基于燃料电池复合双电源装载机系统功率控制研究

发布时间：2020-11-11 16:10

　　 装载机工作速度快、动作灵活、机动性好、生产效率高,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,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显示意义。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,本文提出了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,设计动力传动方案,研究智能能量管理策略。论文首先分析现有传统装载机工况特征和性能参数针对燃料电池复合电源轮式装载机动力系统进行设计,提出并联式燃料电池复合电源系统。设计复合电源拓扑结构,并根据装载机特性对燃料电池系统、超级电容进行选型及参数匹配。其次通过MATLAB/Simulink软件建立燃料电池模型、超级电容模型、电机以及液压系统模型。针对燃料电池复合电源系统以及装载机工况特性设计复合电源工作模式。基于功率分配的小波变化,通过三层haar小波理论对功率进行分层控制,解决了燃料电池输出功率平缓,响应慢的问题;充分发挥超级电容“削峰填谷”处理变化剧烈、峰值的功率,提高燃料电池系统工作寿命。设计模糊逻辑控制策略,将处理过的负载功率、超级电容SOC作为输入,燃料电池功率作为输出建立Mamdani模糊逻辑控制器,根据专家经验意见分四种工作模式建立控制规则,从而使控制器控制功率分配因子对双能量源进行功率流分配,进一步提高整体系统的经济性。最后使用粒子群优化算法来对控制系统进行实时优化,通过将问题总结为三个优化约束条件,就上述问题对粒子群优化算法测试不同的参数产生的效果,选择效果最好的一组参数,并对仿真结果进行分析。结果表明所提出的燃料电池复合电源系统的结构可行,且证明了论文使用各种控制策略的有效性和可行性。对比模糊逻辑策略,小波-模糊逻辑策略以及优化后的小波-模糊逻辑策略仿真出曲线,小波-模糊逻辑策略相较于模糊逻辑策略,有效降低了燃料电池功率波动情况,燃料电池输出功率曲线更加平缓且同比下降5%左右,超级电容SOC变化幅度更加剧烈并维持在0.6附近。控制器经过优化,燃料电池输出较未优化前降低2%左右。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U469.72
【部分图文】：

中北大学学位论文11绪论面临着越来越严重的环境污染、温室效应、资源紧缺等问题，如何使用新型能源去代替传统的工业能源，这是当今社会的聚集点，也是一种必然的趋势。尤其在工程机械领域，传统的工程机械设备多以柴油作为主要能源，由于排放大，能量利用率低等因素，对环境污染严重的同时也严重造成了不可再生传统资源的浪费[1][4]。1.1课题研究背景及意义随着以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”为基本方针的《中国制造2025》战略的提出，实现低碳化、信息化和智能化已成为轮式装载机发展的新方向[12]。同时，我国在2016年下半年开始施行更高规格的装载机的排放标准，传统轮式装载机能耗大、排放差的问题也随之逐步暴露出来，实现轮式装载机节能减排或使用新的能源已迫在眉睫[12]。而作为新能源的纯电动以其较高的传递效率、零排放以及无噪音等优点得到人们的认可，所以在近几年得到高速的发展[1][13]。图1.1各种电池功率密度和能量密度分布示意图属于工程机械类的装载机，作为工程机械方面主要机型之一；其中轮式装载机通常被广泛地应用在建筑领域、公路施工、矿山领域等工程领域[13]；传统轮式装载机多以柴油发动机作为动力源，虽有作业速度快、动作灵活、机动性好、生产效率高等优点，但存在能耗高、排放差、发动机效率低、噪音大等缺点[1][4][5]。

中北大学学位论文4[18]。日立建机混合动力系统在装载机上的首次成功运用是在2003年，这是世界上首台混合动力轮式装载机。著名厂商Volvo在美国拉斯维加斯2008年CONEXPO工程机械博览会上，展示了一款混合动力装载机——L220FHybrid，该款同轴并联结构混合动力装载机属于轻混结构，L220F轮式装载机发动机系统增加电动发电机作辅助系统。L220FHybrid动力系统结构使用前传动装置单轴转矩组合的并联式油电混合动力系统[6][1]，其中辅助发动机的电力系统在常规作业中不运转，电动/发电机起到辅助动力作用，只有当发动机工作效率较低的低转速区域进行工作，在车辆开始起步阶段，因为电动/发电机的辅助作用可以快速启动发动机，达到降低燃油消耗、改善排放的作用[6]。超级电容ISG电机制动系统液压工作装置转向系统变速器发动机液力变矩器图1.3为沃尔沃L220FHybrid混合动力轮式装载机日本川崎公司65ZHybrid混合动力装载机2011年美国拉斯维加斯CONEXPO工程机械博览会展出，65ZHybrid混合动力装载机无液力变矩器，采用油电混合动力[3]，储存元件使用超级电容。约翰·迪尔公司亦在该博览会上展出644KHybrid混合动力装载机[11]。超级电容电机变速器行星机构离合器发动机工作装置转向系统制动系统图1.5川崎65ZHybrid轮式混合动力装载机川崎研发了一种行星齿轮、马达及发电机构造的HYTCs部件来取代传统液力变矩器，极大节省能量，且HYTCs系统还可以将装载机刹车等能量进行回收。日本川崎公

中北大学学位论文4[18]。日立建机混合动力系统在装载机上的首次成功运用是在2003年，这是世界上首台混合动力轮式装载机。著名厂商Volvo在美国拉斯维加斯2008年CONEXPO工程机械博览会上，展示了一款混合动力装载机——L220FHybrid，该款同轴并联结构混合动力装载机属于轻混结构，L220F轮式装载机发动机系统增加电动发电机作辅助系统。L220FHybrid动力系统结构使用前传动装置单轴转矩组合的并联式油电混合动力系统[6][1]，其中辅助发动机的电力系统在常规作业中不运转，电动/发电机起到辅助动力作用，只有当发动机工作效率较低的低转速区域进行工作，在车辆开始起步阶段，因为电动/发电机的辅助作用可以快速启动发动机，达到降低燃油消耗、改善排放的作用[6]。超级电容ISG电机制动系统液压工作装置转向系统变速器发动机液力变矩器图1.3为沃尔沃L220FHybrid混合动力轮式装载机日本川崎公司65ZHybrid混合动力装载机2011年美国拉斯维加斯CONEXPO工程机械博览会展出，65ZHybrid混合动力装载机无液力变矩器，采用油电混合动力[3]，储存元件使用超级电容。约翰·迪尔公司亦在该博览会上展出644KHybrid混合动力装载机[11]。超级电容电机变速器行星机构离合器发动机工作装置转向系统制动系统图1.5川崎65ZHybrid轮式混合动力装载机川崎研发了一种行星齿轮、马达及发电机构造的HYTCs部件来取代传统液力变矩器，极大节省能量，且HYTCs系统还可以将装载机刹车等能量进行回收。日本川崎公
【参考文献】

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7 郭高易;叉车用燃料电池混合动力系统能量管理策略研究[D];西南交通大学;2018年

8 周海燕;纯电动轮式装载机复合电源能量管理策略研究[D];长安大学;2018年

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本文编号：2879426