超級(jí)電容自卸車的動(dòng)力及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

沈桂麗，吳朝來(lái)

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

由于隧道施工通風(fēng)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(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，且該種出渣車使用較頻繁，其尾氣排放嚴(yán)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(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)早已研制出了混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，且多采用蓄電池作為電源，以新能源超級(jí)電容為電源的電動(dòng)出渣車較為少見。文獻(xiàn)［1－6］介紹了超級(jí)電容的工作原理和特點(diǎn)，并對(duì)其在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析;文獻(xiàn)［7］介紹了超級(jí)電容在工程機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對(duì)超級(jí)電容的性能和在推土機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析?？梢钥吹?，以上文獻(xiàn)均注重超級(jí)電容在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對(duì)超級(jí)電容的電池能量、動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)電容的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種新型環(huán)保節(jié)能的超級(jí)電容自卸車。該車是以超級(jí)電容電池為能源，該能源具有功率密度高，可重復(fù)使用，無(wú)任何尾氣排放，配備液壓自卸裝置，運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工中可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 超級(jí)電容自卸車設(shè)計(jì)的創(chuàng)新

在超級(jí)電容自卸車設(shè)計(jì)、制造、使用及報(bào)廢后回收再利用等過(guò)程的整個(gè)生命周期內(nèi)，將環(huán)境性能、資源性能作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使自卸車成為對(duì)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(jí)電容自卸車設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的超級(jí)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(jí)電容組件箱均有獨(dú)立的散熱系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)、出風(fēng)口及冷熱倉(cāng)均采取相應(yīng)措施，能在20～40℃的環(huán)境中正常作業(yè)。超級(jí)電容自卸車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 超級(jí)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(jí)電容自卸車電池能量的參數(shù)選擇

3.1 超級(jí)電容

超級(jí)電容又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，所以超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容剖面如圖1所示。

圖1 超級(jí)電容剖面圖Fig.1 Profile of super capacitor

超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的2個(gè)無(wú)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(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成2個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)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(chǔ)存電能，因而不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源。超級(jí)電容器的突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，充放電時(shí)間短，大電流放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)，工作溫度范圍寬，可耐壓儲(chǔ)存更大容量，檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出，無(wú)污染，綠色環(huán)保。

3.2 超級(jí)電容電池容量的參數(shù)計(jì)算

超級(jí)電容電池容量由無(wú)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(dòng)自卸液壓起降裝置耗能3部分組成，即

3.2.1 無(wú)坡度車輛滿載行駛總耗能

式中:m為滿載時(shí)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(dòng)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(jī)效率和機(jī)械傳動(dòng)效率，超級(jí)電容儲(chǔ)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(shí)間，取2 h。

代入式(3)得:W2=0.48 kW·h。

3.2.3 電動(dòng)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(jì)算得:超級(jí)電容電池容量W=2.926 kW·h。

4 超級(jí)電容自卸車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

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

4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇

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

主驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lái)確定最大功率(車輛在加速過(guò)程中的末時(shí)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(dòng)系數(shù)總效率，取0.93;m為滿載時(shí)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(dòng)阻力系數(shù)，取0.03;CD為空氣阻力系數(shù)，取0.4;A為超級(jí)電容自卸車的迎風(fēng)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(shí)間。

確定電機(jī)的額定功率后，再確定電機(jī)的峰值功率

式中:P峰為電機(jī)峰值功率;P額為電機(jī)額定功率;λ為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，取2～3。

根據(jù)計(jì)算，本文選擇P額=15 kW，P峰=36 kW，超級(jí)電容自卸車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)建議選用ZYCD－15永磁直流電動(dòng)車電機(jī)，其性能參數(shù)如表2所示。

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

4.2 傳動(dòng)比的確定

4.2.1 最小傳動(dòng)比的選擇

設(shè)傳動(dòng)系的傳動(dòng)比為i，主減速比為io，變速器傳動(dòng)比為ig，則有i=ioig。變速器Ⅰ，Ⅱ2檔傳動(dòng)比分別為ig1和ig2，最小傳動(dòng)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?yán)碚摽芍?/p>

式中:nmax為最大轉(zhuǎn)速，取6 000 r/min;r為車輪滾動(dòng)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(dòng)比imin≤48.984。對(duì)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(dòng)比應(yīng)滿足ig2≤1.794。

4.2.2 最大傳動(dòng)比的選擇

確定傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)考慮最大爬坡度和地面附著率2方面問(wèn)題。傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比(imax)是變速器Ⅰ檔傳動(dòng)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?yán)碚摽芍?/p>

式中:ηT為傳動(dòng)系數(shù)總效率，取0.93;m為滿載時(shí)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(dòng)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(dòng)半徑，取0.325 m。

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

5 超級(jí)電容自卸車控制系統(tǒng)

5.1 超級(jí)電容自卸車控制系統(tǒng)電氣原理

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

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

5.2 超級(jí)電容自卸車控制系統(tǒng)原理分析

超級(jí)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(jí)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(jī)等輔助動(dòng)力系統(tǒng)正常工作。另外，當(dāng)踩下加速踏板時(shí)，油門踏板的機(jī)械信號(hào)將轉(zhuǎn)換成－5～+5 V電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)12針接頭進(jìn)入控制器，為控制器中開關(guān)元件提供脈沖觸發(fā)信號(hào)。

第2路電池組的電壓信號(hào)在車鑰匙開關(guān)處于ON狀態(tài)時(shí)進(jìn)入控制器，控制器正常得電，電源的直流電壓信號(hào)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(hào)，從而變頻驅(qū)動(dòng)主電機(jī)ZYCD－15，使整車動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行［9－10］。

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

圖3 超級(jí)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(jí)電容自卸車的成功研制，關(guān)鍵是對(duì)其電池能量、動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇，并對(duì)各系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理選擇。

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

2)本研究對(duì)超級(jí)電容自卸車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算只是初步計(jì)算分析，還需要進(jìn)一步驗(yàn)算取值才能使整車的動(dòng)力性能更加優(yōu)越。

3)控制器相當(dāng)于人的大腦，控制整車的運(yùn)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(jìn)。

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