超级电容自卸车的动力及控制系统设计研究

沈桂丽，吴朝来

(中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009)

0 引言

由于隧道施工通风透气性较差，施工环境较恶劣，隧道施工中常用的出渣车采用柴油发动机作为动力来源，且该种出渣车使用较频繁，其尾气排放严重地污染隧道内的作业环境。为改善这种状况，研发一种新能源的出渣车成为隧道施工的迫切需求。目前国内外汽车行业早已研制出了混合动力汽车和纯电动汽车，且多采用蓄电池作为电源，以新能源超级电容为电源的电动出渣车较为少见。文献［1－6］介绍了超级电容的工作原理和特点，并对其在汽车上的应用进行了设计分析;文献［7］介绍了超级电容在工程机械领域内的应用，对超级电容的性能和在推土机中的应用进行了分析。可以看到，以上文献均注重超级电容在机械制造领域内的应用，对超级电容的电池能量、动力、传动系统和控制系统的设计与选择研究较少。本文根据自卸车性能参数的要求和超级电容的特点，设计出了一种新型环保节能的超级电容自卸车。该车是以超级电容电池为能源，该能源具有功率密度高，可重复使用，无任何尾气排放，配备液压自卸装置，运行平稳等优点，在隧道施工中可取得较好的经济效益和社会效益。

1 超级电容自卸车设计的创新

在超级电容自卸车设计、制造、使用及报废后回收再利用等过程的整个生命周期内，将环境性能、资源性能作为设计的目标和出发点，力求使自卸车成为对隧道作业环境影响最小、资源利用率最高、能源消耗最低的绿色产品。

2 超级电容自卸车设计技术指标

本文设计的超级电容自卸车车体充满电，满载最大行驶里程为3.5 km，最大车速为15 km/h，最大爬坡度为20%，能较好地适应隧道恶劣的路况条件，能充分保证区间内往返作业。超级电容组件箱均有独立的散热系统，对进、出风口及冷热仓均采取相应措施，能在20～40℃的环境中正常作业。超级电容自卸车的主要技术参数如表1所示。

表1 超级电容自卸车主要技术参数Table 1 Main technical parameters of super capacitor dump truck

3 超级电容自卸车电池能量的参数选择

3.1 超级电容

超级电容又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容剖面如图1所示。

图1 超级电容剖面图Fig.1 Profile of super capacitor

超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的2个无反应活性的多孔电极板，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，实际上形成2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。它是一种介于传统电容器与电池之间，具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器的突出优点是功率密度高，充放电时间短，大电流放电，循环寿命长，工作温度范围宽，可耐压储存更大容量，检测方便，剩余电量可直接读出，无污染，绿色环保。

3.2 超级电容电池容量的参数计算

超级电容电池容量由无坡度车辆满载行驶总耗能、车辆辅助电源系统耗能和电动自卸液压起降装置耗能3部分组成，即

3.2.1 无坡度车辆满载行驶总耗能

式中:m为满载时整车质量，为8 500 kg;g为重力加速度，取9.8 m/s2;μ为滚动摩擦因数，取0.03;S为续航里程，取3.5 km。

代入式(2)得:W1=8 746 500 J=2.43 kW·h。考虑到电机效率和机械传动效率，超级电容储存电能还应增加20%。

3.2.2 车辆辅助电源系统耗能

式中:U为辅助系统电源电压，取24 V;I为辅助系统电源电流，取10 A;T为时间，取2 h。

代入式(3)得:W2=0.48 kW·h。

3.2.3 电动自卸液压起降装置耗能

式中:m为自卸质量，为6 000 kg;g为重力加速度，取9.8 m/s2;H为起升高度，取1 m。

代入式(4)得:W3=58 800 J=0.016 kW·h。

由式(2)—(4)计算得:超级电容电池容量W=2.926 kW·h。

4 超级电容自卸车的动力系统参数设计

超级电容自卸车的动力性主要取决于动力系统的参数匹配，包括驱动电机、传动系统、控制器等部件。需要合理选择动力总成各部件参数，以此来满足整车的动力要求［8］。

4.1 驱动电机参数选择

超级电容自卸车驱动电机将电源的电能转化为机械能，并通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。主驱动电动机是超级电容自卸车的动力源，其性能与整车性能密切相关。因此，主驱动电机的选择及参数匹配是研究设计超级电容自卸车动力系统的关键。为了高性能地驱动超级电容自卸车，驱动电机在性能上必须达到一定要求。在低速或爬坡时，转矩要高，而在高速行驶时，转矩要低;其次，驱动电机的调速范围要宽，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，通常在整个调速范围内还要保持较高的运行效率。

主驱动电机的最大功率应满足

首先，根据最大车速vmax确定最大功率

其次，根据最大爬坡度确定最大功率

最后，根据加速性能来确定最大功率(车辆在加速过程中的末时刻输出最大功率)

式(6)—(8)中:vmax为最大车速，取15 km/h;ηT为传动系数总效率，取0.93;m为满载时整车质量，取8 500 kg;g为重力加速度，取9.8 m/s2;f为滚动阻力系数，取0.03;CD为空气阻力系数，取0.4;A为超级电容自卸车的迎风面积，取2.38 m2;αmax为最大爬坡度，tan αmax=0.2;vi为爬坡车速，取2 km/h;δ为汽车旋转质量换算系数;va为汽车的末速度;ta为汽车的加速时间。

确定电机的额定功率后，再确定电机的峰值功率

式中:P峰为电机峰值功率;P额为电机额定功率;λ为电机过载系数，取2～3。

根据计算，本文选择P额=15 kW，P峰=36 kW，超级电容自卸车主驱动电机建议选用ZYCD－15永磁直流电动车电机，其性能参数如表2所示。

表2 ZYCD－15电机参数Table 2 Parameters of ZYCD－15 motor

4.2 传动比的确定

4.2.1 最小传动比的选择

设传动系的传动比为i，主减速比为io，变速器传动比为ig，则有i=ioig。变速器Ⅰ，Ⅱ2档传动比分别为ig1和ig2，最小传动比的选择应从满足汽车行驶最大车速的要求出发，在路面附着系数能够满足要求的条件下，由汽车理论可知

式中:nmax为最大转速，取6 000 r/min;r为车轮滚动半径，取0.325 m;vmax为最大车速，取15 km/h。

代入式(10)得:最小传动比imin≤48.984。对于变速器而言，imin=ig2io，选择合理的主减速比为27.3，则变速器Ⅱ档传动比应满足ig2≤1.794。

4.2.2 最大传动比的选择

确定传动系最大传动比时，应考虑最大爬坡度和地面附着率2方面问题。传动系最大传动比(imax)是变速器Ⅰ档传动比(ig1)与主减速器比(io)的乘积，在路面附着系数能够满足要求的条件下，由汽车理论可知

式中:ηT为传动系数总效率，取0.93;m为满载时整车质量，取8 500 kg;g为重力加速度，取9.8 m/s2;f为滚动阻力系数，取0.03;αmax为最大爬坡度，取11.3°;Tmax为最大转矩，取120 N·m;r为车轮滚动半径，取0.325 m。

代入式(11)得:最大传动比imax≥54.7。同样，选取主减速比为27.3，则变速器Ⅰ档传动比应满足ig1=2.004。

5 超级电容自卸车控制系统

5.1 超级电容自卸车控制系统电气原理

超级电容自卸车电气控制系统主要包括电力驱动单元、能量单元和辅助动力单元等，其电气原理如图2所示。

图2 超级电容自卸车电气原理图Fig.2 Electric system of super capacitor dump truck

5.2 超级电容自卸车控制系统原理分析

超级电容自卸车控制系统接线示意图如图3所示，图3中电池组充满电后分两路向控制器和DC/DC转换器供电。

第1路DC/DC转换器输出24 V直流电压为超级电容自卸车的电瓶充电，以确保照明系统及自卸举升油缸电机等辅助动力系统正常工作。另外，当踩下加速踏板时，油门踏板的机械信号将转换成－5～+5 V电压信号，该信号通过12针接头进入控制器，为控制器中开关元件提供脉冲触发信号。

第2路电池组的电压信号在车钥匙开关处于ON状态时进入控制器，控制器正常得电，电源的直流电压信号在开关电路作用下转化相位切换的三路脉冲可调信号，从而变频驱动主电机ZYCD－15，使整车动力系统正常运行［9－10］。

踩下制动踏板时，制动模拟信号通过12针接头进入控制器，使开关电路失去触发信号，导致控制器没有输出信号，主驱动电机失去电压信号;但由于惯性作用，主驱动电机由电动状态进入发电状态，通过控制器的能量反馈单元将电能反馈给电源系统，从而达到能量重复利用、节约电能的目的。

图3 超级电容自卸车控制系统接线示意图Fig.3 Line diagram of control system of super capacitor dump truck

6 结论与建议

超级电容自卸车的成功研制，关键是对其电池能量、动力、传动系统和控制系统进行设计与选择，并对各系统参数进行合理选择。

1)超级电容自卸车选择超级电容作为电池具有功率密度高，充放电时间短，大电流放电，循环寿命长，工作温度范围宽，可耐压储存更高容量，检测方便，无污染，绿色环保等优点，且寿命比蓄电池长，但是由于其体积较大，增加了车自身负荷及各项成本。随着科技的发展，将会有更好的电池替换它。

2)本研究对超级电容自卸车的驱动电机、传动系统技术参数的计算只是初步计算分析，还需要进一步验算取值才能使整车的动力性能更加优越。

3)控制器相当于人的大脑，控制整车的运行状态，所以控制器的性能直接影响着车辆的整体性能。本文选择的控制器具有变频调速功能，并含有能量反馈单元，且为一种新型的节能控制器，性能较先进。

［1］ 张杜鹊，欧阳海，胡欢.超级电容器在电动汽车上的应用［J］.汽车工程师，2009(6):56 －58.(ZHANG Duque，OUYANG Hai，HU Huan.Application of supercapacitor on electric vehicles［J］.Auto Engineer，2009(6):56 －58.(in Chinese))

［2］ 张劲松.超级电容器的原理及应用［J］.职业，2009(26):171.

［3］ 华黎.超级电容器发展与新能源汽车［J］.汽车与配件，2009(48):26 －32.(HUA Li.Development of supercapacitor and new energy vehicle［J］.Automobile ＆ Parts，2009(48):26 －32.(in Chinese))

［4］ 刘智婷.电动汽车燃料电池的关键技术和发展趋势［J］.科技信息:学术研究，2008(13):74－76.

［5］ 冯海侠，宁武.超级电容器组在混合动力汽车上的应用技术研究［J］.辽宁师专学报:自然科学版，2008(1):104－105.

［6］ 李贵远，陈勇.动力电池与超级电容混合驱动系统设计与仿真［J］.系统仿真学报，2007(1):104－108.(LI Guiyuan，CHEN Yong.Design and simulation of hybrid-drive system with battery pack and capacitors［J］.Journal of Sys-tem Simulation，2007(1):104 －108.(in Chinese))

［7］ 卞永明，赵芳伟，吴昊，等.超级电容在工程机械中的应用研究［J］.中国工程机械学报，2011(4):69 －73.(BIAN Yongming，ZHAO Fangwei，WU Hao，et al.Application of super-capacitors for engineering machinery［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2011(4):69 －73.(in Chinese))

［8］ 胡毅，陈轩恕，杜砚，等.超级电容器的应用与发展［J］.电力设备，2008(1):24 － 27.(HU Yi，CHEN Xuanshu，DU Yan，et al.Development and application of super condenser［J］.Electrical Equipment，2008(1):24 －27.(in Chinese))

［9］ 赵学平，李欣，陈杰，等.电动助力转向系统永磁直流电机PWM控制模式研究［J］.系统仿真学报，2010(1):176－180.(ZHAO Xueping，LI Xin，CHEN Jie，et al.Study of PWM control mode in electric power steering system［J］.Journal of System Simulation，2010(1):176 －180.(in Chinese))

［10］ 陈贤明，吕宏水，王伟，等.直流电动机脉宽调速的单周期控制［J］.电气传动自动化，2009(4):18 －23.(CHEN Xianming，LV Hongshui，WANG Wei，et al.Speed regulation with PWM for DC motor under one-cycle control［J］.Electric Drive Automation，2009(4):18 －23.(in Chinese))