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以FCS-SCB为例的混合动力装载机动力系统设计

2022-01-22 23:49:22·  来源：汽车动力总成  
　
前言装载机为代表的工程车辆具有工作速度快、动作灵活、机动性好、生产效率高等优点，但传统装载机以柴油发动机作为动力源，在当今能源紧缺、环境恶劣的情况下，
前言
装载机为代表的工程车辆具有工作速度快、动作灵活、机动性好、生产效率高等优点，但传统装载机以柴油发动机作为动力源，在当今能源紧缺、环境恶劣的情况下，研究新能源装载机具有重要的理论意义，而氢能被誉为二十一世纪“终极能源”，研究燃料电池装载机具有重要的现实意义。纯燃料电池装载机受电池技术与本身特性限制，无法满足所有工况要求，因此设计一种以燃料电池与辅助电源超级电容联合驱动的复合电源系统，并设计能量拓扑方案和智能能量管理策略来满足上述需求。

技术方案
技术点1，传统常用的柴油发动机由绿色能量源取代，将电动机作为动力输出代替发动机，燃料电池系统和超级电容组作为纯电动轮式装载机的能量存储装置，通过电动机驱动车辆进行作业。
技术点2，铲装运输是最为典型工况，装载机主要工作是对某地散装物料通过铲斗将物料进行铲装、运输、卸载、以及后续夯实平整工作，装载机运行路谱简图如下所示
燃料电池系统、超级电容以及DC/DC变换器一起构成复合电源系统，将能量传至电动机，电动机产生动力并分配给工作、行走装置，同时可在产生制动回收能量时通过超级电容进行回收。整体能量拓扑结构如下图所示

技术点3，装载机能量管理系统目的为通过调节功率分配因子来满足装载机工作工况，使得装载机能量源工作在各自高效区间。其中能量管理策略主要目标是保证电源性能的同时管理各能量源之间功率流分配。根据燃料电池和超级电容的特点，可以划分四种工作模式来适配燃料电池系统和超级电容组成的混合动力能量源。
工作模式如下
工作模式1：起步模式；在该模式中，超级电容组独立驱动车辆；能量源的燃料电池系统则由需求的功率和超级电容的SOC状态来决定激活与否。由下列的公式来表达工作模式：

其中，Pdem代表装载机动力系统需求功率，PFC代表燃料电池系统的输出功率，Pm代表电动机的输出功率，PSC代表超级电容输出功率，电动机的输出效率表示为ηm。
工作模式2：燃料电池系统满足工作条件的同时尽可能给超级电容充电；该模式中，燃料电池系统独立驱动车辆；超级电容的SOC值低于预设值时或需求功率在燃料电池系统的最大最小输出功率范围内，燃料电池系统在自己的约束条件内必须满足需求功率的同时向超级电容充电，充电的功率取决于当前的SOC值以及预设的SOC值。由下列的公式来表达工作模式：

其中，SOC、SOCe、SOCh、SOCL代表超级电容的荷电状态、荷电状态期望值（SOC=0.7）、设置的超级电容荷电状态最大最小值，Pc调节SOC的功率，ηDC1表示燃料电池单向DC/DC转换器。
工作模式3：超级电容和燃料电池联合驱动模式，该模式中，如果超级电容的SOC值大于期望的值，超级电容必须参与工作提供功率，剩余需求功率则由燃料电池系统提供。超级电容的放电功率取决于当前的SOC值和期望的值（SOC=0.7）。由下列的公式来表达工作模式：

若需求功率大于燃料电池的最大的输出功率，超级电容必须参与放电，不管超级电容的SOC是否超过期望的SOC值。其中燃料电池系统提供最大功率而剩余的需求功率由超级电容提供。由下列的公式来表达工作模式：（9）

工作模式4：制动回收模式，该模式中，在车辆减速刹车或降臂时，电动机转变为发电模式，超级电容吸收能量而燃料电池系统停止工作。
为了合理将电动机的需求功率分配给燃料电池和超级电容，模糊逻辑控制器输入为装载机需求功率和超级电容SOC，输出为燃料电池的输出功率，在该模糊逻辑控制器中，输入变量1整车需求功率Pwt设置模糊论域为[0,160]，Pwt的模糊子集划分为{VL,L,A,H,VH}；输入变量2超级电容SOC设置模糊论域为[0,1],超级电容SOC的模糊子集划分为{vlow,low,mid,high,vhigh}。输出变量燃料电池系统PFC设置模糊论域为[10,100], 燃料电池系统PFC模糊子集为{L1,L2,L3,L4,L5}。将设定工作模式和专家经验转换模糊控制规则，控制器规则库由不同的IF-THEN规则构成。利用专家规则库的控制知识通过Mamdani型模糊推理方法共编写31条规则，如下

技术点剖析


针对技术点1，根据不能能量源的特点，单种能量源较难满足装载机的工况要求，不同的能量源具有不同的特性，合理组合使用能量源的特点可以更好的满足不同工况需求。轮式装载机的输出功率负载特性启停频繁、波动剧烈。设计新能源装载机需要装载机的能量部件具备以下四个基本的特性，要具备短周期内获取或释放的足够大能量特性（功率密度大）；要具备平均单位体积或质量所释放的能量大特性（能量密度大）；要具备储能元件在不牺牲使用寿命的情况下充裕充放电循环次数特性；要具备满足急速充放电特性。选用燃料电池和超级电容组合复合电源系统可以较好满足上述要求。
针对技术点2，根据燃料电池复合电源装载机工作过程不同，复合电源提供不同的能量供给方式，作为辅助电源的超级电容组能很好地配合燃料电池系统完成整车在各个工况下的运转，其中超级电容组起到主要的四个方面作用：1.在燃料电池装载机起步时，超级电容组为燃料电池系统提供启动的电能，并为装载机起步时电动机提供电能。2.在燃料电池装载机大功率负载下（加速、爬坡、举臂等工况），超级电容组为整车提供燃料电池系统所提供不了的那部分额外功率需求。3.在燃料电池装载机进行作业的需求功率变化剧烈时，燃料电池系统几乎不能应对这部分需求功率分量，超级电容提供削峰填谷作用。4.在燃料电池装载机减速、刹车、降臂过程中，超级电容组可以作为能量回收装置，回收整车的制动以及回收能量。
针对技术点3，模糊逻辑控制利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，属于一种高鲁棒性自适应的非线性控制。通过分析不同能量源特性，复合电源装载机能量源辅助电源选用超级电容，经过超级电容“削峰填谷”，可以减缓燃料电池工作负荷从而延长电池使用寿命，使得燃料电池工作功率保持在额定功率点[1/3，2/3]之间从而提高效率，进一步可以整体系统提高经济性。
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