（机械设计及理论专业论文）利用超级电容的起重机械新型混合动力系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 起重机械由于工作机构下降和制动形成的再生能量至今还没有被很好地开 发利用，尤其对于轮胎起重机这类移动式起重机完成数十米垂直位移的同时还 需完成频繁的起动和制动动作，其再生能量的回收利用有着很大的潜力。目前 在重型机械动力系统节能方面的研究主要体现在如下三个方面：提高工作元件 ( 柴油机和液压元件) 性能，改进液压系统和改善柴油机一液压系统一执行器 的功率匹配。 虽然上述措施获得了一定的节能效果，但由于负载变化比较频繁、波动比 较大，柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料的利用率低下，排放质量较 差。因此，改善柴油机的工作状况是提高整体系统效率和改善排放质量的个 关键问题。 在环保节能的呼声下，随着科技的进步，近年来出现了一种新的元器件一 一超级电容。这种新型的电子器件有着比蓄电池高1 0 倍以上的功率密度和1 0 0 倍以上的充放电速率。利用超级电容可以迅速地吸收和释放再生能量。 本文采用超级电容器作为储能装置，提出了一种起重机械环保节能新型混 合动力系统。文章首先分析混合动力新技术的国内外现状，并简单分析现有起 重机械动力系统的不足和发展趋势。 详细分析超级电容的性能，进而分析其在起重机动力系统中应用的可行性。 本文以柴油发电机组驱动的轮胎起重机动力系统连接超级电容为研究对 象，介绍了与之相关的d c d c 的变换规律、超级电容的特性等。建立新型混合 动力系统模型，重点通过理论分析，以轮胎起重机为例，计算出一个工作循环 过程中理论可回收的再生能量，结合超级电容的性能参数，计算出轮胎起重机 械新型混合动力系统中需要配置的超级电容的理论参考数据。 基于超级电容的理论配置，进行轮胎起重机新型混合动力系统的试验测试 并分析试验结果，得出超级电容这类新型储能元件用于大功率需求的起重机械 动力系统中是完全可行的。 本文以s a b e r 仿真软件为基础，在熟悉s a b e r 仿真环境的基础上，建立轮胎 起重机械新型混合动力系统仿真模型，通过仿真波形图，主要是超级电容的电 流和电压曲线，分析原动机在连接超级电容前后输出功率的变化情况，从而分 析油耗变化情况，得出新型混合动力系统的节能结果，节油节省费用与购置超 级电容的的成本比较，得出起重机械新型混合动力系统的经济实用性。 最后对本文工作进行总结和展望。 关键词：混合动力系统，超级电容，起重机械，再生能量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g e n e r a t i o ne n e r g yo fh o i s t i n gm a c h i n e r yh a s n tb e e nw e l lu s e db yn o w , a n dt h e r e c o v e r i n go ft h er e g e n e r a t i o ne n e r g yi sp o t e n t i a le s p e c i a l l yf o rt y r ec r a n e , w h i c h n e e d st os t a r ta n db r e a kf r e q u e n t l yw i t hv e r t i c a lm o v e m e n t m a n yw a y sa r eu s e dt o r e c o v e rt h er e g e n e r a t i o ne n e r g y , s u c ha st h ep o w e ri m p r o v i n gt h ej o bc o m p o n e n t ( d i e s e la n dh y d r a u l i cp r e s s u r ec o m p o n e n t ) f u n c t i o n ，i m p r o v i n gh y d r a u l i cp r e s s u r e s y s t e ma n di m p r o v i n gd i e s e lh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mc a r r y i n go u ta ni m p l e m e n t m a t e s a l t h o u g ha b o v e - m e n t i o n e dm e a s u r eh a sg a i n e dc e r t a i ne n e r g yc o n s e r v a t i o n e f f e c t , s i n c el o a d sc h a n g eu n d u l a t e sc o m p a r a t i v e l yf r e q u e n t l y , i ng r e a tm a j o r i t yd i e s e l t i m es e r v i c eb e i n gn o tt h a tt h eh j 【g h e f f e c ta r e ai n n e r , t h ef u e lu t i l i z a t i o nr a t i oa x el o w , t h em a s sd i s c h a r g i n gi sr e l a t i v e l yp o o lt h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h e d i e s e lw o r k i n g c o n d i t i o ni st oi m p r o v eo v e r a l ls y s t e me f f i d e n c ya n dt oi m p r o v ed i s c h a r g i n gm a s s a l o n gw i t he n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n d e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n dt h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yb e i n gp r o p o s e d ，t h es u p e rc a p a c i t o ri sd e v e l o p e d 。t h i s n e wk i n do fe l e c t r i c a lc o m p o n e n th a sm o r et e nt i m e so ft h ep o w e rd e n s i t ya n do n e h u n d r e dt i m e so fc h a r g ea n d d i s c h a r g ev e l o c i t y t h a nt h es t o r a g eb a u e r y t h e r e g e n e r a t i o ne n e r g yc a nb er e c o v e r e da n dt h e nr e l e a s e dq u i c k l yw i t ht h es u p e r c a p a c i t o r a n e we n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o ns y s t e m ，w h i c ht a k e st h e s u p e rc a p a c i t o ra st h ee n e r g ys t o r ed e v i c e ，i sp r e s e n t e dh e r e a tf i r s tw ea n a l y s e s d o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n ts i t u a t i o n so fn e wh y b r i d - d y n a m i ct e c h n o l o g ya n d a n a l y s e st h ei n s u f f i c i e n ta n d t h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r s y s t e m so fc r a n e t h ec h a r a c t e r so ft h es u p e rc a p a c i t o ra n dt h ef e a s i b i l i t yu s i n gi ti nt h ep o w e r s y s t e m so fc r a n ea r ea n a l y s e di nd e t a i l w et a k et h ed i e s e lo i lg e n e r a t i n gs e td r i v e ss y s t e mo ft y r ec r a n el i n k i n gs u p e r c a p a c i t a n c ea so b j e c to fs t u d y t h et r a n s f e rr o l e so ft h ed c d cc o n v e r t e r , w h i c ha x e a s s o c i a t e dw i t he n e r g ys t o r es y s t e md r o v e db yt h ed cm a c h i n e ，a n dt h ec h a r a c t e ro f s u p e rc a p a c i t o ra r ei n t r o d u c e dh e r e t h ep r i o r i t yi st h e o r e t i c a la n a l y s i sh o wm u c h 武汉理_ t 大学硕士学位论文 e n e r g yc a nr e c y c l e ，c a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r so fs u p e rc a p a c i t o rw h i c hu s e di nt y r e c r a n e b a s e do nt h es u p e rc a p a c i t o rt h e o r yd i s p o s i t i o n ，c a r r i e so ne x p e r i m e n to fn e w s y s t e ma n da n a l y s e se x p e r i m e n t a lr e s u l t ，o b t a i n si ti sf e a s i b i l i t yt h a tu s i n gs u p e r c a p a c i t o ri nt h ed y n a m i cs y s t e mo fc t a n e t h ep a p e rb a s e so ns a b e rt om a k em u l t i - s i m u l a t e dm o d e l ，a n a l y z i n gs u p e r c a p a c i t o r sc h a r g e 。d i s c h a r g ep r o c e s si sj u s tt ot h er e g e n e r a t e de n e r g y ss o r p t i o na n d r e c y c l ep r o c e s s b ya n a l y z i n gp o w e ro u to fd i e s e le n g i n eo fe a c hm o d e l ，a n d a n a l y z i n go nc o n s u m p t i o nc h a n g e o b t a i n i n gt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o no ft h e n 9 1 0 vh y b r i dd y n a m i c s y s t e m w es e en e wh y b r i dd y n a m i cs y s t e mi se c o n o m i c a l a tt h ef i n a lo ft h ep a p e r , w es u m m a r i z e st h et o t a lw o r ki nt h i sp a p e ra n d g i v em y e x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i dd y n a m i cs y s t e m ，s u p e rc a p a c i t o r , h o i s t i n gm a c h i n e r y , r e g e n e r a t i o ne n e r g y m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题的题目：利用超级电容的起重机械新型混合动力系统研究 课题来源：企业委托研究项目 1 1 2 课题研究的背景 ( 1 ) 世界对起重机械行业的节能环保要求 随着世晃人口和经济的快速增长，对能源的需求量也不断增多。一方面是 石化能源的不可再生，一方面是消耗量的不断增大。以目前的发展速度，根据 国际上通行的能源预测，地球上的石油，天然气和煤能供人类开采的年限，分 别只有4 0 年，6 0 年和2 2 0 年。世界能源短缺常常引起国家冲突和战争，温室气 体排放导致了大量气候性灾难，环境污染直接影响人类的生存质量，能源和环 境污染问题促使各国研究开发新能源和环保节能产品，以及进行环保节能技术 研剔1 1 。 “十一五”期间，国家8 6 3 计划提出的重点关键高技术领域涵盖了十几个 领域，先进制造技术、先进能源技术、资源环境技术便是其中的三项，8 6 3 计划 中还专门对工业能源消耗和资源环境方面加以强调。同时“十一五”期间温总 理提出每单位g d p 能耗降低2 0 ，而对于起重机械广泛应用于如港口、各种 车间、堆场等，因此起重机行业能源消耗量占总能源消耗量很大比例，各大 起重机械制造厂商和用户不得不考虑改善起重机械能量消耗和环境污染问题。 我国主要港口“十一五”规划表明：2 0 1 0 年前我国港口建设规模仍将处于 很高的水平，港口机械的总需求量将持续保持高速增长，包括新增需求和更新 需求。 起重机械行业除了面临着产品质量和成本等方面的竞争外，如何突破绿色 武汉理工大学硕士学位论文 壁垒是更加严峻的挑战。 ( 2 ) 环保节能混合动力新技术 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 根本方法是第二个。 在可再生能源和加大二次能源利用率的问题上，汽车行业很早就研制出了 一项具有历史性意义的新技术，即混合动力新技术。混合动力新技术就是在动 力系统中安装混合动力装置的技术，混合动力装置就是将发动机与辅助动力单 元组合在一起作为动力源。 混合动力汽车( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，简称h e v ) 在发达国家已经日益成 熟，有些国家已经进入实用阶段。1 9 9 7 年1 0 月，全球首辆商业性混合动力型汽 车“p r i u s ”由日本丰田公司研制成功。同年，美国政府与克莱斯勒公司、福特 公司和通用汽车公司合作，实施新型汽车合作计划0 n o v ) ，其制定的混合动力 汽车开发计划的目标是，2 0 0 2 年进行试验性推广，2 0 0 4 年达到全面商业化生产。 混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段 2 1 。 一般人们常说的h e v 是指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。h e v 将发动 机、电动机、能量储存装置( 蓄电池、超级电容) 组合在一起，它们之间的良 好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不 足；同时汽车频繁的起制动，自然形成大量的制动能量，回收这部分制动能量 作为汽车爬坡时的能量补给，使得混合动力技术的研制具有了划时代的意义。 而随着世界范围内工业技术的发展，能源短缺和环境污染问题日趋严重， 起重机械多采用柴油机一液压系统一多执行器驱动方案，耗油高、排放差，其 节能问题已受到业界的广泛关注。 目前在起重机械节能方面的研究主要体现在如下三个方面：提高工作元件 ( 柴油机和液压元件) 性能、改进液压系统和改善柴油机一液压系统一执行器 的功率匹配。 虽然上述措施获得了一定的节能效果，但由于发动机在低速和低转矩区工 作效率比较低，在接近额定功率区效率一般很高，而起重机械负载变化比较频 繁、波动比较大，柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料的利用率低下， 排放质量较差。因此，改善柴油机的工作状况是提高整体系统效率和改善排放 2 武汉理工大学硕士学位论文 质量的一个关键问题。 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( h y b r i d d y n a m i cs y s t e m ) 受到了起重机械领域的高度重视，并逐渐成为一个新的研究方 向。 如何把这种混合动力环保节能新技术用于起重机械运行中的节能是目前业 内研究的热点，因为从节能的角度来看，对这种技术在起重机械中的应用进行 研究不仅对目前的能源有节能作用，同时也能对新能源起到节能功效，并能延 长不可再生能源的生命。理论上来看，由于起重机械每一次工作循环都存在势 能反馈，即提升机构的下降，从这一点来看，研究混合动力环保节能新技术在 起重机械领域的应用比在汽车中应用节能效果要明显得多，并且对于其它工程 机械应用混合动力环保节能新技术有较大的参考甚至是推广价值。 ( 3 ) 传统起重机械动力系统的不足 当今世界集装箱运输船舶大型化，追切需要码头装卸高效化，缩短装卸时 间以及现有码头起重机设备能耗大、污染重、自动化程度低等问题，研制出高 效自动化、节能环保型关键技术及新一代起重机，大幅度提高装卸效率是港口 起重机械行业发展的关键所在。 自2 0 0 5 年来，起重机行业发展呈现出两大特点：一是汽车起重机和履带起 重机中、大吨位发展迅速；二是出口量大幅增长。据悉，国产的4 0 0 吨级、6 0 0 吨级和8 0 0 吨级起重机也会在一两年内出现，这些产品的问世必将促进国内中 大吨位起重机市场的发展。 港口集装箱装卸船作业、堆场作业，或散货装卸船的作业，都要求起重机 在突变载荷条件下频繁高速的完成装卸，不断追求作业效率。尤其轮胎式起重 机作为港口码头和各种建筑机械最常用的装卸机械，可以长距离行驶，灵活转 换作业场地，机动性好，因而得到广泛应用。其作业特点是周期性的间歇作业， 频繁的将数吨到数十吨的货物上升和下降、起动和制动。而且一旦开始作业， 就要求连续不断地进行，并达到理想的装卸、搬运效率。在短短几秒内完成起 动和制动，需要很大的功率。在如此巨大的负荷变化下，要求短时起制动，给 传统起重机械的设计制造和运行维护等方面带来如下不利因素： 起重机装机容量非常大。由于起重机短时大功率的运行要求，起重机动 力系统中必须配备大容量大功率的发动机，大大加重起重机整机容量，而在起 3 武汉理工大学硕士学位论文 动时，柴油机必须加大油门，快速大量供油，由此严重导致柴油机噪声增大， 燃料燃烧不完全，并排放黑烟，造成环境污染，同时增加油耗，加大了起重机 行业的运营成本。 起重机的再生能量没有得到合理利用。在变频技术应用之前，起重机的 下降势能和其他机构因制动反馈的再生能量只能通过能耗电阻制动方式消耗 掉，使其满足各种工况下的平稳制动和高速轴的紧急防风制动的要求。电阻发 热消耗再生能量，即浪费能源又增加整机的热污染。 冲击很大，整机运行不够平稳。由于大功率的短时频繁起动，对机组负 荷冲击很大，不但燃料燃烧不完全，对整机的电力系统冲击也很大，容易造成 电器设备损坏。 阻碍起重机的进一步发展。随着近年来工程机械等制造业绿色化的要 求，作为工程机械的主要机种之一的起重机不得不研制新的绿色制造技术f ”。 世界对起重机械领域环保节能的迫切需求，以及起重机械传统动力系统的 不足成为本课题研究背景。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 研究的目的 ( 1 ) 实现起重机械节能环保的目的 我国起重运输机械行业的“十五”发展规划，对行业的技术发展趋势、优 先发展的重点产品以及建议淘汰的产品作了详细规定。今后五年，起重运输机械 行业要向大型化、节能化、智能化和成套化方向发展1 4 1 。 通过本项目的研究，在起重机械中使用新型混合动力系统，它是在传统动 力系统基础上配置储能元件，使起重机械在运行过程中充分利用其自身回馈的 再生能量，进而达到环保节能的目的。 回收起重机械工作过程中由于势能回馈和制动能量回馈形成的再生能量， 回收的再生能量作为起重机械工作机构动作所需能量，有效利用这部分能量实 现起重机械环保节能的目的。对于由柴油发电机组供电的起重机械，通过再生 能量的再利用，一方面减小内燃机功率配置，减少燃油消耗量，实现节能降耗 的目的，另一方面超级电容与内燃机的协调使用使得内燃机稳定工作在高效区 4 武汉理工大学硕士学位论文 附近，燃料充分燃烧，降低废气排放的同时降低噪音，实现环保的目的；同时 减轻起重机整机容量，改善传统起重机械动力系统的不足。对于有网电供电的 起重机械，回收再生能量，一方面节省电能，另一方面减少甚至消除再生能量 对整个电网的冲击，同样实现节能环保的目的。 ( 2 ) 推动新兴产业发展 随着混合动力技术的发展和在起重机械行业的推广，储能器将广泛应用于 起重机械行业，给储能器带来巨大的使用市场。 我国的储能器及其原材料制造业还很薄弱，通过本项目的研究推动其发展， 以期降低成本，带动需求，从而达到推动新兴产业发展的目的。 1 2 2 研究的意义 十六大提出，到2 0 2 0 年我国要建成全面小康的社会主义国家。能源是制约 经济快速发展的瓶颈。能源安全和电力供给已经成为新世纪我国全面建设小康 社会和进入中等发达国家的进程中一个十分紧迫的现实问题。节能环保技术的 研发在解决我国能源问题中将起到十分重要的作用。 我国现有大小港口2 0 0 0 余个，随着我国经济的不断发展，港口机械的吨位 和运动机构速度越来越大，数量也越来越多，消耗的一次能源也日趋增加，而 港口机械的主要功能是完成港口货物的装卸搬运作业，在货物装卸过程中( 货 物上升消耗能量，而货物下降回馈能量，长期使用其上升和下降的时间各占5 0 ) 存在着大量的能量回馈问题嘲。 本课题的研究就是试图解决起重机械作业过程中存在的大量势能回收与利 用问题，达到节能与环保的目的，其经济和社会意义十分重大。 对于码头前沿大型起重机的设备容量相当大( 大型岸桥接近2 0 0 0 k v a ) 而且 数量多( 5 1 0 台同时作业) ，这些具有位能负载装机容量巨大的设备在起动制动 时，对电网有巨大骚扰，不只有高次频波的问题，而且对电网有冲击。 超级电容具有瞬时供应和吸收大电流的能力，如果将它接入到岸桥电路中， 依靠外接电网和货物下降时反馈的再生能量对它充电，当起动时利用它储存的 再生能量放电，减小对外电网的冲击。从原理上说无可非议，而且可以减小起 重机自身的变压器容量。 随着我国加入w t o ，今后，我国港口装卸( 特别是集装箱装卸) 将有突飞猛进 的发展，然而相当多的港口，虽然想发展集装箱，但是资金又是一个大问题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 所以走改造旧的设备之路，使旧设各焕发青春，这样就可大大节省资金，同时 又满足港口发展集装箱装卸的要求，仍不失为一个好的办法。通过改造旧的集 装箱起重机动力系统，改善集装箱起重机的燃油经济性和整机装机容量，在港 口机械行业带来巨大的经济效益。 1 3 国内外研究的动态【胍l 1 3 1 国外研究动态 混合动力系统最早出现在日本的混合动力汽车中，作为汽车的混合动力驱动 系统。随着经济的发展和国际化程度的提高，美国、德国等国也相继在汽车行 业研究混合动力系统。目前。美国正在对矿用机动车辆、军用起重运输机械中 应用混合动力系统进行研究 6 1 。 鉴于混合动力系统在汽车上的成功应用，近年来混合动力系统已成为起重 机械节能降耗、降低废气排放的重要研究课题之一。为了提高下一代产品的竞 争力和市场占有率，日立建机、小松、卡特彼勒一三菱和神户制钢等世界各大 工程机械制造商，纷纷开展了混合动力系统在起重机械上应用的研究工作。2 0 0 3 年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机( w h e e l l o a d e r ) ，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。2 0 0 4 年5 月，小松研制 出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型川。 1 3 2 国内研究现状 紧跟世界潮流，在起重机械领域，作为世界上起重机生产和设计之领军企 业上海振华港机公司( s h a n g h a iz h e n h u ap o r tm a c h i n e r yc o ，l t d ，简称 z p m c ) ，在起重机械混合动力系统的研究上取得了一定的成果，装备有上海振华 港机公司( z p m c ) 自主开发的超级电容的s s a8 # 轮胎式集装箱起重机 ( r u b b e r t y p e dg a n t r yc r a n e ，简称r t g ) 2 0 0 5 年在美国西雅图正式投入使 用，性能较好，得到了用户的肯定。这是z p m c 在美国市场投入使用的第一台配 有超级电容的“绿色”r t g 。目前，已取得中华人民共和国国家知识产权局颁发 的在国内外市场有效的专利证书嘲。 武汉理工大学吴森、金德先等也在起重机械动力系统改进研究方面做出了 6 武汉理工大学硕士学位论文 很大的努力，持有“混合动力电动轮胎门式吊船机”发明专利，这种混合动力 起重机械也是基于回收吊船机工作过程中形成的再生能量，来减少柴油发电机 的功率配置，达到节能环保的目的【9 】。 上海交通大学张建武、顾力强、何维廉、黄宏成、包继华等发明的“带有 轨道检测系统的混合动力电传动磁浮轨道巡检车”，同样是基于回收再生能量的 目的，以超级电容器为储能元件，借助混合动力新技术，实现节能降耗的目的【1 0 l 。 武汉东风汽车公司的罗永革、王杰、刘小燕、骆元、余建强发明的“混合 动力汽车动力耦合装置”也是对近代混合动力新技术的一种创新【1 1 1 。 广东邝建华发明的“机械储能助力装置及其配用的机动车”，则是利用机械 储能的方式回收机动车动作过程形成的再生能量，储存的能量作为辅助动力源， 从而达到节能降耗的目的1 “。 由此可见，国内外在储存再生能量方面的混合动力新技术有很大的发展， 而且其发展处于科技前沿，发展势头良好，使用的范围很广泛。 1 4 课题研究工作及论文主要内容 1 4 1 课题研究工作 课题主要采用理论演绎、实物试验、仿真试验相结合的方法进行系统的研 究。其中理论演绎包括各种参数间的演绎推导如能量e 、电容c 、提升质量m 、 重力加速度g 、下降高度h 、下降速度v 、下降时间t 、功率p 、电压v 、电流i 等参数之间的演绎推导以及能量匹配与控制原理的理论推导。仿真研究，主要 是应用混合动力系统仿真软件s a b e r 对起重机械新型环保节能混合动力系统进 行建模与仿真研究。具体工作如下： ( 1 ) 对研究课题所用混合动力新技术查新检索。 ( 2 ) 进行利用储能器的起重机械环保节能新型混合动力系统的可行性研 究，并撰写可行性研究报告。 ( 3 ) 理论上计算不同种类和工况下起重机械可回收的再生能量，从而初选 超级电容。 ( 4 ) 设计并联供电的能量回收与利用的控制系统与监控系统并安装在起重 机模拟升降试验台上，运行并测定原动机与储能器并联工作的能量消耗及回馈 7 武汉理工大学硕士学位论文 能量的利用情况。 ( 5 ) 在s a b e r 仿真环境下建立相应的仿真模型。分析系统各部件性能特性 曲线，对各个支线电压采样，并推算能量回收利用情况。 ( 6 ) 试验验测试和仿真结果比较分析，优化系统模型，确定最佳的储能元 件和储能元件的参数配置，最后进行工业性试验。 1 4 2 论文主要内容 论文撰写是建立在对课题做出了一定的研究，取得一些结果的基础上完成 的。论文主要内容如下： ( 1 ) 基于查新报告，总结了混合动力系统的国内外发展现状，尤其是混合 动力新技术在起重机械行业的应用现状。了解了起重机械传统动力系统的不足， 在分析起重机械工作特性的基础上，借鉴混合动力新技术在汽车行业的应用原 理，通过在起重机械传统动力系统中配置合适容量的储能器( 超级电容) ，进而 改善起重机械动力系统，实现本文的预期环保节能的目的。 ( 2 ) 详细了解超级电容器的性能参数，分析超级电容的充放电特性及其在 起重机械中应用的可行性。 ( 3 ) 概述利用超级电容的起重机械新型混合动力系统模型，详细介绍起重 机械新型动力系统中再生能量通过超级电容连接双向d c d c 变换器实现的原理。 ( 4 ) 结合起重机械工作特性，理论上分析可回收利用的再生能量，根据超 级电容储存能量、电容量和工作电压的关系，从而粗略估算超级电容的选配。 ( 5 ) 对新型混合动力系统进行试验测试和仿真分析。通过试验主要测试超 级电容应用到起重机械动力系统中的性能变化情况；同时通过s a b e r 仿真软件， 对起重机械新型混合动力系统建模仿真，进行仿真分析并与试验数据进行对比 验证。根据理论分析、试验测试和仿真建模，最后对起重机械新型混合动力系 统进行评估和优化。 ( 6 ) 最后对全文进行总结和对下一步工作展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章超级电容概述 2 1 超级电容简介 随着储能技术的不断发展，目前应用最广泛的主要是蓄电池和超级电容器 两大储能器件。 超级电容器是近年发展起来的一种新型的储能元件，具有功率密度高、寿 命长、使用温度宽及充放电迅速等优异特性，对超级电容的研究及应用也日益 活跃。 超级电容混合动力新技术在汽车行业已有比较成熟的应用。最早在日本的 汽车行业，采用混合动力技术达到汽车行业的绿色制造，通过配备超级电容回 收汽车制动时的再生能量，作为汽车启动和爬坡时的动力补给。随着经济的发 展和国际化程度的提高，美国、德国等国也相继在汽车行业研究该技术。近年 来，中国也正着手研究这种技术，由清华大学的张扬军、郭宫达、欧阳明高等 人发明的专利号为2 0 0 5 1 0 0 1 2 1 2 2 3 的车用燃料电池燃气轮机混合动力系统正是 这种技术1 1 ”。 2 1 1 超级电容结构特点 超级电容器( s u p e r - c a p a c i t o r ) ，一般又叫双电层电容器( e l e c t r i c a ld o u b l e l a y e r c a p a c i t o r ) 、黄金电容、法拉电容，是通过极化电解质来储能，其储能的过程并 不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此，超级电容才可以反复 充放电。它可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应的活性的多孔电极板，在 极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而形成两 个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。但是 它不同于传统的电容器。首先，传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获 得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面 积，传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些 材料通常要求尽可能的薄。其次，超级电容器的面积是基于多孔碳材料，该材 料的多孔结构允许其面积达2 0 0 0 m 2 g ，通过一些措施可实现更大的表面积，超 9 武汉理工大学硕士学位论文 级电容器的电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定 的。该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。再者。这种庞大的表 面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人的 静电容量，这也是其“超级”所在。 超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是 致命的。实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放1 0 a ，大单 体可放1 0 0 0 a 。另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容 器温度升高，最终导致断路。 超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数t 在l - 2 s ，完全 给阻容式电路放电大约需要5t ，也就是说如果短路放电大约需要5 1 0 s ( 由于 电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全释放) 。 超级电容器的这些特点使得电化学电容器在电动汽车、通讯、消费和娱乐 电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。有业内专家预测， 仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2 1 5 0 万只，而整个亚太地区的总需求 量则超过9 0 0 0 万只。美国市场研究公司f r o s t & s u l l i v a n 不久前发布的一份报告 也预计，2 0 0 2 年到2 0 0 9 年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项 数据将分别以1 5 7 和4 9 的年复合增长率保持高速增长拉4 j 。 另外超级电容的不足表现在，如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和 铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。 2 1 2 超级电容分类 按采用的电极不同，超级电容器可分为以下几种：( 1 ) 碳电极电容器：( 2 ) 贵金属氧化物电极电容器；( 3 ) 导电聚合物电容器。 按储存电能的机理不同，超级电容器可分为两种类型：一种是“双电层电 容器”，其电容的产生主要基于电极，电解液上电荷分离所产生的双电层电容，如 碳电极电容器；另一种则被称为“法拉第准电容”，由贵金属和贵金属氧化物电 极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积， 或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容， 该类电容的产生机制与双电层电容不同，并伴随电荷传递过程的发生，通常具 有更大的比电容。 根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同，又可分为对称型和非对 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 称型。如果两个电极的组成相同且电极反应相同，反应方向相反，则被称为对 称型。碳电极双电层电容器，贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两 电极组成不同或反应不同，则被称为非对称型，由可以进行n 型和p 型掺杂的 导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器，其性能表现形式更接近蓄电 池，表现出更高的比能量和比功率。 超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定。电解质可以是水 溶液( 如强酸或强碱溶液) 也可是有机溶液( 如盐的质子惰性溶剂溶液) 。用水 溶液体系可获得高容量及高比功率( 因为水溶液电解质电阻较非水溶液电解质 低，水溶液电解质电导为1 0 1 1 0 2 s 2 i n - l ，而非水溶液体系电导则为1 0 3 1 0 4 s c m d ) ；选用有机溶液体系则可获得高电压( 因为其电解质分解电压比水溶液 的高，有机溶液分解电压约3 5 v ，水溶液则为1 2 v ) ，从而也可获得高的比能量 l 堋 1 6 1 。 2 1 3 超级电容其本性能参数 ( 1 ) 工作电压( v w ) ：电容器能够连续长期保持的最大电压。 ( 2 ) 电流( i l ) ：对电容器进行充电后，为使电容器在某一电压处于稳定态 而从外部施加的一个电流。 ( 3 ) 时间常数( r c ) ：如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一 个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数。其单位为秒， 相当于将电容器恒压充电至满充容量的6 3 2 时所需的时间。 ( 4 ) 等效串联电阻：当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效 模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利用交流 阻抗技术或电流阶越技术测试得到。 ( 5 ) 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法 是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。 ( 6 ) 理想存贮能量：电容器存贮能量的理想值。对于一个简单的电化学电 容器，其理想存贮能量值可以通过o 5 c v ? 来计算，其中c 为电容器的容量， v 0 为电容器的工作电压。 ( 7 ) 平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功 率。 ( 8 ) 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 大输出功率，计算公式为v z ( 4 r ) ，此处v 为电容器的初始电压，而r 为电容器 的等效串联电阻。 ( 9 ) 放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的 能量的百分比【1 7 l 【1 羽。 表2 - 1 超大容量电容器的结构参数 序号型号电压( v )容量( f )备注 1 h v 0 0 1 p 0 0 5 5 5 51 标准单体 2 s u 0 0 2 0 p - 0 0 2 7 v 二l c a 2 72 0 标准单体 3s u 0 0 5 0 p - 0 0 2 7 v - i c a2 75 0 标准单体 4s u 0 0 1 0 0 p - 0 0 2 7 v - i c a2 71 0 0 标准单体 5 s u 0 0 2 0 0 p - 0 0 2 7 v - 1 c a 2 72 0 0 标准单体 6s u 0 0 3 0 0 p - 0 0 2 7 v - 1 c a2 73 0 0标准单体 7 s u 0 0 6 0 0 p - 0 0 2 7 v - 1 c a 2 7 6 0 0标准单体 8s u 0 0 1 2 0 0 p - 0 0 2 7 v - 1 c a 2 7 1 2 0 0 标准单体 9s u 0 0 1 8 0 0 p - 0 0 2 7 v - 1 c a2 71 8 0 0 标准单体 1 0s u 0 0 2 4 0 0 p - 0 0 2 7 v 二1 c a2 72 4 0 0 标准单体 2 2 超级电容和蓄电池性能比较 蓄电池的性能通常由活性物质的热力学与动力学性质所决定。般情况下， 在充放电时，电极电位的变化不大，其储存的能量e 为：电池放电时活性物质 发生氧化还原反应所通过的电量q ，乘以电池两极电位差v ，即e = q v i 州。 对于超级电容器，电极上活性物质的化学位和电极电位是电极荷电量的连 续函数，具体表现为：( 1 ) 电极电压和电极中充入电荷的量成线性关系；( 2 ) 如果电极电位随时间作线性变化，可以得到一个大体恒定的充电电流。由于其 储能时电极电位随充入的电荷量的升高而升高，所以，它所储存的能量为相同 电量和电压下蓄电池能量的一半。如果升高电容器的电压，则可提高电容器的 比能量。如表2 - 1 ，2 2 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 相比蓄电池来说，超级电容器主要有以下几点优势： ( 1 ) 电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极， 与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大， 则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1 f ，它的出现使普通 电容器的容量范围骤然跃升了3 到4 个数量级，目前单体超级电容器的最大电 容量可达5 0 0 0 f 。 表2 2 超级电容和蓄电池性能比较 条件蓄电池 超级电容 电化学位变化由活性物质的热力学性质决定 随活性物质的变化而变化 充放电电极电位变化如果不发生非热力学过程和物相电极电位随充电状态而发生变 变化，电极电位保持不变化 电量储存方式非电容性电容性 恒电位变化时得不到横流曲线可得到横流曲线 横流放电时电位变化 基本不变呈曲线变化 ( 2 ) 充放电寿命很长，可达5 0 0 0 0 0 次，或9 0 0 0 0 小时，而蓄电池的充放 电寿命很难超过1 0 0 0 次；可以提供很高的放电电流，如2 7 0 0 f 的超级电容器额 定放电电流不低于9 5 0 a ，放电峰值电流可达1 6 8 0 a ，一般蓄电池通常不能有如 此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命 将大大缩短。 ( 3 ) 充电迅速，使用便捷，超级电容可以数十秒到数分钟内快速充电，而 蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。 电池、超级电容和传统电容都能储存电能，但是它们储存电能的原理不同。 电池是电能和化学能的能量转换装置，通常称为化学电源；而超级电容( e d l c ) 和传统电容是物理电源，它们储存电能是靠静电引力作用来实现的。具体到超 级电容( e d l c ) 是在高度多孔状电极与束缚态电解质的接触表面所特定的双电层 来实现储能的，传统电容通常是通过平板电极所带相异电荷来实现储能。因此， 超级电容储存的能量是同规格普通铝电容的2 0 0 0 倍，是铅酸电池比功率的1 0 倍。三者之间的对照如表2 3 所示i 列f 2 1 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 几种电化学储能器件的性能比较【2 2 1 1 2 3 l 性能铅酸电池超级电容器普通电容 充电时间1 5 h0 3 3 0 s 1 0 - 3 1 0 一6 s 放电时间0 3 3 h0 3 3 0 s1 0 - 3 1 0 6 s 比能量，( w h k g - 1 ) 1 0 1 0 01 1 00 1 比功率l ( w k g - d 1 0 0 0 5 0 0 ，0 0 0 充放电效率 o 5 0 8 50 8 5 o 9 8 o 9 5 2 3 超级电容器现状及发展趋势 2 3 1 超级电容器现状及应用情况 超级电容器是上世纪6 0 ，7 0 年代率先在美国出现，并于8 0 年代逐渐走向 市场的一种新兴的储能器件。它是一