应用超级电容的工程机械混合动力系统仿真研究

发布时间：2016-11-06 12:34

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武汉理工大学博士学位论文；６．５．２实验结果与仿真结果的对比及经济性分析；１、实验结果与仿真结果的对比；表６．８实验结果与仿真结果的对比；Ｄ２ＬＱ－－２５ＵＣ一２５；优选混合动力方案；柴油机额定功率；起吊重物量；起重机滑轮组倍率；一次ＩＴ作循环耗油量１３８ｋＷ１２ｔ４４３２９３；２、经济性分析；由表６．８可以看出，Ｄ２ＬＱ—２５轮胎起重机比Ｕ；６．６本章小结

武汉理工大学博士学位论文

６．５．２实验结果与仿真结果的对比及经济性分析

１、实验结果与仿真结果的对比

表６．８实验结果与仿真结果的对比

Ｄ２ＬＱ－－２５ＵＣ一２５

优选混合动力方案

柴油机额定功率

起吊重物量

起重机滑轮组倍率

一次ＩＴ作循环耗油量１３８ｋＷ１２ｔ４４３２９３５ｋＷ１２ｔ４５６９

２、经济性分析

由表６．８可以看出，Ｄ２ＬＱ—２５轮胎起重机比ＵＣ＿２５轮胎起重机混合动力改造后一次工作循环耗油量高出很多，这是由于Ｄ２ＬＱ一２５轮胎起重机配置柴油机功率较大，而实际工作负荷较小，造成“大马拉小车’’，柴油机工作点距离经济区较远，造成耗油率高，另一方面，测试对象在重物下降时柴油机仍然驱动发电机工作，电能由能耗电阻发热消耗，而混合动力仿真中重物下降时柴油机按空载运行，输出功率近似为０，从而起重机一次工作循环实测比仿真耗油量要高很多。

６．６本章小结

本章以ＵＣ．２５轮胎起重机作为研究对象，采用Ｓａｂｅｒ软件建立了混合动力系统仿真模型，进行了多方案仿真计算、对比分析，并通过实验分析混合动力改造的节能潜力，可以得到以下结论：

１、采用Ｓａｂｅｒ软件建立的混合动力仿真模型能很好模拟下一步将要进行的实机混合动力改造系统，典型工作循环过程与课题组宜港集团测试结果基本吻合：

２、通过仿真研究，设计的各方案均能使起重机一次作业循环节油率在４０％左右，说明在起重机常用起吊量的工况下，各方案中的超级电容器均能充分吸收回馈能量，在起升重物时超级电容器又能充分释放储存的能量，故使柴油机输出功率减小，起到较好的节能作用，同时燃料消耗的下降使得废气排放减少，１ｌＯ

环保的意义也是显而易见的；

３、证明了以超级电容器作为储能元件的混合动力系统在轮胎起重机上应用的可行性。

第７章总结与展望

对于我国的能源短缺问题有两种解决办法，一是寻找资源加大对外进口，二是开发新能源，尤其是可再生能源，加大二次能源的利用率。而解决问题的根本方法是后者。近些年，一种能够满足上述需要的新型动力系统——混合动力系统受到了工程机械领域的高度重视，并逐渐成为一个新的研究方向。如何将这种混合动力技术应用于工程机械节能是目前业内研究的热点，本文在此背景下做了以下工作并进行了总结和展望。

（１）本文主要研究工作

１）阐述了在工程机械上采用混合动力技术的意义，并结合实际课题，确定以轮胎起重机这类典型工程机械作为研究对象；

２）进行了超级电容器的电特性仿真验证分析及在工程机械中的应用关键技术分析及解决方案，为超级电容器应用到工程机械的混合动力改造上建立了理论基础；

３）分析了交流电动机的变频调速技术的发展现状，讨论了起重机变频调速的价值及起重机变频调速的机械特性，说明了在起重设备上采用变频调速技术能够明显地抑制有害的机械冲击，改善运行情况，并进行了矢量控制变频调速仿真；

４）建立了轮胎起重机的混合动力系统仿真数学模型，详细分析了混合动力系统中各主要模块：柴油机、同步发电机、超级电容器、ＤＣ—ＤＣ变换器、异步电动机、电力拖动环节、执行机构等的数学模型，研究了起重机混合动力系统中提供超级电容器充放电的双向ＤＣ—ＤＣ变换器的新型软开关全桥控制拓扑结构，，有助于合理选择工程机械混合动力系统ＤＣ．ＤＣ变换器拓扑；

５）采用Ｓａｂｅｒ软件建立了轮胎起重机的混合动力系统仿真模型，针对ＵＣ．２５轮胎起重机设计了６种不同功率柴油机和不同超级电容器配置的混合动力系统方案，通过仿真计算得出：同比条件下，采用混合动力技术的ＵＣ．２５轮胎起重机每个作业循环可节约柴油４０％左右，节能效果十分明显；同时优选的混合动力ＵＣ一２５轮胎起重机所配备的柴油机较原机额定功率下降了６０％，可大幅度降低柴油机运行过程中的排放总量，具有显著的社会效益；

６）对轮胎起重机实机进行了耗油量实测，并与仿真结果进行了对比分析，１１２

武汉理Ｔ大学博十学位论文

能够较直观地看出节能效果，进一步证明了应用混合动力系统的必要性。

（２）本文主要创新点

１）对超级电容器这种新型储能元件的电特性和应用关键技术进行了深入和系统的研究，利用仿真平台对其进行了验证分析，论证了在工程机械这类具有负载快速、频繁变化特点的机械中应用的合理性和必要性，概括了较完整的包括ＥＳＲ的影响、串联均压、能量监控等问题在内的超级电容器在混合动力系统中应用的技术；

２）在国内首次独立开展轮胎起重机混合动力系统的仿真研究，提出了Ｓａｂｅｒ平台下超级电容器作为储能装置的轮胎起重机混合动力系统模型，实现了对其工作过程的仿真，并且该系统在今后港口流动机械总成系统的仿真中具备较好的适应性；

３）以柴油机工作特性和超级电容器充放电理论为基础，对轮胎起重机混合动力系统进行了柴油机节油效果和功率配置合理性的分析和方案优选，论证了混合动力系统在工程机械中应用的必要性和可行性，其节能环保的价值不可忽视，是绿色工程机械的重要技术之一。

（３）本文进一步研究方向

以超级电容器作为储能元件的混合动力系统在轮胎起重机或其他类型工程机械上的应用不仅十分必要，而且是可行的。可以进一步作如下研究：

１）对“小比例轮胎起重机混合动力系统试验研究＂进行立项研究。主要研究内容包括：

①按照本文仿真计算结果构建小比例轮胎起重机混合动力系统；

②轮胎起重机混合动力系统的控制策略和控制方法的实现；

③通过试验，对轮胎起重机混合动力系统的仿真模型及计算结果进行修正。２）着手进行混合动力系统在轮胎起重机等工程机械上的全面推广应用。１１３

武汉理工大学博士学位论文

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