混合动力技术在轮胎式起重机上的应用研究

摘要

随着人们对资源和环境认识的不断提高，节能降耗逐渐成为机械设备的发展趋势，同时也是企业降低运行成本的技术手段。起重设备是一类具有较大节能潜力的机械，其工作过程是货物被提升后再下降。而下降运动是靠机械势能驱动的，鉴于安全性又不允许其自由下降，要通过能耗制动把多余的机械能进行消耗。本课题的研究鉴于起重设备的工作特性，在传统起重设备动力系统设计中，配置合适的储能元件，回收起重设备因势能变化形成的再生能量，充分利用回收的再生能量作为动力补给，回收空间巨大，符合国家的发展战略需求，具有重要的社会和经济意义。 目前以发动机为动力源的轮胎式起重机存在发动机容量选配大，空闲时间长，空耗比例大，发动机效率未能充分发挥，势能未得到充分利用，节能空间在40％以上，因此以轮胎式起重机为开发的切入点是合适的。同时，超级电容器这种新型的电子器件的出现为解决轮胎式起重机混合动力改造提供了储能设备，超级电容器有着比蓄电池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放电速率。利用超级电容瞬时高功率的特性，可以避免要求发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求，同时超级电容器还可以迅速吸收和释放再电能量，从而节约能源，减少排放污染。 本文以轮胎式起重机为研究对象，介绍了混合动力技术在国内外的研究动态、超级电容在应用中面临的问题以及传统轮胎式起重机的结构及动力系统构成，详细分析了轮胎式起重机工作过程中的能量传递与能理损失情况，并提出了轮胎式起重机节能改造的方案——配置超级电容器作为储能器的混合动力技术改造。 文中详细论述了轮胎式起重机混合动力系统中储能器的配置方式、储能器的选择、能量控制器的设计方案、以及整个混合动力系统的控制策略。采用Saber软件建立了混合动力系统仿真模型，进行了多方案仿真计算、对比分析，并进行了混合动力系统小比例实验，通过仿真和实验论证了以超级电容器为储能元件的混合动力系统在轮胎起重机上的应用的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景与意义

1.3混合动力及其相关技术国内外研究动态

1.3.1混合动力技术国内外研究动态

1.3.2超级电容技术国内外研究现状与应用状况

1.3.3超级电容器在应用中面临的主要问题

1.4本文主要研究内容

第2章轮胎式起重机混合动力系统研究

2.1轮胎式起重机结构及动力系统简介

2.2轮胎式起重机能耗分析及节能改造方案

2.2.1轮胎式起重机工作过程中能量传递与损耗分析

2.2.2轮胎式起重机的节能改造方案

2.3轮胎式起重机混合动力系统

2.3.1工程机械混合动力技术应用类型

2.3.2混合动力轮胎式起重机系统构成

2.4本章小结

第3章储能器的选配及特性研究

3.1储能器的选择

3.1.1超级电容结构特点

3.1.2超级电容器作为起重机械储能器的优势

3.2超级电容充放电特性研究

3.2.1超级电容常用的充电储能方式

3.2.2超级电容器充电特性

3.2.3超级电容的放电特性

3.3超级电容器储能阵列的优化分析

3.3.1能量约束法

3.3.2功率约束法

3.3.3储能阵列串并联分析

3.4混合动力系统超级电容器的配置

3.4.1超级电容器的功率需求

3.4.2超级电容器组设计

3.5本章小结

第4章能量控制器的设计

4.1 DC/DC变换器的基本原理与类型

4.1.1 DC/DC变换器的基本原理

4.1.2 DC/DC变换器的类型

4.2双向DC/DC变换器的设计

4.2.1双向DC/DC变换器拓扑结构

4.2.2工作模式分析

4.3系统控制策略

4.4本章小结

第5章起重机混合动力系统实验研究

5.1混合动力系统仿真研究

5.1.1混合动力系统仿真工具

5.1.2混合动力系统仿真模型

5.1.3仿真方案设计

5.1.4仿真结果及分析

5.2起重机混合动力系统小比例实验

5.2.1实验原理

5.2.2实验平台构成

5.2.3实验数据

5.2.4实验数据分析

5.3本章小结

第6章总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研