工程机械混合动力储能装置分析

2003年，日立建机开发了能够节省大量燃油的混合动力装载机，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。其后，小松、沃尔沃、詹阳重工、山河智能、三一、柳工、中联等企业均推出了混合动力工程机械产品。

混合动力即2种动力源的混合，常见的混合动力技术为电动和液压混合动力，根据主动力和辅助动力的联接方式的不同，混合动力可以分为并联式混合动力、串联式混合动力和混联式混合动力，其结构如图1所示：

混合动力工程机械中的能量储存装置负责储存发动机和工作装置的可回收能量，能量转换装置在电动混合动力系统中是电机，在液压混合动力系统中为液压泵和马达。

目前开发的混合动力工程机械中，串联混合动力驱动方式主要以神钢和日立建机为代表，并联混合动力驱动方式主要以小松为代表，而结构设计更加复杂的混联式混合动力系统还没有成熟的应用实例。

储能装置对整个混合动力系统的效率有着至关重要的影响，它与储能装置的结构、形式等因素有关。目前世界各国正在研究、开发与应用的储能系统主要有液压蓄能器、超级电容、飞轮电池和各类电化学电池等。本文将对以上4种混合动力储能装置做简要分析。

1.液压蓄能器

液压蓄能器是液压系统中常用的辅助元件之一，它可以存储能量，稳定压力，吸收冲击，消除脉动，还可作紧急动力源。液压蓄能器主要有弹簧式和充气式2种。弹簧式蓄能器结构简单，反应灵敏，但容量小，主要用于小容量、低压回路缓冲。

充气式蓄能器分为气瓶式、活塞式和皮囊式，均是利用气体的压缩和膨胀来储存、释放压力能。活塞式、皮囊式储能器实际应用较多，主要用来储能和吸收中、高压系统压力脉动。

蓄能器的能量存储能力取决于蓄能器的容积、储存压力和工作压力。作为辅助动力源，液压蓄能器一方面吸收或补充发动机的输出扭矩，使发动机始终在高效工况作业；另一方面，液压蓄能器回收与利用制动能量，大大降低了机器不必要的能量消耗。同时，在吸收系统的液压冲击、保持系统压力方面也起到了很大作用。

2.超级电容

超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，也称为电化学电容器，可用来全部或部分取代电池。从储电原理上，可将超级电容器分为双电层电容和法拉弟准电容2类。

目前的混合动力工程机械大多采用超级电容作为储能装置。与电池相比，超级电容具有以下几个优点：一是具有非常高的功率密度，可为电池的10～100倍；二是充电速度快，能在几十秒到数分钟内完成充电过程；三是使用寿命长，充、放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性，实际寿命可达10万次以上，比电池高10～100倍；四是工作电压范围大，在其额定电压范围内，可充电至任一电压值，可放出所储存的全部电量；五是低温性能优越，容量随温度的衰减非常小。

类似于蓄电池，超级电容器的单体电压较低，极少以自然形态直接使用，一般通过多个单体串联与并联构成超级电容器储能阵列。

3.飞轮电池

飞轮电池一般由飞轮转子、电机、磁轴承系统、电力电子变换装置和真空容器等部分构成，其结构如图2所示。

当给飞轮电池充电时，电机以电动机的形式运行，电能通过电子电力变换装置从外部输入，驱动电动机带动飞轮加速旋转，从而完成电能到机械能的转换与存储；当外部负载需要能量时，飞轮电池放电，电机处于发电机运行状态，飞轮存储的动能转换成负载所需要的电能，完成机械能到电能的转换。

飞轮是整个电池装置的核心部件，直接决定了整个装置的储能量。为了减少充、放电过程中的能量损耗，电机和飞轮都采用磁悬浮轴承，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。

飞轮电池有着诸多优点，主要表现在以下几个方面：一是储能密度高；二是无过充电、过放电问题，即使在深度放电时，其性能也完全不受影响，而且能够防止过充电；三是容易测量放电深度，充电时间较短；四是使用寿命长，预期寿命20年以上；五是损耗低，维护周期长，对温度不敏感，报废后对环境产生的影响小。

飞轮电池的缺点是不能长时间保存能量，仅适用于具有快速充、放电的特点外部系统。飞轮电池成本过高也是不能大力推广的重要原因，其单位功率成本为电化学电池的6～7倍。

4.电化学电池

电化学电池主要是指蓄电池，其作用是存储电能，目前应用较广的主要有铅酸电池、锂电池和镍氢电池等。

(1) 铅酸电池

现代车用蓄电池使用最广的是铅酸电池，其主要由极板、隔板、电解液和壳体构成。铅酸蓄电池优点是：性能可靠，生产工艺成熟，成本较低；单体电池电压高，能量效率高，具有良好的大电流输出性能和高、低温性能。铅酸电池的缺点是能量比和能量密度都比较低，自放电率较高，循环寿命相对较低，不便于长期储存。

(2) 镍氢电池

镍氢电池以氢氧化镍为正极，以高能贮氢合金为负极。镍氢电池主要优点有：能量密度、功率密度高于铅酸电池，循环使用寿命高；快速充电和深度放电性能好，充电效率高；无重金属污染，且全密封免维护。缺点是成本高，有“记忆效应”，均匀性较差，自放电损耗大，对环境温度敏感，体积和质量较大，安装困难。

(3) 锂电池

锂电池可分为锂离子电池和锂分子(高聚合物)电池2种。锂电池具有体积小、功率高、电压高、安全性高、自放电低、无记忆和无污染等优点。其主要缺点是一致性和安全性较差，成本高，高温性能差，低温时充、放电性能差。

通过分析各种储能装置的特点可知，液压蓄能器的功率密度最大，蓄电池的功率密度最小。蓄电池和高速飞轮能量密度较大，液压蓄能器和超级电容的能量密度较小。液压蓄能器、储能飞轮环保性能较好，而超级电容具有使用安全和放能度高的优点。对于低功率密度和高能量密度要求的场合，选择铅酸电池比较适宜。对于功率密度有较高要求的装置，选择液压蓄能器是很合适的。超级电容因具有高效率、高功率密度和优良的环保性能等优点，在混合动力工程机械得到了较为广泛的应用。

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