工程機械混合動力儲能裝置分析

楊汝霞?趙長遠

摘要：2003年，日立建機開發了能夠節省大量燃油的混合動力裝載機，這是混合動力系統在工程機械上的首次應用。其后，小松、沃爾沃、詹陽重工、山河智能、三一、柳工、中聯等企業均推出了混合動力工程機械產品。混合動力即2種動力源的混合，常見的混合動力技術為電動和液壓混合動力，根據主動力和輔助動力的聯接方式的不同，混合動力可以分為并聯式混合動力、串聯式混合動力和混聯式混合動力。混合動力工程機械中的能量儲存裝置負責儲存發動機和工作裝置的可回收能量，能量轉換裝置在電動混合動力系統中是電機，在液壓混合動力系統中為液壓泵和馬達。

關鍵詞：工程機械;混合動力;儲能裝置

引言：

目前開發的混合動力工程機械中，串聯混合動力驅動方式主要以神鋼和日立建機為代表，并聯混合動力驅動方式主要以小松為代表，而結構設計更加復雜的混聯式混合動力系統還沒有成熟的應用實例。儲能裝置對整個混合動力系統的效率有著至關重要的影響，它與儲能裝置的結構、形式等因素有關。目前世界各國正在研究、開發與應用的儲能系統主要有液壓蓄能器、超級電容、飛輪電池和各類電化學電池等。本文將對以下4種混合動力儲能裝置做簡要分析。

一、液壓蓄能器

液壓蓄能器是液壓系統中常用的輔助元件之一，它可以存儲能量，穩定壓力，吸收沖擊，消除脈動，還可作緊急動力源。液壓蓄能器主要有彈簧式和充氣式2種。彈簧式蓄能器結構簡單，反應靈敏，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存、釋放壓力能。活塞式、皮囊式儲能器實際應用較多，主要用來儲能和吸收中、高壓系統壓力脈動。

蓄能器的能量存儲能力取決于蓄能器的容積、儲存壓力和工作壓力。作為輔助動力源，液壓蓄能器一方面吸收或補充發動機的輸出扭矩，使發動機始終在高效工況作業;另一方面，液壓蓄能器回收與利用制動能量，大大降低了機器不必要的能量消耗。同時，在吸收系統的液壓沖擊、保持系統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能元件，也稱為電化學電容器，可用來全部或部分取代電池。從儲電原理上，可將超級電容器分為雙電層電容和法拉弟準電容2類。

目前的混合動力工程機械大多采用超級電容作為儲能裝置。與電池相比，超級電容具有以下幾個優點：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，能在幾十秒到數分鐘內完成充電過程;三是使用壽命長，充、放電過程中發生的電化學反應具有很好的可逆性，實際壽命可達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，可充電至任一電壓值，可放出所儲存的全部電量;五是低溫性能優越，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，極少以自然形態直接使用，一般通過多個單體串聯與并聯構成超級電容器儲能陣列。

三、飛輪電池

飛輪電池一般由飛輪轉子、電機、磁軸承系統、電力電子變換裝置和真空容器等部分構成。

當給飛輪電池充電時，電機以電動機的形式運行，電能通過電子電力變換裝置從外部輸入，驅動電動機帶動飛輪加速旋轉，從而完成電能到機械能的轉換與存儲;當外部負載需要能量時，飛輪電池放電，電機處于發電機運行狀態，飛輪存儲的動能轉換成負載所需要的電能，完成機械能到電能的轉換。

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

飛輪電池有著諸多優點，主要表現在以下幾個方面：一是儲能密度高;二是無過充電、過放電問題，即使在深度放電時，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，充電時間較短;四是使用壽命長，預期壽命20年以上;五是損耗低，維護周期長，對溫度不敏感，報廢后對環境產生的影響小。

飛輪電池的缺點是不能長時間保存能量，僅適用于具有快速充、放電的特點外部系統。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電池的6～7倍。

四、電化學電池

電化學電池主要是指蓄電池，其作用是存儲電能，目前應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、電解液和殼體構成。鉛酸蓄電池優點是：性能可靠，生產工藝成熟，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。鉛酸電池的缺點是能量比和能量密度都比較低，自放電率較高，循環壽命相對較低，不便于長期儲存。

（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極。鎳氫電池主要優點有：能量密度、功率密度高于鉛酸電池，循環使用壽命高;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。缺點是成本高，有“記憶效應”，均勻性較差，自放電損耗大，對環境溫度敏感，體積和質量較大，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點。其主要缺點是一致性和安全性較差，成本高，高溫性能差，低溫時充、放電性能差。通過分析各種儲能裝置的特點可知，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、儲能飛輪環保性能較好，而超級電容具有使用安全和放能度高的優點。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：

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