關(guān)于混合動力起重機能量控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

邵興祿

（銅仁市特檢所，貴州 銅仁 554300）

面對日趨嚴重的資源短缺與環(huán)境惡化問題，尋求社會、經(jīng)濟與資源、環(huán)境相互促進與協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式正在成為世界性潮流。高效、節(jié)能、環(huán)保型的起重機一直是國內(nèi)外許多生產(chǎn)企業(yè)走可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要目標。改善發(fā)電機組性能、采用市電代替柴油發(fā)電機組和采用混合動力技術(shù)是當前起重機節(jié)能研究的主要方面。

1 混合動力起重機動力部件的特性分析

1.1 柴油發(fā)動機

柴油發(fā)動機的運轉(zhuǎn)情況主要取決于曲軸的轉(zhuǎn)速和發(fā)出的功率及扭矩。不同用途的發(fā)動機，其工況是各不相同的。為了評價發(fā)動機在不同工況下運行的動力性指標和經(jīng)濟性指標以及工作過程進行的完善程度，就必須研究發(fā)動機特性。柴油發(fā)動機的工況平面、工況線及典型工況點如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)動機的工況平面、工況線及典型工況點

1.2 超級電容器

超級電容器，又稱為雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是近年發(fā)展起來的一種新型儲能器件，與常規(guī)電容器不同，超級電容器的容量很大，可達法拉級甚至到數(shù)千法拉。

2 混合動力起重機在工程機械上的應(yīng)用

在機械使用中，傳統(tǒng)的工程機械利用率不高，才到達20%，經(jīng)濟的發(fā)展對資源的利用效率提出了更高的要求，很好的節(jié)省資源，提高操作效率從而提高設(shè)備的使用效率和性價比成為了重中之重，各大公司為了提高在市場上的競爭力，把工程機械的節(jié)能技術(shù)看成了發(fā)展的重點。

在當前節(jié)能技術(shù)發(fā)展的形勢下，我國也著重將混合動力工程機械中的節(jié)能技術(shù)的開發(fā)提上了日程，引起了國家有關(guān)部門的重視。加大了研究力度和資金的投入，同時科技部在2009年將“新型混合動力工程機械關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)”項目列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）先進制造技術(shù)領(lǐng)域的重點項目中。

在當前形勢下，國內(nèi)的許多挖掘生產(chǎn)廠家加大了資金和技術(shù)投入的力度，在以前機械的基礎(chǔ)上進行了改進措施，提高了挖掘機的利用效率，提高了工程的施工，但是許多公司沒有重視新產(chǎn)品的研發(fā)，發(fā)展角度比較片面。

武漢理工大學(xué)的有關(guān)人員對輪胎起重機進行了相關(guān)的研究，將其混合動力進行了改造。在改造過程中，其不僅對超級電容器的原理和電的特性進行了分析，還分析了混合動力的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)同時建立起了輪胎起重機混合動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對超級電容器的電特性進行了仿真驗證，通過對比得知在對混合動力進行改造后節(jié)能效果十分明顯，在輪胎起重機使用混合動力技術(shù)后其每個的作業(yè)環(huán)節(jié)都節(jié)約了將近40%左右的柴油。研究結(jié)果得知要加大對混合動力的改造，為建立節(jié)約型和可持續(xù)發(fā)展型社會提供保障。

我國相比較于國外來說，工程機械的混合動力化起步比較晚，國外早在2003年就推出了世界上第一臺混合動力輪式的裝載機，并經(jīng)過研究在2004年推出了世界上第一臺試驗性混合動力液壓挖掘機，遠遠領(lǐng)先于我國。

在最近幾年，我國加大了對混合動力的研究力度，一些挖掘機生產(chǎn)公司在混合動力的研發(fā)上取得了較大的成績，為我國混合動力在工程機械上的應(yīng)用提高了寶貴的經(jīng)驗。在2009年我國開始研發(fā)新型混合動力挖掘機，在2014年將完成研發(fā)，到時將此挖掘機投入使用，將大大減少二氧化碳的排放量，節(jié)約大量的資源和成本。還為我國混合動力工程機械的研發(fā)提供了經(jīng)驗，到未來有利于使混合動力起重機應(yīng)用到大部分的工程機械當中，節(jié)約成本和資源。

在當前經(jīng)濟形式下，工程機械上要應(yīng)用混合動力要綜合考慮到系統(tǒng)的節(jié)能、排放和布局等因素，目前混合動力的能量回收方式主要有兩種。

2.1 串聯(lián)式系統(tǒng)

串聯(lián)式系統(tǒng)主要指將發(fā)動機和大功率的發(fā)電機進行直接的串聯(lián)，當機械能通過發(fā)動機來輸出時，則將其全部用來驅(qū)動發(fā)電機，在發(fā)電的過程中會輸出交流電，交流電會通過整流器的變化比為直流電，然后再將其存儲到電池或者超級電容器中，剩下的一部分交流電會通過逆變器的處理，再去驅(qū)動電動機。在電動機的使用過程中，會輸出一部分的機械能，然后通過液壓泵的轉(zhuǎn)化會變成液壓能，液壓能會在控制閥的影響下去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；電動機的運行過程中留下來的另外一部分的機械能會直接驅(qū)動工程機械的運轉(zhuǎn)部件。

圖2 串聯(lián)式混合動力能量回收示意圖

在串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中的蓄能元件引進了電池或者超級電容器，液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)運動改成了由電動機來代替，電動機代替液壓馬達不僅降低了這部分的能力損耗還減少了系統(tǒng)的液壓損失，同時制動能在回轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生出來可以用來對電動機進行發(fā)電。能量得以存儲在電池或者超級電容器當中，能量得到了再生利用。

2.2 并聯(lián)式系統(tǒng)

并聯(lián)式多用于驅(qū)動系統(tǒng)能量回收，分為以下三種典型結(jié)構(gòu)。

變速器布置在轉(zhuǎn)矩耦合器的后面，這種傳動方式的優(yōu)點是直接驅(qū)動系統(tǒng)和能量再生系統(tǒng)同時將動力輸出給變速器，可以使車輛得到更大的驅(qū)動力，提高了車輛的驅(qū)動性能。但缺點是在進行制動能量回收時，由于變速器的存在，傳遞到液壓回收元件上的轉(zhuǎn)矩不大，影響系統(tǒng)的制動能量回收效率。

圖3 并聯(lián)式能量回收示意圖

變速器安裝在直接驅(qū)動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩耦合器放置在變速器之后。能量回收系統(tǒng)不通過變速器單獨安裝在轉(zhuǎn)矩耦合器之前。這種傳動方式的優(yōu)點是在制動時，制動轉(zhuǎn)矩可以不通過耦合器直接作用于能量再生系統(tǒng)，能量回收效率較高。但是，由于能量再生系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩沒有經(jīng)過變速器的放大，所以驅(qū)動性能較差。

3 系統(tǒng)能量利用及控制策略

3.1 柴油發(fā)電機組控制策略

發(fā)動機油門控制、發(fā)電機勵磁調(diào)速和變速箱增減速調(diào)節(jié)是發(fā)電機組主要控制組成部分。根據(jù)速度和電流測量，計算實際所需扭矩，柴油發(fā)動機的扭矩和速度，進行轉(zhuǎn)換，然后再確定柴油燃油噴射量。當系統(tǒng)需要工作重物或需要補充能量超級電容器時，在滿效率的區(qū)域控制渦輪機運行，當負載功率需求低時，發(fā)動機可以工作于低于額定轉(zhuǎn)速，以減少柴油燃料消耗，噪聲，和維護成本。

3.2 超級電容器能量流向控制策略

超級電容器控制策略，主要是確定超級電容器何時放電、何時充電、何時不工作。其變換器的工作方式：即采用升級放電，升降壓充電的工作方式。

其中，系統(tǒng)對重物負載做功時，直流母線上電壓會有變小的趨勢，當系統(tǒng)重物負載的需求功率大于發(fā)電機組所能提供最大功率時，這種趨勢更為明顯。所以可以根據(jù)直流母線電壓的變化來控制雙向DC/DC變換器，實現(xiàn)超級電容器的充放電。

4 結(jié)語

國外許多研究機構(gòu)和工程機械生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)在混合動力起重機領(lǐng)域取得了一些成果并且掌握了一定的關(guān)鍵技術(shù)；而我國相關(guān)研究還比較滯后，應(yīng)抓緊時間進行相關(guān)技術(shù)的研究，早日掌握關(guān)鍵技術(shù)。

[1]段蘇振.應(yīng)用于輪胎式集裝箱門式起重機的節(jié)能降耗技術(shù)[J].起重運輸機械.2009(02)

[2]洪釤，劉晉川，饒京川，蘇國萃.輪胎式集裝箱門式起重機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].港口裝卸.2008(02)

[3]程立文，汪繼強，譚玲生.超級電容器的技術(shù)與應(yīng)用市場發(fā)展簡評[J].電源技術(shù).2007(11)

[4]張慧妍，韋統(tǒng)振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究[J].電網(wǎng)技術(shù).2006(08)

[5]李軍求，孫逢春，張承寧，李紅林.純電動大客車超級電容器參數(shù)匹配與實驗[J].電源技術(shù).2004(08)