工程機(jī)械混合動(dòng)力儲(chǔ)能裝置分析

楊汝霞?趙長遠(yuǎn)

摘要：2003年，日立建機(jī)開發(fā)了能夠節(jié)省大量燃油的混合動(dòng)力裝載機(jī)，這是混合動(dòng)力系統(tǒng)在工程機(jī)械上的首次應(yīng)用。其后，小松、沃爾沃、詹陽重工、山河智能、三一、柳工、中聯(lián)等企業(yè)均推出了混合動(dòng)力工程機(jī)械產(chǎn)品?；旌蟿?dòng)力即2種動(dòng)力源的混合，常見的混合動(dòng)力技術(shù)為電動(dòng)和液壓混合動(dòng)力，根據(jù)主動(dòng)力和輔助動(dòng)力的聯(lián)接方式的不同，混合動(dòng)力可以分為并聯(lián)式混合動(dòng)力、串聯(lián)式混合動(dòng)力和混聯(lián)式混合動(dòng)力?；旌蟿?dòng)力工程機(jī)械中的能量儲(chǔ)存裝置負(fù)責(zé)儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)和工作裝置的可回收能量，能量轉(zhuǎn)換裝置在電動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)中是電機(jī)，在液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)中為液壓泵和馬達(dá)。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;混合動(dòng)力;儲(chǔ)能裝置

引言：

目前開發(fā)的混合動(dòng)力工程機(jī)械中，串聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式主要以神鋼和日立建機(jī)為代表，并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式主要以小松為代表，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)還沒有成熟的應(yīng)用實(shí)例。儲(chǔ)能裝置對整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率有著至關(guān)重要的影響，它與儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)、形式等因素有關(guān)。目前世界各國正在研究、開發(fā)與應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有液壓蓄能器、超級電容、飛輪電池和各類電化學(xué)電池等。本文將對以下4種混合動(dòng)力儲(chǔ)能裝置做簡要分析。

一、液壓蓄能器

液壓蓄能器是液壓系統(tǒng)中常用的輔助元件之一，它可以存儲(chǔ)能量，穩(wěn)定壓力，吸收沖擊，消除脈動(dòng)，還可作緊急動(dòng)力源。液壓蓄能器主要有彈簧式和充氣式2種。彈簧式蓄能器結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)靈敏，但容量小，主要用于小容量、低壓回路緩沖。

充氣式蓄能器分為氣瓶式、活塞式和皮囊式，均是利用氣體的壓縮和膨脹來儲(chǔ)存、釋放壓力能?；钊?、皮囊式儲(chǔ)能器實(shí)際應(yīng)用較多，主要用來儲(chǔ)能和吸收中、高壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)。

蓄能器的能量存儲(chǔ)能力取決于蓄能器的容積、儲(chǔ)存壓力和工作壓力。作為輔助動(dòng)力源，液壓蓄能器一方面吸收或補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在高效工況作業(yè);另一方面，液壓蓄能器回收與利用制動(dòng)能量，大大降低了機(jī)器不必要的能量消耗。同時(shí)，在吸收系統(tǒng)的液壓沖擊、保持系統(tǒng)壓力方面也起到了很大作用。

二、超級電容

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，也稱為電化學(xué)電容器，可用來全部或部分取代電池。從儲(chǔ)電原理上，可將超級電容器分為雙電層電容和法拉弟準(zhǔn)電容2類。

目前的混合動(dòng)力工程機(jī)械大多采用超級電容作為儲(chǔ)能裝置。與電池相比，超級電容具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是具有非常高的功率密度，可為電池的10～100倍;二是充電速度快，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程;三是使用壽命長，充、放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有很好的可逆性，實(shí)際壽命可達(dá)10萬次以上，比電池高10～100倍;四是工作電壓范圍大，在其額定電壓范圍內(nèi)，可充電至任一電壓值，可放出所儲(chǔ)存的全部電量;五是低溫性能優(yōu)越，容量隨溫度的衰減非常小。

類似于蓄電池，超級電容器的單體電壓較低，極少以自然形態(tài)直接使用，一般通過多個(gè)單體串聯(lián)與并聯(lián)構(gòu)成超級電容器儲(chǔ)能陣列。

三、飛輪電池

飛輪電池一般由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、磁軸承系統(tǒng)、電力電子變換裝置和真空容器等部分構(gòu)成。

當(dāng)給飛輪電池充電時(shí)，電機(jī)以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行，電能通過電子電力變換裝置從外部輸入，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，從而完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ);當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，飛輪電池放電，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，飛輪存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的電能，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能量。為了減少充、放電過程中的能量損耗，電機(jī)和飛輪都采用磁懸浮軸承，以減少機(jī)械摩擦;同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。

飛輪電池有著諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是儲(chǔ)能密度高;二是無過充電、過放電問題，即使在深度放電時(shí)，其性能也完全不受影響，而且能夠防止過充電;三是容易測量放電深度，充電時(shí)間較短;四是使用壽命長，預(yù)期壽命20年以上;五是損耗低，維護(hù)周期長，對溫度不敏感，報(bào)廢后對環(huán)境產(chǎn)生的影響小。

飛輪電池的缺點(diǎn)是不能長時(shí)間保存能量，僅適用于具有快速充、放電的特點(diǎn)外部系統(tǒng)。飛輪電池成本過高也是不能大力推廣的重要原因，其單位功率成本為電化學(xué)電池的6～7倍。

四、電化學(xué)電池

電化學(xué)電池主要是指蓄電池，其作用是存儲(chǔ)電能，目前應(yīng)用較廣的主要有鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等。

（1）鉛酸電池

現(xiàn)代車用蓄電池使用最廣的是鉛酸電池，其主要由極板、隔板、電解液和殼體構(gòu)成。鉛酸蓄電池優(yōu)點(diǎn)是：性能可靠，生產(chǎn)工藝成熟，成本較低;單體電池電壓高，能量效率高，具有良好的大電流輸出性能和高、低溫性能。鉛酸電池的缺點(diǎn)是能量比和能量密度都比較低，自放電率較高，循環(huán)壽命相對較低，不便于長期儲(chǔ)存。

（2）鎳氫電池

鎳氫電池以氫氧化鎳為正極，以高能貯氫合金為負(fù)極。鎳氫電池主要優(yōu)點(diǎn)有：能量密度、功率密度高于鉛酸電池，循環(huán)使用壽命高;快速充電和深度放電性能好，充電效率高;無重金屬污染，且全密封免維護(hù)。缺點(diǎn)是成本高，有“記憶效應(yīng)”，均勻性較差，自放電損耗大，對環(huán)境溫度敏感，體積和質(zhì)量較大，安裝困難。

（3）鋰電池

鋰電池可分為鋰離子電池和鋰分子（高聚合物）電池2種。鋰電池具有體積小、功率高、電壓高、安全性高、自放電低、無記憶和無污染等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是一致性和安全性較差，成本高，高溫性能差，低溫時(shí)充、放電性能差。通過分析各種儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)可知，液壓蓄能器的功率密度最大，蓄電池的功率密度最小。蓄電池和高速飛輪能量密度較大，液壓蓄能器和超級電容的能量密度較小。液壓蓄能器、儲(chǔ)能飛輪環(huán)保性能較好，而超級電容具有使用安全和放能度高的優(yōu)點(diǎn)。對于低功率密度和高能量密度要求的場合，選擇鉛酸電池比較適宜。對于功率密度有較高要求的裝置，選擇液壓蓄能。

參考文獻(xiàn)：

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