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以FCS-SCB為例的混合動(dòng)力裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2022-01-22 23:49:22· 來(lái)源：汽車動(dòng)力總成
前言裝載機(jī)為代表的工程車輛具有工作速度快、動(dòng)作靈活、機(jī)動(dòng)性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)裝載機(jī)以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在當(dāng)今能源緊缺、環(huán)境惡劣的情況下，
前言
裝載機(jī)為代表的工程車輛具有工作速度快、動(dòng)作靈活、機(jī)動(dòng)性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)裝載機(jī)以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在當(dāng)今能源緊缺、環(huán)境惡劣的情況下，研究新能源裝載機(jī)具有重要的理論意義，而氫能被譽(yù)為二十一世紀(jì)“終極能源”，研究燃料電池裝載機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。純?nèi)剂想姵匮b載機(jī)受電池技術(shù)與本身特性限制，無(wú)法滿足所有工況要求，因此設(shè)計(jì)一種以燃料電池與輔助電源超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的復(fù)合電源系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)能量拓?fù)浞桨负椭悄苣芰抗芾聿呗詠?lái)滿足上述需求。
技術(shù)方案
技術(shù)點(diǎn)1，傳統(tǒng)常用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由綠色能量源取代，將電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出代替發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容組作為純電動(dòng)輪式裝載機(jī)的能量存儲(chǔ)裝置，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行作業(yè)。
技術(shù)點(diǎn)2，鏟裝運(yùn)輸是最為典型工況，裝載機(jī)主要工作是對(duì)某地散裝物料通過(guò)鏟斗將物料進(jìn)行鏟裝、運(yùn)輸、卸載、以及后續(xù)夯實(shí)平整工作，裝載機(jī)運(yùn)行路譜簡(jiǎn)圖如下所示
燃料電池系統(tǒng)、超級(jí)電容以及DC/DC變換器一起構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)，將能量傳至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力并分配給工作、行走裝置，同時(shí)可在產(chǎn)生制動(dòng)回收能量時(shí)通過(guò)超級(jí)電容進(jìn)行回收。整體能量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示
技術(shù)點(diǎn)3，裝載機(jī)能量管理系統(tǒng)目的為通過(guò)調(diào)節(jié)功率分配因子來(lái)滿足裝載機(jī)工作工況，使得裝載機(jī)能量源工作在各自高效區(qū)間。其中能量管理策略主要目標(biāo)是保證電源性能的同時(shí)管理各能量源之間功率流分配。根據(jù)燃料電池和超級(jí)電容的特點(diǎn)，可以劃分四種工作模式來(lái)適配燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容組成的混合動(dòng)力能量源。
工作模式如下
工作模式1：起步模式；在該模式中，超級(jí)電容組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛；能量源的燃料電池系統(tǒng)則由需求的功率和超級(jí)電容的SOC狀態(tài)來(lái)決定激活與否。由下列的公式來(lái)表達(dá)工作模式：
其中，Pdem代表裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)需求功率，PFC代表燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，Pm代表電動(dòng)機(jī)的輸出功率，PSC代表超級(jí)電容輸出功率，電動(dòng)機(jī)的輸出效率表示為ηm。
工作模式2：燃料電池系統(tǒng)滿足工作條件的同時(shí)盡可能給超級(jí)電容充電；該模式中，燃料電池系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛；超級(jí)電容的SOC值低于預(yù)設(shè)值時(shí)或需求功率在燃料電池系統(tǒng)的最大最小輸出功率范圍內(nèi)，燃料電池系統(tǒng)在自己的約束條件內(nèi)必須滿足需求功率的同時(shí)向超級(jí)電容充電，充電的功率取決于當(dāng)前的SOC值以及預(yù)設(shè)的SOC值。由下列的公式來(lái)表達(dá)工作模式：
其中，SOC、SOCe、SOCh、SOCL代表超級(jí)電容的荷電狀態(tài)、荷電狀態(tài)期望值（SOC=0.7）、設(shè)置的超級(jí)電容荷電狀態(tài)最大最小值，Pc調(diào)節(jié)SOC的功率，ηDC1表示燃料電池單向DC/DC轉(zhuǎn)換器。
工作模式3：超級(jí)電容和燃料電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式，該模式中，如果超級(jí)電容的SOC值大于期望的值，超級(jí)電容必須參與工作提供功率，剩余需求功率則由燃料電池系統(tǒng)提供。超級(jí)電容的放電功率取決于當(dāng)前的SOC值和期望的值（SOC=0.7）。由下列的公式來(lái)表達(dá)工作模式：
若需求功率大于燃料電池的最大的輸出功率，超級(jí)電容必須參與放電，不管超級(jí)電容的SOC是否超過(guò)期望的SOC值。其中燃料電池系統(tǒng)提供最大功率而剩余的需求功率由超級(jí)電容提供。由下列的公式來(lái)表達(dá)工作模式：（9）
工作模式4：制動(dòng)回收模式，該模式中，在車輛減速剎車或降臂時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電模式，超級(jí)電容吸收能量而燃料電池系統(tǒng)停止工作。
為了合理將電動(dòng)機(jī)的需求功率分配給燃料電池和超級(jí)電容，模糊邏輯控制器輸入為裝載機(jī)需求功率和超級(jí)電容SOC，輸出為燃料電池的輸出功率，在該模糊邏輯控制器中，輸入變量1整車需求功率Pwt設(shè)置模糊論域?yàn)閇0,160]，Pwt的模糊子集劃分為{VL,L,A,H,VH}；輸入變量2超級(jí)電容SOC設(shè)置模糊論域?yàn)閇0,1],超級(jí)電容SOC的模糊子集劃分為{vlow,low,mid,high,vhigh}。輸出變量燃料電池系統(tǒng)PFC設(shè)置模糊論域?yàn)閇10,100], 燃料電池系統(tǒng)PFC模糊子集為{L1,L2,L3,L4,L5}。將設(shè)定工作模式和專家經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換模糊控制規(guī)則，控制器規(guī)則庫(kù)由不同的IF-THEN規(guī)則構(gòu)成。利用專家規(guī)則庫(kù)的控制知識(shí)通過(guò)Mamdani型模糊推理方法共編寫(xiě)31條規(guī)則，如下
技術(shù)點(diǎn)剖析
針對(duì)技術(shù)點(diǎn)1，根據(jù)不能能量源的特點(diǎn)，單種能量源較難滿足裝載機(jī)的工況要求，不同的能量源具有不同的特性，合理組合使用能量源的特點(diǎn)可以更好的滿足不同工況需求。輪式裝載機(jī)的輸出功率負(fù)載特性啟停頻繁、波動(dòng)劇烈。設(shè)計(jì)新能源裝載機(jī)需要裝載機(jī)的能量部件具備以下四個(gè)基本的特性，要具備短周期內(nèi)獲取或釋放的足夠大能量特性（功率密度大）；要具備平均單位體積或質(zhì)量所釋放的能量大特性（能量密度大）；要具備儲(chǔ)能元件在不犧牲使用壽命的情況下充裕充放電循環(huán)次數(shù)特性；要具備滿足急速充放電特性。選用燃料電池和超級(jí)電容組合復(fù)合電源系統(tǒng)可以較好滿足上述要求。
針對(duì)技術(shù)點(diǎn)2，根據(jù)燃料電池復(fù)合電源裝載機(jī)工作過(guò)程不同，復(fù)合電源提供不同的能量供給方式，作為輔助電源的超級(jí)電容組能很好地配合燃料電池系統(tǒng)完成整車在各個(gè)工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)，其中超級(jí)電容組起到主要的四個(gè)方面作用：1.在燃料電池裝載機(jī)起步時(shí)，超級(jí)電容組為燃料電池系統(tǒng)提供啟動(dòng)的電能，并為裝載機(jī)起步時(shí)電動(dòng)機(jī)提供電能。2.在燃料電池裝載機(jī)大功率負(fù)載下（加速、爬坡、舉臂等工況），超級(jí)電容組為整車提供燃料電池系統(tǒng)所提供不了的那部分額外功率需求。3.在燃料電池裝載機(jī)進(jìn)行作業(yè)的需求功率變化劇烈時(shí)，燃料電池系統(tǒng)幾乎不能應(yīng)對(duì)這部分需求功率分量，超級(jí)電容提供削峰填谷作用。4.在燃料電池裝載機(jī)減速、剎車、降臂過(guò)程中，超級(jí)電容組可以作為能量回收裝置，回收整車的制動(dòng)以及回收能量。
針對(duì)技術(shù)點(diǎn)3，模糊邏輯控制利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法，屬于一種高魯棒性自適應(yīng)的非線性控制。通過(guò)分析不同能量源特性，復(fù)合電源裝載機(jī)能量源輔助電源選用超級(jí)電容，經(jīng)過(guò)超級(jí)電容“削峰填谷”，可以減緩燃料電池工作負(fù)荷從而延長(zhǎng)電池使用壽命，使得燃料電池工作功率保持在額定功率點(diǎn)[1/3，2/3]之間從而提高效率，進(jìn)一步可以整體系統(tǒng)提高經(jīng)濟(jì)性。
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