純電動輪式裝載機動力系統的仿真與研究

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重，節能減排已成為當今中國最為迫切解決的問題之一。工程機械作為大排放機械，技能減排勢在必行。因此，純電動裝載機應運而生。純電動裝載機是指將動力電池或網電等作為能量源為整機提供動力以驅動整機作業行駛的機型。

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

超級電容作為新型的能源，它擁有蓄電池所不具備的優點：①有非常高的功率密度；②充電速度快；③循環壽命長，半永久性使用無需更換；④效率高；⑤低溫性能優越[1]。因此將超級電容作為輔助電源與動力電池組成聯合體共同工作，組成蓄電池-超級電容的復合系統既可以將蓄電池的高比能量和超級電容的高比功率的優點結合到一起，又可以降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求，使系統同時滿足動力性、經濟性的要求，并對蓄電池起保護作用，大大延長蓄電池循環使用壽命，提高電動汽車的實用性，極有發展前途。

本文的研究為純電動裝載機單一電源和復合電源的比較，為現階段純電動裝載機的研發提供一定的借鑒，復合電源的純電動裝載機相對于單一電源的純電動裝載機更有價值。

1 復合動力系統裝載機的結構

復合動力系統裝載機在動力系統與純電動裝載機有一定的區別，其儲能裝置是由蓄電池和超級電容聯合提供。超級電容與蓄電池構成的復合電源系統的拓撲結構主要有四種：①超級電容與蓄電池直接并聯；②電源復合結構為蓄電池與DC/DC變換器串聯，然后再與超級電容并聯；③電源復合結構為超級電容與DC/DC變換器串聯，然后與蓄電池并聯；④超級電容、蓄電池均與DC/DC變換器串聯[2]。

綜合比較，復合電源結構宜采用圖1結構，如圖1所示，超級電容與DC/DC變換器串聯后與蓄電池并聯，蓄電池直接對外輸出功率的方式提高了能量利用效率，超級電容通過DC/DC變換器跟蹤監測蓄電池組端電壓，并調節自身電壓，該種復合電源系統易于控制。

圖1 復合電源系統機構

2 純電動裝載機工況分析

2.1裝載機工況循環的制定

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

裝卸工作模式主要是“V”型作業，這種作業方式主要分為六個階段，裝載機從起點出發，分別為空載前進、挖掘、帶載后退、帶載前進、卸載，空載后退，裝載機回到起點后開始下一個工作循環[3]。短距離搬運模式與“V”型作業相似，同樣分為六個階段，只是空載運輸和帶載運輸的距離要長一些。

在裝載機作業過程中，其行駛速度相對較小，參考傳統裝載機工作速度的實測數據，在仿真中設定裝載機的最大速度為12 km/h左右，具體速度曲線如圖2所示。

圖2 裝載機循環工況

2.2裝載機整車動力學模型

（1）插入阻力

在裝載機工況中，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、物料種類影響系數、料堆高度影響系數、鏟斗形狀系數；lp為鏟斗插入堆料深度（cm）；在一次鏟掘法時，取0.7～0.8倍的斗底長度；Bb為鏟斗寬度（cm）。

（2）鏟斗翻轉阻力矩

鏟斗翻轉阻力指的是當鏟斗插入料堆一定深度后向上翻起，此時料堆對鏟斗的反作用力矩。用翻轉鏟斗來挖掘物料時，通常忽略鏟斗翻轉的角加速度，鏟斗剛開始翻轉時刻，受到最大靜阻力矩Mcmax，接著鏟斗繼續回轉時，受到的阻力矩迅速減小；當回轉至鏟斗底面剛離開物料時，此時的靜阻力矩為M0（完全由鏟掘的物料重量決定），而此時鏟斗的翻轉角度為α0，Mc的計算公式為：

其中，Fc為鏟斗插入阻力；Lc為鏟斗插入深度；x為鏟斗回轉軸心o和鏟斗刃的距離1.143（m）；y為鏟斗回轉軸心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，提升動臂時物料對裝載機鏟斗的反作用力。掘起阻力主要是剪切阻力，最大掘起阻力通常發生在鏟斗開始舉升的時刻，此時鏟斗中物料與料堆之間剪切面積最大，隨著動臂的舉升掘起阻力逐漸減小。鏟斗開始舉升時物料的剪切力按下式計算：

其中：K為開始舉升鏟斗時物料的剪切應力，應通過實驗測定；B為鏟斗寬度（cm）；Lc為鏟斗的插入深度（cm）。

3 動力系統參數匹配

3.1電機的參數匹配設計

裝載機在工作時，當車速越高，風阻會增加，需求功率也會增大；當載重質量越大，滾動摩擦阻力越大，需求的功率也越大。考慮車輛運行的各種工況，通過重載時最高車速來初步確定單個電機的額定功率[3]。由上面工況分析所得，裝載機的峰值功率在其插入物料堆時，所以電機的峰值功率必須滿足裝載機工作時對峰值功率的需要。即：

式中：PNe為電動機的額定功率（kW）；PNmax為電動機的峰值功率（kW）。

3.2蓄電池的參數匹配設計

3.2.1蓄電池功率的匹配

在進行功率匹配的時候，蓄電池提供的功率需要滿足轉載機在工作時為其設定的閥值，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電池數量的選擇

根據所選蓄電池的特性，為了達到蓄電池的功率需求，單體電池串聯數量n1和電池組并聯數量m1可按下式確定，即：

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

3.3超級電容的參數匹配設計

3.3.1超級電容功率的匹配

超級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超級電容數量的選擇

根據所選超級電容的特性，為了達到超級電容的功率需求，超級電容串聯數量n2和電池組并聯數量m2可按下式確定[4]，即：

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

4 典型工況仿真驗證

本文通過Advisor軟件和simulink聯合對純電動裝載機進行建模，分別建立單一蓄電池和復合電源為動力的模型。根據上面文中對裝載機各部分的模型建立，將其整合加入典型的傳動系統模塊，建立純電動裝載機的整體模型[5]，如圖3所示。

圖3 純電動裝載機的整體模型

本文選擇某5 t輪式裝載機為例，對比分析其在V型裝卸模式下對原生土進行作業過程中單一動力源和復合動力源的不同，只選擇70 s的周期時間對動力系統參數進行設置。

圖4和圖5分別為在該工況下蓄電池作為唯一電源時和復合電源提供動力時電源系統輸出的功率譜圖。其中，橫坐標為時間，縱坐標為功率值。

圖4 單一電源系統輸出的功率

圖5 復合電源系統輸出的功率

從圖4可以看出若要實現工況需求，電機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電池的性能和成本要求都會高。

從圖5可知，如果將單一電源換成復合電源，此時電機需求的功率將有蓄電池和超級電容聯合提供，當電機需求功率在閥值以下，所需功率都有蓄電池來提供；但電機需求功率超過一定的閥值后，蓄電池和超級電容配合放電，此時蓄電池不高于閥值的功率，超級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電容比功率高的特點。在整個循環工況過程中，蓄電池持續在功率閥值以下比較均衡的放電，峰值功率由超級電容提供，使得蓄電池的放電電流減小，且電池組峰值功率需求減少，這樣既保護了壽命，也降低了成本。

5 結束語

蓄電池-超級電容的復合動力系統相對于單一蓄電池的系統，能更好的為動力系統提供動力需求。將蓄電池的比能量高和超級電容比功率該的特點結合起來，更好的完成動力系統的能量供給。本文為后續的工程車輛復合動力開發提供一定的幫助。

參考文獻：

[1]熊 奇，唐冬漢.超級電容器在混合電動車上的研究進展[J].中山大學學報（自然科學版），2003（1）：130-133.

[2]胡玲玲.純電動汽車復合電源及能量控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2017.

[3]何正忠.裝載機[M].北京：冶金工業出版社，1998.

[4]徐大偉，周 榮.基于燃料電池和超級電容的混合驅動系統參數匹配與仿真[J].上海汽車，2007（12）：44-46，48.

[5]趙 錢.基于ADVISOR裝載機動力傳動系統建模與仿真分析[D].南京：南京理工大學，2012.

[6]姚踐謙，李政菊，彭才忠.裝載機鏟斗插入鏟取機理與阻力[J].工程機械，1993（04）：9-14，48.