本發(fā)明涉及車(chē)輛領(lǐng)域，特別是涉及一種燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)是大型露天礦主要運(yùn)輸裝備，礦用自卸車(chē)在實(shí)際使用過(guò)程中，在空載、重載平地巡航、下坡、減速制動(dòng)、裝卸和怠速等待等工況造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率經(jīng)常工作在低負(fù)荷狀況。據(jù)估算，電動(dòng)輪礦用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均負(fù)荷率在40％左右，特別是在怠速等待時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的全部能量消耗在機(jī)械損失上，效率為零，客觀(guān)上造成了礦用自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性差，效率低、能耗高、排放大。然而，隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重和我國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的不斷深入，工礦企業(yè)對(duì)于“節(jié)能減排”的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)燃?xì)怆娙莼旌蟿?dòng)力驅(qū)動(dòng)以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)輛及超級(jí)電容的工作流程。

本發(fā)明中的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容，所述發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)電機(jī)通過(guò)整流單元與電機(jī)控制器的輸入端連接，所述電機(jī)控制器的輸出端與牽引電機(jī)連接，所述超級(jí)電容通過(guò)雙向DC-DC變換器并聯(lián)于整流單元與電機(jī)控制器之間，所述整流單元與電機(jī)控制器之間還并聯(lián)有制動(dòng)電阻單元。

本發(fā)明中的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述整流單元與電機(jī)控制器之間還并聯(lián)有濾波電容。

本發(fā)明中的車(chē)輛，所述車(chē)輛安裝有上述的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本發(fā)明中的超級(jí)電容的工作流程，所述超級(jí)電容應(yīng)用于上述混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括如下步驟：

(1)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的同時(shí)給超級(jí)電容充電，

(2)判斷牽引電機(jī)的目標(biāo)輸出功率與實(shí)際輸出功率之間的大小關(guān)系，

若目標(biāo)輸出功率大于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容放電，

若目標(biāo)輸出功率等于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容停止工作，

若目標(biāo)輸出功率小于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容充電并判斷超級(jí)電容的電量是否小于額定容量，若超級(jí)電容的電量小于額定容量時(shí)，則超級(jí)電容充電，否則，超級(jí)電容停止工作；

(3)當(dāng)步驟(2)的超級(jí)電容在放電、充電以及停止工作后均需重復(fù)進(jìn)行步驟(2)。

本發(fā)明混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)輛及超級(jí)電容的工作流程所使用的燃?xì)鈱儆谇鍧嵞茉?，因此燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在排放方面有著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益性高；超級(jí)電容最顯著的特點(diǎn)之一就是使用壽命長(zhǎng)，在其正常工作溫度下，可對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行50萬(wàn)次以上的深度充放電，使用時(shí)間可達(dá)90000小時(shí)以上；超級(jí)電容充放電速度非?？?，充放電電流大，由于其等效串聯(lián)電阻很小，其功率損耗也很?。挥捎诔?jí)電容充放電過(guò)程是純物理反應(yīng)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，所使用的材料也不含有重金屬，正符合國(guó)家低碳環(huán)保，節(jié)能減排的要求。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的整車(chē)功率增加以及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容輸出功率分配關(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明中的超級(jí)電容的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明中的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)1和超級(jí)電容3，所述發(fā)電機(jī)1的動(dòng)力源為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)電機(jī)1通過(guò)整流單元2與電機(jī)控制器5的輸入端連接，所述電機(jī)控制器5的輸出端與牽引電機(jī)6連接，所述超級(jí)電容3通過(guò)雙向DC-DC變換器4并聯(lián)于整流單元2與電機(jī)控制器5之間，所述整流單元2與電機(jī)控制器5之間還并聯(lián)有制動(dòng)電阻單元7。

本發(fā)明中的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述整流單元2與電機(jī)控制器5之間還并聯(lián)有濾波電容8。

本發(fā)明中的車(chē)輛，所述車(chē)輛安裝有上述的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本實(shí)施例擬在已有HT5220多軸礦用自卸車(chē)的基礎(chǔ)上，利用其雙動(dòng)力電傳動(dòng)基礎(chǔ)，引進(jìn)一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)代替柴油發(fā)動(dòng)機(jī),引進(jìn)一套超級(jí)電容系統(tǒng)代替另一套動(dòng)力機(jī)組，簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)燃?xì)怆娙莼旌蟿?dòng)力驅(qū)動(dòng)，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)調(diào)研,雖然市場(chǎng)上采用燃?xì)鈩?dòng)力的小噸位(50噸以下)礦車(chē)在某些燃?xì)赓Y源豐富的地區(qū)應(yīng)用已比較廣泛，但是目前市場(chǎng)上并沒(méi)有220噸級(jí)及以上燃?xì)鈩?dòng)力礦車(chē)，對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用尚屬空白。超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，在一些特定工況下和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)一起為車(chē)輛提供動(dòng)力。

由于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)特性不滿(mǎn)足礦用車(chē)加速及負(fù)載快速變化等工況，為了滿(mǎn)足礦用車(chē)車(chē)況特定要求，需增加輔助動(dòng)力源。當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)加速、爬坡、或者過(guò)坑等需求功率快速變大時(shí)，輔助動(dòng)力源能快速提供大功率輸出，同時(shí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增加，輔助動(dòng)力的輸出功率不斷變小。直至發(fā)動(dòng)機(jī)輸出至目標(biāo)功率時(shí)，輔助動(dòng)力源停止功率輸出。

超級(jí)電容在充放電過(guò)程中端電壓變換范圍很大，而負(fù)載在工作過(guò)程中一般需要一個(gè)穩(wěn)定的電壓，因此一般使用一個(gè)能量可以雙向流動(dòng)的電壓變換裝置將負(fù)載與超級(jí)電容連接在一起，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，但是加入該裝置后系統(tǒng)變的較為復(fù)雜，我們需要對(duì)電壓變換裝置的控制提出解決方案；超級(jí)電容組的計(jì)算選型、充放電控制、充放電工作邏輯控制及充放電的功率控制都是整車(chē)控制策略的重要組成部分，其控制的好壞直接關(guān)系到輔助動(dòng)力系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

綜合考慮到本實(shí)施例的功率需求及大功率燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀，選用了CAT的CG132-16型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)電功率為800kW。選用上海奧威的UCK42V28000型超級(jí)電容，為新型的鋰離子電容器，功率密度大大增加，電容器成組后可達(dá)到20wh/kg。

超級(jí)電容組設(shè)計(jì)方案：

超級(jí)電容儲(chǔ)能公式為E＝C×(V12-V22)/2(單位：J)。其中，V1為超級(jí)電容器充電終止電壓，V2為超級(jí)電容器充電起始電壓。本項(xiàng)目中采用AC660V交流電，滿(mǎn)載時(shí)整流成直流則為845Vdc。因此V1定為845v，V2為400v。

超級(jí)電容選配原則：

1)超級(jí)電容器從電壓V2充電至電壓V1時(shí)能存儲(chǔ)的能量應(yīng)不低于電容最大輸出的能量。

2)超級(jí)電容的功率密度與質(zhì)量之積應(yīng)不低于電容輸出最大功率。

如圖2所示，圖2反映了整車(chē)功率增加以及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容輸出功率分配關(guān)系。整車(chē)功率15s內(nèi)從0升至700kW，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)功率75s內(nèi)從0升至700kW，期間功率缺口由超級(jí)電容補(bǔ)齊。根據(jù)圖2可以算出0～75時(shí)間內(nèi)，整車(chē)需要14.6kWh能量，需要由超級(jí)電容輸出的的能量為5.83kWh，考慮到余量取6kW。采用3并313串共919塊單體電容。其儲(chǔ)能根據(jù)公式E＝C×(V12-V22)/2得出E＝26316187J合計(jì)為7.31kWh。根據(jù)電容參數(shù)計(jì)算919塊電容質(zhì)量為1.23T，能量密度為7.15Wh/kg。得出總能量為8.84kWh。滿(mǎn)足本項(xiàng)目需求能量6kWh要求。功率密度為6.78kW/kg，得出總功率為8380kW，滿(mǎn)足本項(xiàng)目700kW功率要求。

雙向DC-DC電壓變換器屬于直流變換器的雙象限運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。雙向DC-DC變換器可以分為隔離式和非隔離式兩種。從實(shí)施例實(shí)際應(yīng)用角度考慮，選用非隔離式的DC-DC變換器。常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Buck、Boost、半橋、Cuk、Zeta等變換器，采用IGBT作為控制執(zhí)行元件。

本發(fā)明中的超級(jí)電容的工作流程，所述超級(jí)電容應(yīng)用于上述混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括如下步驟：

(1)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的同時(shí)給超級(jí)電容充電，

(2)判斷牽引電機(jī)的目標(biāo)輸出功率與實(shí)際輸出功率之間的大小關(guān)系，

若目標(biāo)輸出功率大于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容放電，

若目標(biāo)輸出功率等于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容停止工作，

若目標(biāo)輸出功率小于實(shí)際輸出功率，則超級(jí)電容充電并判斷超級(jí)電容的電量是否小于額定容量，若超級(jí)電容的電量小于額定容量時(shí)，則超級(jí)電容充電，否則，超級(jí)電容停止工作；

(3)當(dāng)步驟(2)的超級(jí)電容在放電、充電以及停止工作后均需重復(fù)進(jìn)行步驟(2)。

如圖3所示，上述超級(jí)電容的控制方式控制邏輯均由整車(chē)控制器實(shí)現(xiàn)，控制策略如下：

1、發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電后，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)需對(duì)超級(jí)電容快速充電，盡快建立起輔助動(dòng)力源能量?jī)?chǔ)備；

2、整車(chē)目標(biāo)輸出功率P_object(即牽引電機(jī)的目標(biāo)輸出功率)大于實(shí)際輸出功率P_actual(即牽引電機(jī)的實(shí)際輸出功率)時(shí)，超級(jí)電容迅速放電，滿(mǎn)足整車(chē)的功率需求。同時(shí)，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率按照設(shè)定的速率增大功率，相應(yīng)地超級(jí)電容為滿(mǎn)足目標(biāo)輸出功率不斷地降低輸出功率，最終達(dá)到燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率等于整車(chē)目標(biāo)輸出功率。

3、整車(chē)目標(biāo)輸出功率P_object小于實(shí)際輸出功率P_actual時(shí)，根據(jù)超級(jí)電容電量SOC狀態(tài)判斷是否為充電或者停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電容電量SOC_e低于額定容量SOC_a時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率對(duì)電容進(jìn)行充電，充電時(shí)，整車(chē)需求功率+充電功率<700KW；檢測(cè)電容電量達(dá)到額定容量后，停止充電，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率才允許降低，電容此時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)。

本發(fā)明混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)輛及超級(jí)電容的工作流程所使用的燃?xì)鈱儆谇鍧嵞茉?，因此燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在排放方面有著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益性高；超級(jí)電容最顯著的特點(diǎn)之一就是使用壽命長(zhǎng)，在其正常工作溫度下，可對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行50萬(wàn)次以上的深度充放電，使用時(shí)間可達(dá)90000小時(shí)以上；超級(jí)電容充放電速度非常快，充放電電流大，由于其等效串聯(lián)電阻很小，其功率損耗也很??；由于超級(jí)電容充放電過(guò)程是純物理反應(yīng)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，所使用的材料也不含有重金屬，正符合國(guó)家低碳環(huán)保，節(jié)能減排的要求。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。