn)結(jié)合起來，更好的完成動(dòng)力系統(tǒng)的能量供給。本文為后續(xù)的工程車輛復(fù)合動(dòng)力開發(fā)提供一定的幫助。

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