（机械设计及理论专业论文）混合动力挖掘机能量存储单元及其管理系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 混合动力液压挖掘机的特殊工况对能量存储装置及其管理系统提出了特殊 的要求，本文针对混合动力液压挖掘机上的能量存储装置及其管理系统进行了研 究，主要进展如下： 1 通过挖掘机工况的分析以及各种能量存储单元的比较，选择了动力n i m h 电池组作为5 t 并联式混合动力液压挖掘机的能量存储单元，并根据电压、功率、 能量和寿命要求对n i m h 电池组进行参数匹配研究。 2 通过和项目组成员共同搭建的混合动力实验平台对n i m h 电池组的基本 特性进行测试和分析，着重分析了n i m h 电池的迟滞电压现象，并在此基础上 建立了电池的改进型r c 等效电路模型。 3 针对电流波动较大的工况，本文提出了一种以改进型r c 模型和基于能 量守恒s o c 估算模型相结合的s o c 估算模型，并利用s i g m a 点卡尔曼率波算法 进行实时计算，该方法能综合两者的优点，较好的适应挖掘机的多工作模式以及 负载特性。同时，初步研究了电池s o h 估算方法，并建立了其估算方法和步骤。 4 以t m s l f 2 8 1 2d s p 芯片为基础设计了电池管理系统的硬件电路和软件 系统，主要包括电池组集散式均衡电路充电电流控制电路、控制板电路以及基 于d s p b i o s 的软件系统。 关键词：混合动力，液压挖掘机，能量存储单元，s o c ，s o h ，电池管理系统 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o no f h y b dh y d r a u l i ce x c a v a t o r ，s o m es p e c i a l r e q u i r e m e n t sw e r ep r o p o s e df o ri t se n e r g ys t o r a g ed e v i c ea n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，i n t h i sp a p e r ，t h ee n e r g ys t o r a g ed e v i c ea n di t sm a n a g e m e n ts y s t e mc e n t r a l i z e do nt h e h y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rw a sr e s e a r c h e d ，t h em a j o rp r o g r e s si sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt oa n a l y s i so fe x c a v a t o rw o r k i n gc o n d i t i o na n dc o m p a r i s o no f v a r i o u se n e r g ys t o r a g eu n i t ，is e l e c t e dt h ei m p e t u sn i m h b a t t e r ya sae n e r g ys t o r a g e u n i tf o r5 tp a r a l l e lh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r ，t h e nc h o s et h ep a r a m e t e ro fn i m h b a t t e r yt h r o u g ht h er e q u i r e m e n t so fv o l t a g e ，p o w e r ，e n e r g y ，a n dl i f e 2 t h r o u g hac o m p r e h e n s i v e l ye x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hb u i l tb yo u rt e a m ，i c a r r i e do u ts o m et e s t sa n da n a l y s i so fn i m h b a t t e r yp a c k so nt h eb a s i cc h a r a c t e ro f b a t t e r y ，t h e no nt h i sb a s i s ，e s t a b l i s h e do fa ni m p r o v e dr ce q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo f b a t t e r y 3 f o rf l u c t u a t i n gc b r r e n tc o n d i t i o n so f b a r e r yi nh h e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e w s o ce s t i m a t i o nm o d e lt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fi m p r o v e dr cm o d e la n dt h e e n e r g yc o n s e r v a t i o ns o c e s t i m a t i o nm o d e l ，w h i c ho b s e r v e dt h r o u g hs i g m a - p o i n t k a l m a nf i l t e r i n gp r e c i s e l y ，t h em o d e lc a l lb ec o m b i n a t i o no ft h et w op r i o r i t yp o i n t s ， a n da d a p tw e l lt ot h ee x c a v a t o r sm u l t i w o r k i n g m o d e la n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c s b e s i d e s ，r e s e a r c h e dt h eb a r e r y ss o h e s t i m a t i o nm e t h o d sp r e l i m i n a r i l y ，a n d e s t a b l i s h e di t se s t i m a t i o nm e t h o d sa n ds t e p s 4 d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i t r ya n de m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mo ft h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ed s pc h i pt m s l f 2 8 12 ，m a i n l yi n c l u d i n g e q u a l i z i n gc o n t r o lc i r c u i tf o rb a t t e r yp a c k s ，c h a r g i n gc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i t , e l e c t r i c a l c o n t r o lb o a r da n ds o f t w a r es y s t e mo nd s p b i o s k e yw o r d s ：h y b r i ds y s t e m ，h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，e n e r g ys t o r a g eu n i t , s o c ，s o h ， b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 浙江大学硕士学位论文 术语表 缩写、符号清单、术语表 h h e 一一h y b n dh y d r a u l i ce x c a v a t o r e s u 一一e n e r g ys t o r a g eu n i t d o d 一一d 印n lo fd i s c h a r g e b a t 一一b a t t e r y b m s 一一b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m h p p c 一一h y b r i dp u l s ep o w e r c h a r a c t e r i z a t i o n s o c 一一s t a t eo fc h a r g e s o h 一一s t a t eo fh e a l t h b c u 一一b a 伉e 巧c o n t r o l u n i t d s p 一一d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r b e 一一b a 仕e 巧e q u a l i z a t i o n p w m _ p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿态鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 论文完稿之际，首先衷心感谢我的导师潘双夏教授以及指导老师管成副教授， 虽然潘老师在引领我进入项目研究后不久就病倒了，但是他的谆谆教导以及刻苦 从研的精神始终激励着我，使我受益匪浅。衷心感谢管老师在潘老师过世后对我 的悉心指导，使我顺利完成了项目工作和学位论文。 深深感谢研究所冯培恩教授给我提供了良好的研究条件和学术氛围，衷心感 谢高宇老师在电路和软件方面的指导，也感谢邱清盈副教授、顾大强副教授、赵 亮副教授在日常生活中给予的帮助。 非常感谢同课题组的王冬云、林潇博士生，庹福幸硕士生，感谢他们( 尤其 是王冬云博士生) 在学习和生活中一直对我无微不至的指导和帮助，难以忘却我 们共同进行项目研究的日子。同时也感谢白寒、来晓靓博士生，张敏杰、彭华硕 士生以及实验室其他同学的无私帮助，非常高兴能和这么多良师益友共度学习和 生活。 特别感谢生我养我的父母，没有你们二十多年来对我含辛茹苦的教育和培养， 就没有我的今天，你们一直在背后默默的支持我、鼓励我，让我能安心的学习和 研究，感谢你们! 王向炜 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 混合动力液压挖掘机研究概况 随着国内外工程机械行业的节能减排要求越来越高，液压挖掘机的节能技术 已经成为研究重点，鉴于混合动力技术在汽车上的成功运用，基于混合动力技术 的液压挖掘机研究受到广泛的关注n 2 1 。 混合动力技术是指由两种或两种以上的动力源组成动力系统的技术，目前车 辆领域的混合动力应用形式主要有机械能和电能组合的电混合，机械能和液压能 组合的液压混合等，其中电混合动力系统由发动机提供主动力，电动机和电池提 供辅助动力，根据其主动力源与辅助动力源不同的组合结构，可以分为串联、并 联以及混联三种结构3 删。本文主要针对电混合动力系统的储能装置进行研究， 因此下文出现的混合动力技术特指电混合技术。 混合动力技术在汽车和公交车上已经成功运用，丰田、本田、日产、戴姆勒、 通用、比亚迪等公司都成功推出了混合动力汽车，国内一汽和东风公司也开发出 了混合动力公交车硒。1 ，而在液压挖掘机上的运用还处于起步阶段，国外已经 有一些单位对混合动力液压挖掘机( h h e ) 进行研究并推出了产品，包括日本的 小松、日立建机、神钢建机、住友和早稻田大学，美国卡特彼勒、凯斯以及瑞典 沃尔沃等，比如2 0 0 4 年5 月小松公司首先推出p c 2 0 0 8 型混合动力液压挖掘机 的试验机，日立建机也在同年相应推出了2 0 t 混合动力液压挖掘机，2 0 0 6 年神钢 公司和纽荷兰公司联合推出了7 t 混合动力液压挖掘机，2 0 0 9 年美国凯斯公司在 i n t e r m a t 展上展出了最新研制的2 1 t 凯斯c x 2 1 0 b 的油电混合动力特种挖掘机， 斗山也将开发2 2 t 混合动力液压挖掘机，预计在2 0 1 4 年完成。而在国内混合动 力液压挖掘机还处于实验研究阶段，主要有三一、浙江大学等单位在研发，目前 还没有成功研制出产品的消息踮1 。 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 2 混合动力储能装置及电池管理系统研究现状 1 2 1 混合动力储能装置现状 目前电混合动力技术上常用的动力储能装置有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离 子电池和超级电容。其中铅酸蓄电池已经成熟而且成本相对较低，但是性 能相对较差，比能量低、充放电时间长、寿命较短，而且对环境有污染2 1 ； 镍氢电池已在混合动力汽车中被广泛运用，具有可快速充电，优良的高倍率放电 性能和低温放电性能，价格便宜，无污染等优点，但其比能量和寿命不高n 3 1 们。 锂离子电池具有电压高、比能量高及优良的循环寿命，安全无污染，被称为绿色 电源，但是目前只运用在小电流环境，高功率的锂离子电池技术尚不成熟，稳定 性差、价格高，大电流充放电时安全性差n 5 j 6 1 ；超级电容是当前发展起来的最 新的电池技术，具有瞬间释放大电流的能力，因此其比功率很高，充放电速度快， 而且具有很长的循环寿命，约为镍氢电池的5 0 0 1 0 0 0 倍，但是其比能量较小， 价格也非常昂贵，而且目前只有国外开发出相应产品，国内正处在开发试验阶段， 因此很难购买m 1 鲫。 各种电池的主要特性比较如下表所示1 2 _ 0 1 ： 表1 1 各种动力电池性能比较 特性铅酸蓄电池镍氢电池动力锂电池超级电容 比能量 2 0 3 0 w h k g5 0 7 0 w h k g 9 0 15 0 w h k g 3 5 - 5 w h k g 比功率 10 0 2 0 0 w k g 3 5 0 10 0 0 w k g10 0 0 3 0 0 0 w k g 1 0 0 0 1 0 k w k g 自放电率低较高 低高 循环寿命3 0 0 5 0 0 次1 0 0 0 3 0 0 0 次2 0 0 0 5 0 0 0 次达1 0 0 0 0 0 0 次 价格 lo o 2 0 0s k w h 6 0 0 8 0 0s k w h2 0 0 0s k w h 左右2 5 0 0s k w h 其他缺点污染严重有电压迟滞效不稳定，安全性使用不当会引 应差起电解质泄漏 目前镍氢电池已经在混合动力汽车上占据主导地位，比如最早进入市场的丰 田p r i u s 一代、二代和本田i n s i g h t 混合动力汽车均采用了镍氢电池作为其能 量存储单元，凯迪拉克凯雷德混合动力版也采用了一块3 0 0 伏大容量镍氢电池， 北京奥运期间使用的混合动力公交车采用了春兰公司的镍氢电池组。而锂离子电 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 池正处在开发阶段，目前无法在混合动力汽车中市场化运用，但是它是今后混合 动力汽车和电动汽车用电池的发展方向，丰田公司将在下一代p r i u s 中使用即 插即用型大功率锂电池，目前各国都在研制混合动力车用锂离子电池，比如丰田、 松下、日产、戴姆勒、比亚迪等公司都在开发动力锂电池，可以预见5 年后，锂 离子电池将代替镍氢电池成为混合动力汽车的主要储能设备眨1 2 。 目前混合动力挖掘机应用较广的能量存储装置是超级电容和镍氢电池，由于 挖掘机的复杂工况和剧烈波动负载，使得超级电容在混合动力挖掘机中受到广泛 欢迎，比如2 0 0 8 年上市的小松p c 2 0 0 系列并联式混合动力挖掘机使用超级电容 作为其储能设备，能迅速回收来自动臂、斗杆和转台的制动能量；而纽荷兰和神 钢联合推出的7 t 混合动力挖掘机采用1 套n i m h 电池和1 套超级电容联合作为 储能设备；凯斯c x 2 1 0 b 混合动力挖掘机的回转机构采用电机驱动，并连接超级 电容器作为储能设备；住友建机今年推出的2 0 t 级“l e g e s t h y b f i d 混合动力磁 盘起吊式挖掘机采用了超级电容器。可以看出超级电容由于具有高寿命和高 的比功率，已成为大吨位油电混合动力液压挖掘机的主导储能设备。 1 2 2 电池管理系统研究现状 电池管理系统起着监控电池状态和保护电池的作用，能提高电池的工作效率 以及充分延长电池的寿命。由于电动汽车的发展，电池管理系统的研究很早就受 到国内外的重视，美国能源部与国际三大汽车公司( 戴姆勒、福特、通用) 在9 0 年 代初就共同成立的先进电池联合体( u s a b c ) ，进行电动车能源系统的研究开发， 其中有专门从事电池及管理系统的试验研究机构，日本也有研究中心从9 0 年代开 始研究电池管理系统配4 2 钉，随着混合动力技术的不断发展，电池管理系统技术 也在混合动力汽车中得到了应用和发展眈6 1 。目前电池管理系统己经从单一的监 测系统逐步向智能化管理系统转变，在功能、可靠性、实用性、安全性等方面都 有了提高，例如美国的n a n o c o r p 公司使用模糊逻辑的方法对各种类型电池的 s o c 进行准确预测；美国加利福尼亚的a cp r o p u l s i o n 公司研制出了性能优良的电 池管理系统，能对电池组每个电池单元的电压、温度进行监测，并进行电池单元 的均衡充放电；美国的通用汽车使用微电脑来建立智能化的电池管理系统；日本 本田汽车公司开发的电池管理系统能在汽车发生碰撞时立即切断电源，从而保证 使用电池的安全；而国内在十五期间也有北理、同济、清华等大学研究动力电池 曼 浙江大学硕上学位论文绪论 管理模块2 7 2 9 1 。而针对混合动力液压挖掘机用的电池管理系统国内外研究较少， 目前还没有相关文献资料。 动力电池管理系统技术尚不完善，而且随着电池种类的不断更新，尤其是复 合电源技术的出现，电池的管理系统需要针对不同的电池进行开发，目前电池管 理系统还存在以下问题：剩余容量状态( s o c ) 和健康状态( s o h ) 的估算精度较差， 热管理和散热装置效率较低，充放电效率需要进一步提高，充放电单体电池的均 衡问题，电池故障诊断技术不能准确定位，电池的安全性不够高等，在这些方面 具体的研究的状况如下： ( 1 ) 电池剩余电量s o c 的估算一直是电池管理系统的重点和难点，由于电池 结构复杂，工作时呈非线性变化，s o c 估算精度受到严重影响，目前传统的s o c 估算方法及其优缺点比较如下表所示b 2 1 ，根据传统的s o c 算法，国内外也 研究出了许多新的s o c 估算方法，比如考虑充放电效率的并结合卡尔曼滤波法 的闭环安时积分法，基于r c 模型以及安时积分法相结合s o c 估算方法等b 1 3 ”。 表1 2 传统s o c 估算方法比较 s o c 估算方法优点 缺点适用场合 放电试验法可靠、精度高需要大量试验和时间电池的维护 开路电压法简单，精度较高需要长期静置，不适合适合停车状态下 在线测量 测量 安时计量法简单、可靠需要起点s o c 已知；用于精度要求不 积分会形成累计误差；高和电流缓和的 需要考虑充放电效率电池s o c 的估算 内阻法电池放电后期具交流阻抗受温度影响适用于放电后期 有较好的精度和大，直流内阻测量困难 适应性 神经网络具有较高的精度需要大量的参考数据适用各种电池 和适应性进行训练，训练困难 卡尔曼滤波法精度高，能对噪运算对硬件要求较高适用电流波动较 声滤波，得到估大的电池的s o c 计误差估算 4 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 2 ) 电池的健康状况( s o h ) 反映电池的寿命和性能，对电池的s o c 估算起修正 作用，且正确计算s o h 能让客户及时更换老化的电池，目前国内外对s o h 的研 究较少，主要有统计充放次数和时间以计算s o h ，根据电池内部阻抗并通过试 验确定s o h ，通过建立精确的电池模型计算电池的电容来估算s o h 等方、法【3 和3 印， 但这些方法效率和精度较低，还没有进行实际应用。 ( 3 ) 温度对电池的工作性能影响非常大，尤其是镍氢电池和锂电池，因此必须 合理的控制工作温度，使电池工作在正常或高效温度范围，目前电池的热管理主 要运用水冷和风冷的技术，通过冷却管道和通风口的合理布置以及冷却系统精确 控制对电池进行散热，此外也研究电池组的外壳结构设计及电池模块的布局设计 使得各个单体电池温度分布均衡，电池在冷却后的预热技术等3 7 3 钉。 ( 4 ) 混合动力系统中电池的充放电主要是依据电池的荷电状态( s o c ) 以及混合 动力系统的能量需求来综合控制，目前充放电技术主要研究电池的智能化充放电， 电池高效率充放电技术以及电池组各单体的均衡充放电技术b 9 枷。 ( 5 ) 优良的故障诊断及保护技术是保证电池组安全工作的有效措施，比如防止 高电压高电流泄露，对电池组每个单体电池进行诊断并确定单体电池故障，以及 发生故障时及时采取断电等保护措施。此外目前还研究电池抗干扰、防振动等技 术以加强电池安全工作性能4 。 总的来说动力电池组管理系统的还需要对以下方面进行研究：电池剩余电量 ( s o c ) 估算预测、电池健康状况( s o h ) 、热管理、单体电池均衡技术、智能充放 电、电池诊断以及安全保护等。 1 3 课题研究意义及研究内容 1 3 1 课题研究意义 能量存储装置是混合动力系统的关键部件，能给动力系统提供辅助能量和吸 收剩余的能量，其工作的好坏直接影响动力系统的性能，因此需要选择合适的能 量存储单元方案，并建立优良的管理系统对储能装置的工作进行控制，好的电池 管理系统能准确的估算电池的s o c 等参数，提高混合动力系统动力总成控制策 略的能量分配效率；能使电池工作在最佳状态并提高电池能量的利用效率和电池 的寿命，节约成本；能保证电池工作性能和安全性能。 s 浙江大学硕上学位论文绪论 混合动力液压挖掘机作为液压挖掘机的新兴节能技术已成为研究热点，而良 好的储能设备及其管理系统是混合动力液压挖掘机的关键。混合动力液压挖掘机 负载波动大、功率需求高，因此需要对能量存储单元进行专门的选型和参数匹配 设计，而混合动力液压挖掘机上能量存储单元的负载工况特性、热湿环境等对其 管理系统也提出了更高的要求，目前电池管理系统技术大都运用于混合动力汽车 和电动汽车，针对混合动力液压挖掘机能量存储单元管理系统的研究较少，普通 的电池管理系统无法胜任混合动力液压挖掘机电池管理系统的要求，主要表现在 以下几点： 第一混合动力挖掘机的能量存储单元需要进行频繁的充放电，而且充放电电流 大，因此对储能装置充放电控制的可靠性和安全性有更高的要求。 第二传统的s o c 估算方法在电流波动剧烈工况下估算不准确，因此需要建立 适应电流剧烈波动工况的s o c 估算方法；同时频繁充放电对电池寿命影 响非常大，因此需要监测电池的健康度和寿命； 第三挖掘机工作环境恶劣，因此对储能装置的散热要求、抗振特性、故障保护 和诊断系统等要求更高； 当前针对混合动力液压挖掘机储能装置及其管理系统的研究非常少，因此需 要针对混合动力挖掘机上的储能电池及其管理系统进行专门的研究。 针对上述问题提出了混合动力液压挖掘机能量存储装置及其管理系统研究 的课题，本课题作为混合动力液压挖掘机的整体研究项目的关键技术部分，为其 提供优良的辅助储能装置及其管理系统。 1 3 2 研究的内容 针对混合动力液压挖掘机的工况特点、工作环境对储能装置的特殊要求，对 混合动力储能装置及其管理系统进行研究。并以5 t 混合动力液压挖掘机为对象， 深入研究其储能单元的选择和参数确定，电池s o c s o h 的估算，并通过建立混 合动力综合实验平台，对储能装置进行特性测试，最终设计出适用于混合动力液 压挖掘机的能量存储单元管理系统。本文主要研究内容如下： 1 分析混合动力液压挖掘机负载工况特点及对储能装置的要求，针对5 t 并联 式混合动力液压挖掘机的能量存储单元进行选择和参数设计。 6 浙江大学硕士学位论文绪论 2 研究动力镍氢电池的充放电、温度等特性，并且通过分析对比现有的各种 电池模型，建立用于本课题研究的镍氢电池等效电路模型。 3 基于镍氢电池等效电路模型，研究适应电流波动剧烈工况下镍氢电池的 s o c 准确估算方法，并进行实验和仿真；同时研究镍氢电池s o h 的估算方法。 4 针对电池组均衡化技术、电池信息的准确估算和传输、充电控制，故障检 测和保护等内容，利用d s p 2 8 1 2 芯片设计并建立电池管理系统的硬件电路及其 嵌入式软件系统。 浙江大学硕士学位论文 并联式混合动力挖掘机储能单元设计 第2 章并联式混合动力挖掘机储能单元设计 本章将通过分析液压挖掘机的作业模式和负载工况等特点，对混合动力液压 挖掘机的能量存储单元提出设计要求，并针对5 吨并联式混合动力液压挖掘机的 能量存储装置，进行选型和参数设计。 2 1 挖掘机工况分析 液压挖掘机是一种工作状况非常复杂的工程机械装置，有多种作业模式，比 如重型挖掘，标准作业，破碎，悬挂，行走，场地清理等，其中以标准挖掘作业 作为液压挖掘机的最主要作业模式，本章中也针对该模式进行分析研究。液压挖 掘机的挖掘过程如下：空斗回转、动臂下降、斗杆或铲斗挖掘、动臂提升、满斗 回转、卸料等基本动作川1 ，各个动作对挖掘机的转矩输出要求相差很大，比如 在挖掘和动臂提升时需要输出很大转矩，而在空斗回转过程中转矩很小，在动臂 下降过程中可以回收能量，此外各个动作并不是独立完成的，而是相互复合工作 的，因此液压挖掘机具有负载波动剧烈的工况，动力系统也承受着剧烈的波动， 如下图2 1 所示为3 5 t 液压挖掘机挖掘机时的液压负载功率图n “2 1 。 琵掘时的暇压负载功翠 图2 13 5 t 液压挖掘机负载功率曲线 2 2 混合动力挖掘机储能设备需求分析 混合动力系统的结构主要有串联式、并联式和混合联式，串联式混合动力挖 掘机中，储能装置直接给负载提供动力，因此挖掘机的波动负载通过电机全部加 在储能装置上；并联式混合动力挖掘机中储能装置和发动机共同向负载提供动力， g 浙江大学硕士学位论文 并联式混合动力挖掘机储能单元设计 发动机稳定工作在高效燃油区，而波动负载部分由储能装置吸收，如下图2 2 t 4 3 1 ； 混联式是并联式和串联式的结合，无论哪种结构，混合动力挖掘机上的储能装置 都工作在功率剧烈波动状态，此外混合动力挖掘机的可回收能量较大，回收速度 快也要求储能装置能承受大能量快充。 图2 2 并联式混合动力液压挖掘机扭矩分配图 综上所述，混合动力挖掘机能量存储装置主要有两个作用：给电机提供动力 以的吸收波动负载；快速回收能量。因此对能量存储装置提出以下要求： ( 1 ) 要有大电流充放电能力，满足挖掘机大负载工况； ( 2 ) 有快速充放电能力，满足挖掘机负载的快速变化和能量快速回收； ( 3 ) 挖掘机循环作业，充放电次数多，因此要求储能设备循环寿命要高。 ( 4 ) 可提供和存储足够的能量。 ( 5 ) 稳定、安全、可靠。 据上所诉，混合动力液压挖掘机能量存储装置的选择主要考虑四个参数：能 量，功率，寿命，价格，其中功率和循环寿命要求最为突出。根据表1 2 所示， 目前较好的动力电源主要有镍氢电池、锂离子电池和超级电容，其性能比较为： 功率密度：超级电容 锂离子电池 镍氢电池 能量密度：锂离子电池 镍氢电池 超级电容 循环寿命：超级电容 锂离子电池 镍氢电池 价格：超级电容 锂离子电池 镍氢电池 其中： 表示远大于( 超过1 0 倍) 。 9 浙江大学硕士学位论文并联式混合动力挖掘机储能单元设计 如果只考虑以上四个参数，毫无疑问混合动力挖掘机的能量存储装置将优先 选择超级电容，其大电流快速充放电能力、高循环寿命、可深度充放电的特性非 常适合液压挖掘机的复杂工况，但是目前国内并没有超级电容产品，而且也难以 从国外购买；而锂离子电池虽然性能优于镍氢电池，但目前存在安全性问题，尤 其是在大电流充电下工作很不稳定，技术尚不成熟。此外考虑到实验室目前阶段 针对5 吨液压挖掘机进行混合动力研究，其发动机额定装机功率约为2 9 k w 左右， 若按照混合度为o 4 计算，储能电源功率需求为w = 2 9 0 4 = 1 4 5 k w ，满足此功率 要求的镍氢电池组占用重量和体积并不是很大，因此最终采用镍氢( n i m h ) 电 池作为5 吨混合动力液压挖掘机的能量存储装置，一旦超级电容产品或锂离子电 池产品成熟，应该替换镍氢电池作为混合动力液压挖掘机储能装置。 下面针对5 t 并联式混合动力液压挖掘机对其储能电源进行具体的参数设计。 2 35 t 并联式混合动力液压挖掘机储能装置参数设计 由上一节得出将采用镍氢电池作为5 t 混合动力液压挖掘机储能电源，其需设 计的主要参数包括- 功率，容量，电压，最大充放电电流，循环寿命等，设计原 则为：电压要和动力系统中电机和逆变器的电压等级一致；最大充放电电流要满 足电机的功率要求；容量要满足能量存储单元的能量要求；循环寿命满足挖掘机 工作寿命要求。 首先，电池的电压由电机的电压等级决定的1 ；而且由于镍氢电池单节电 压都为1 2 v ，电池组的总电压大小直接决定电池组中串联电池的数量，而所用 电池的数量应该尽量少，所以电池组的电压在满足电机和逆变器的电压等级下， 应该越小越好。根据功率和转速要求，已选取混合动力系统中电机的额定电压为 2 4 0 v ，因此电池的电压应该为2 0 0 - 4 0 0 v ，本文选取额定电压为2 4 0 ，刚好由2 0 0 节单体电池串联。 容量和最大充放电电流的值需要通过功率和能量需求来得到，本实验室混合 动力系统采用并联式结构方案，并建立了并联式混合动力系统仿真模型，以5 t 液压挖掘机的标准重载挖掘的载荷谱输入该模型，可得到对能量存储单元的功率 和能量需求，如下图2 3 为两个挖掘循环下动力系统对能量存储单元的要求，通 过计算可以得到如下要求： 最大充电功率：1 7 k w ； 1 0 浙江大学硕士学位论文并联式混合动力挖掘机储能单元设计 最大放电功率：1 7 k w ； 一个挖掘循环的最大能量输出- 1 5 w h 图2 3 能量单元的功率和能量需求 此外，对于能量回收的要求，根据下图2 4 所示的5 t 液压挖掘机可回收 势能和制动动能的仿真曲线，并且一个挖掘循环包括两个势能回收和制动动 能回收动作，得到考虑能量回收对电池的能量和功率要求为： 一个循环能量吸收为：2 木( 2 3 + 1 2 ) = 7 k j = 2 w h 充电功率要求为：2 k w ( 图中斜率最大值) 图2 45 t 挖掘机能量回收仿真曲线( 左：势能，右：动能) 按照以上要求可以得到电池的最大充放电功率要求： 吃n m 职宰口t 忍 1 1 ( 式2 1 ) 浙江大学硕上学位论文 并联式混合动力挖掘机储能单元设计 式中：p 6 a t , i n “- 镍氢电池的最大功率； 1 7 b a t _ 氢电池的充放电效率； b 充放电功率要求； i 扫p e = 1 7 k w ，得到电池的功率要求为：p b a t , r a a x 2 0 k w 。 对于电池的容量参数，为了使电池工作在高效区，一个挖掘循环中能量变化 要小，本文设计一个挖掘循环能量变化小于电池总能量的5 ，得到电池的容量 要求为： b v 扫口c 2a h 对于寿命要求，可根据挖掘机整个工作周期内的总能量要求来计算，目前挖 掘机的平均无故障工作时n ( m t b f ) 为4 5 0 0 小时，所以镍氢电池的寿命需求可根 据如下式计算： e t o t a l * d o d * 7 l d o d * 刁b a t * t c y c l e 正f ，p ( 式2 3 ) o 口卯 式中：巨o c 口广一镍氢电池的总能量； d d d 镍氢电池一个循环的充放电深度； l d o d 谋氢电池的循环寿命( d o d 充放电深度下) ； 妒p 一窀掘机整个工作周期中一个循环的平均能量需求； c v c z p 一个工作周期的时间； t l i f e 电池的寿命周期； 得到：f c d c 口z 木d o d 奉l d d d 1 5 2 宰1 0 6 根据以上参数要求本文选择春兰公司的q n f 8 型动力镍氢电池5 1 ，其具体 结构如下图2 5 ，具体参数如下表2 1 所示： 浙江大学硕士学位论文井联式混古动力挖掘机储能单j c 设计 图25q n f 8 型动力镍氢电池组结构 标称容量a h标称电压，、r尺寸m m 重量k g ( 高宽- 厚1 8l2 9 4 * 4 6 * 2 202 8 质量比功率 能量密度 循环寿命，次数量节 w k z w h k g ( 8 0 d o d ) 6 0 0 3 5 ( 3 cr a t e s )! 1 0 0 0 2 0 0 2 冉本章小结 通过对液压挖掘机的工况分析，各种电池的性能分析，确定了以镍氢电池作 为本实验室研究的5 t 混台动力液压挖掘机的能量存储单元，并通过电压、能量、 功率和寿命要求设计了镍氢电池的参数要求，最终选择春兰公司的q n f 8 型动力 镍氢电池作为最终方案。 浙江大学砸士学位论文 毓氢电池的特性分析和建模研究 第3 章镍氢电池特性分析和建模研究 本章将通过5 吨混合动力液压挖掘机综合实验平台对镍氢电池组的各种充放 电和温度特性进行剥试，根据其特性，并通过对比研究目前常用的电池等效电路 模型，进行改进后建立本文的镍氢电池等效电路模型。 3 1 镍氢电池结构和基本原理 镍氢电池是由贮氢合金负极，活性氢氧化镍正极，氢氧化钾溶液( 3 0 ) 以及 隔膜板等组成的碱性可充电电池，目前单节镍氢电池大多为柱状，如下圉31 图3 1 镍氢电池基本结构 所示，其中负极的活性物质储氢合金是镰氢电池工作的根本保障，在一定的温度 和压力条件下可吸放大量的氢，同时伴随着电子的吸收和放出，它是由a 和b 两种金属形成的合金；正极的氢氧化镍超配合负极反应的作用；强碱性电解溶液 中能保证储氢合金能反复充放电并长期稳定存在晰1 。它们在金属铂的催化作用 下，完成充电和放电的可逆反应，反应方程如下式h 6 耵1 ： 正极( 氧化镍) n i ( o h ) ：+ o h 案n i o o h + h 2 0 + e 负极( 储氢台金) ：m _ h ：o + e ；= ；m h 。+ o h 。 总方程： n i ( 0 1 0 2 + m i ；竽n i o o h + 砌。 ( m ：储氢合金，h 。：被吸收的氢元素，e 电子) 此外，当电池过充、过放式，电池两极将发生如下反应 过充反应：正极( 氧化镍) ：4 0 h - 4 e _ 2 h2 0 + 0 2 负极( 储氢台金) ：2 h 2 0 + 0 2 + 4 e 一4 0 h 1 4 浙江大学硕士学位论文镍氢电池的特性分析和建模研究 过放反应：正极( 氧化镍) ：2 h ，o + 2 e h ，+ 2 0 h 。 负极( 储氢合金) ：h 2 + 2 0 h 。2 e 。2 h 2 0 从方程式可以看出：由于负极消耗氧气，正极析出的氧气可扩散到负极，保证了 电池的内压不会膨胀，此外由于总反应为0 ，保证了电解浓度和液酸碱度不至于 发生巨变；当电池过放电时，正极析出氢气扩散到负极被储氢合金吸收，保证电 池内压，总反应同样也为零，保证体系的稳定。在电池设计过程中，一般采用负 极过量的方式，保证消氧反应和吸氢反应充分，使镍氢电池具有较高好的耐过充、 过放能力。 3 2 镍氢电池工作特性 3 2 1 镍氢电池的基本参数 在进行电池特性的测试和分析前，首先需要明确电池的基本参数概念啪4 8 1 。 ( 1 ) 容量 容量( c ) 是电池最主要的参数，指在某放电条件下可以获得的总电量大小，用 时间乘以电流表示，如下式： 恒电流放电时：c 可x t 变电流放电时：c = j ：l d t 镍氢电池的容量有理论容量、实际容量和额定容量。理论容量是根据电极活 性物质的用量和法拉第定律计算得到的值。实际容量是指实际放电条件下放出的 电量，由于副反应以及其他因素的影响，实际容量往往低于理论容量。额定容量 也叫标称容量，是在标定的条件( 如温度、放电率、终止电压等) 下电池放出的 总电量，电池容量受放电率的影响较大，如果不是在额定放电电流下测出的容量 值，通常在下标标上放电速率，如c 2 0 = 5 0 表明在2 0 安培电流放电下的容量为5 0 a h 。 ( 2 ) 剩余电荷状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 和健康状态( s t a t eo f h e a l t h ，s o i - i ) 剩余电荷状态表示电池剩余容量大小，是电池管理系统和混合动力总成控制 器的重要参数；电池的健康状态是描述电池储放电能力的一个重要参数，也可以 用来描述电池寿命，充放电频繁的工况非常需要监测电池的健康状况。电池s o c 和s o 的定义和估算方法将在下章详细讨论。 ( 3 ) 电动势和电压 】5 浙江大学硕士学位论文镍氢电池的特性分析和建模研究 电动势是指两个电极的平衡电极电位之差，开路电压指电池在开路状态下的 端电压，一般情况下开路电压可近似等于电动势，额定电压指电池在额定状态下 ( 一定的温度和充放电电流) 的端电压，工作电压是指电池在实际工作过程中负 载的端电压。 ( 4 ) 充放电时率和充放电倍率 用来表示电池的充放电速率的参数，充放电时率是用充放电的时间表示速率， 表示为：时率= 额定容量电流；充放电倍率是用充放电电流大小，表示为时率的 倒数，其定义为：充放电倍率= 电流额定容量。 ( 5 ) 充放电效率 反应电池的能量利用率，充电效率指电池将电能转化成电池储蓄的化学的程 度，相反放电效率是指电池将储存的化学能转化成电能的程度。 ( 6 ) 内阻 镍氢电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻两部份组成，其中欧姆内阻遵守欧姆 定律，极化内阻包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。 ( 7 ) 迟滞电压 对于某- - s o c 对应的开路电压，由于历史充放电状态的不同引起的偏差。镍 氢电池一般充电后开路电压比放电后开路电压较高。 3 2 2 镍氢电池充放电特性测试 通过本实验室搭建的5 t 混合动力综合试验平台对镍氢电池进行性能测试，得 到的数据通过春兰镍氢电池自带的监控系统进行采集，并通过u s b - c a i q 设备传输 到电脑上，混合动力综合试验平台及电池信号监控设备见附录。 ( 1 ) 开路电压与s o c 的关系 在其他条件( 温度，衰老度) 都相同的情况下，镍氢电池的开路电压由电池 所带电荷量决定，为了测量本文用的镍氢电池开路电压与s o c 关系，在室温2 5 下，设计了如下图3 2 所示的测试流程，首先对电池组放电至2 0 0 v ，可认为电池 s o c 为零，然后对电池；2 0 5 c 充电和1 c 放电，每隔0 1 s o c 测量一次开路电压， 每次测量前均需静置1 小时，使电池电压得到恢复。 1 6 浙江大学硕上学位论文镍氢电池的特性分析和建模研究 测量开路电压 测量开路电压 以1 c 放电 至端 电压 2 0 0 v 测量开路电压测量开路电压 图3 2 开路电压与s o c t ! i 试流程图 充电和放电下开路电压与s o c 的关系如下图3 3 所示，从图中可以看出，电池 在充放电前期时开路电压变化比较大，在0 2 s o c o 8 s o c 时开路电压随s o c 变 化缓慢，可以近似为线性变化，此外，可以看出同- - s o c 值对应的开路电压充电 曲线比放电曲线高，这是由于电池迟滞现象引起的，该现象将在后面分析。通过 该曲线，以后可以通过测量开路电压，直接查表得出s o c 值。 开路电压与s o c 曲线 s o c ， 图3 3 开路电压与s o c 关系曲线 ( 2 ) 不同倍率的充放电特性 在进行测试前，需要对充电和放电的截至时刻进行确定，本文选取电压为 2 0 0 v 作为放电终止时刻，一般业界对充电终止时间选取充电电量为额定容量的 1 2 0 的时刻，但是由于本文所用电池数量较大，为了不过充，选取充电电量为 额定容量的1 0 0 作为充电结束时刻。 浙江大学硕士学位论文镍氢电池的特性分析和建模研究 选取几个不同倍率的充放电电流对电池的充放电特性进行分析，并通过时间 放电倍率将横坐标转换成已放电容量占额定容量的百分比，以更好的进行对比。 放电时选取0 2 c ，1 c ，2 c ，3 c 四个不同的放电电流进行，而充电选取0 2 c ，o 5 c 和1 c 充电倍率进行测试，分别得到不同倍率的充放电曲线如下图3 4 、3 5 所示。 不同放电倍率下的放电曲线( 室温下) 图3 4 不同放电倍率下的放电曲线 室温下不同倍率充电曲线 图3 5 不同充电倍率下的充电曲线 从图中可以看出，小电流充放电电压变化平缓，而且放电电压急剧下降点较 晚，因此放电容量较大。放电电流对电池的放电容量影响较大，根据不同倍率的 放电曲线可得到电池的放电容量随放电