關于混合動力起重機能量控制系統的研究與設計

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境惡化問題，尋求社會、經濟與資源、環境相互促進與協調發展的可持續發展模式正在成為世界性潮流。高效、節能、環保型的起重機一直是國內外許多生產企業走可持續發展戰略的一個重要目標。改善發電機組性能、采用市電代替柴油發電機組和采用混合動力技術是當前起重機節能研究的主要方面。

1 混合動力起重機動力部件的特性分析

1.1 柴油發動機

柴油發動機的運轉情況主要取決于曲軸的轉速和發出的功率及扭矩。不同用途的發動機，其工況是各不相同的。為了評價發動機在不同工況下運行的動力性指標和經濟性指標以及工作過程進行的完善程度，就必須研究發動機特性。柴油發動機的工況平面、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，是近年發展起來的一種新型儲能器件，與常規電容器不同，超級電容器的容量很大，可達法拉級甚至到數千法拉。

2 混合動力起重機在工程機械上的應用

在機械使用中，傳統的工程機械利用率不高，才到達20%，經濟的發展對資源的利用效率提出了更高的要求，很好的節省資源，提高操作效率從而提高設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，把工程機械的節能技術看成了發展的重點。

在當前節能技術發展的形勢下，我國也著重將混合動力工程機械中的節能技術的開發提上了日程，引起了國家有關部門的重視。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鍵技術及系統”項目列入國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）先進制造技術領域的重點項目中。

在當前形勢下，國內的許多挖掘生產廠家加大了資金和技術投入的力度，在以前機械的基礎上進行了改進措施，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品的研發，發展角度比較片面。

武漢理工大學的有關人員對輪胎起重機進行了相關的研究，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用關鍵技術同時建立起了輪胎起重機混合動力系統的數學模型，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能效果十分明顯，在輪胎起重機使用混合動力技術后其每個的作業環節都節約了將近40%左右的柴油。研究結果得知要加大對混合動力的改造，為建立節約型和可持續發展型社會提供保障。

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

在當前經濟形式下，工程機械上要應用混合動力要綜合考慮到系統的節能、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 串聯式系統

串聯式系統主要指將發動機和大功率的發電機進行直接的串聯，當機械能通過發動機來輸出時，則將其全部用來驅動發電機，在發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化會變成液壓能，液壓能會在控制閥的影響下去驅動執行機構；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動工程機械的運轉部件。

圖2 串聯式混合動力能量回收示意圖

在串聯式混合動力系統中的蓄能元件引進了電池或者超級電容器，液壓馬達驅動回轉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的液壓損失，同時制動能在回轉的過程中會產生出來可以用來對電動機進行發電。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 并聯式系統

并聯式多用于驅動系統能量回收，分為以下三種典型結構。

變速器布置在轉矩耦合器的后面，這種傳動方式的優點是直接驅動系統和能量再生系統同時將動力輸出給變速器，可以使車輛得到更大的驅動力，提高了車輛的驅動性能。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矩不大，影響系統的制動能量回收效率。

圖3 并聯式能量回收示意圖

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

3 系統能量利用及控制策略

3.1 柴油發電機組控制策略

發動機油門控制、發電機勵磁調速和變速箱增減速調節是發電機組主要控制組成部分。根據速度和電流測量，計算實際所需扭矩，柴油發動機的扭矩和速度，進行轉換，然后再確定柴油燃油噴射量。當系統需要工作重物或需要補充能量超級電容器時，在滿效率的區域控制渦輪機運行，當負載功率需求低時，發動機可以工作于低于額定轉速，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，當系統重物負載的需求功率大于發電機組所能提供最大功率時，這種趨勢更為明顯。所以可以根據直流母線電壓的變化來控制雙向DC/DC變換器，實現超級電容器的充放電。

4 結語

國外許多研究機構和工程機械生產企業已經在混合動力起重機領域取得了一些成果并且掌握了一定的關鍵技術；而我國相關研究還比較滯后，應抓緊時間進行相關技術的研究，早日掌握關鍵技術。

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