新型蓄電池挖掘機設(shè)計及動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

柯 堅，李 波，張西川，葉夫義

（西南交通大學機電測控系，四川 成都 610031）

1 引言

隨著環(huán)境和能源問題的日漸嚴峻，我國工信部將全面禁售燃油車提上日程。在工程機械領(lǐng)域，僅挖掘機的燃油消耗量占全國燃油消耗量的9.7%，已成為主要污染物排放源[1]。近年，已有部分電動挖掘機產(chǎn)品比如徐工XE2800E純電動液壓挖掘機及Volvo全電動挖掘機等[2]，該類產(chǎn)品作業(yè)時需從電網(wǎng)取電，受到供電條件限制，機動性不足。隨著混合動力技術(shù)的發(fā)展，以蓄電池為動力源的工程機械設(shè)備越來越多，但是受到儲能技術(shù)的限制，續(xù)航能力不足。過大的電池容量會導(dǎo)致整機重量和成本增加，實用性不足，如何有效提升系統(tǒng)續(xù)航能力也是新能源工程機械設(shè)備急需解決的問題。

目前電動工程機械設(shè)備電池系統(tǒng)設(shè)計多參照電動汽車，主要有以動力性為匹配優(yōu)化目標[3]和從整車角度對動力系統(tǒng)進行優(yōu)化方法[4]，該方法以動力性和經(jīng)濟性為優(yōu)化目標對動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，以電池單向匹配電機，忽略了核心部件電池特征參數(shù)變化引起的匹配誤差。挖掘機電池系統(tǒng)經(jīng)常處于大倍率放電狀態(tài)，上述匹配策略忽略了電池在大電流放電工況下的容量變化對動力系統(tǒng)匹配設(shè)計帶來的影響。文獻[5]引入容量補償系數(shù)K進行冗余設(shè)計，以此對容量匹配結(jié)果進行補償。此方法K值多依照經(jīng)驗確定，沒有普適性。K選擇小，達不到設(shè)計要求，K選擇大，經(jīng)濟成本增加。

設(shè)計一種新型蓄電池挖掘機，包括可移動供電車和電動挖掘機兩部分，避免了挖掘機從電網(wǎng)取電的空間性限制，完成電纜自動收放裝置的設(shè)計，大大提升整機的機動性。為實現(xiàn)電池系統(tǒng)與電機的雙向匹配，分析了不同放電條件下電池的輸出特性和壽命特性，在電池多倍率放電試驗的基礎(chǔ)上建立電池Peukert放電模型，以此對實際放電條件下電池可用容量衰減進行修正補償。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 整體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體方案，如圖1所示。由供電車和挖掘機組成，可由一臺或多臺供電車輪流向挖掘機供電，可在不改變電池能量密度的前提下提升系統(tǒng)續(xù)航能力，經(jīng)濟性較好，供電車上的電纜收放裝置能夠保證在作業(yè)過程中電纜時刻處于良好的狀態(tài)。

圖1 移動供電型挖掘機Fig.1 Excavator for Mobile Power Supply

2.2 工作原理

移動供電車包括車體，電源裝置，電纜收放裝置[6]。電動挖掘機中有電動機、電力控制裝置、操作控制中心和受電臂。

工作時，電纜收放裝置連接受電臂，電源裝置中的電力通過電纜和受電臂輸送至電力控制裝置驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動。在挖掘機的移動過程中，電纜收放裝置能自動收放電纜，降低電纜磨損。電纜收放裝置中安裝有傳感器，用于檢測電纜長度，當剩余電纜長度達到限定長度時自動停止電源裝置的電力輸出，避免作業(yè)過程中出現(xiàn)電纜拖拽的安全問題。

2.3 電纜收放裝置

電纜收放裝置位于供電車上，結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要由卷筒、固定軸、軸承、電刷、集流環(huán)、卷簧、和導(dǎo)向裝置構(gòu)成。電纜收放裝置中，設(shè)有電力連接裝置，其中，電刷設(shè)于電纜的電力輸入端，集流環(huán)裝配在固定軸上，導(dǎo)線一端穿過固定軸與集流環(huán)連接，另一端與電源裝置連接，電刷與集流環(huán)滑動連接，用于可移動電源裝置與電纜之間的電力傳輸和信號傳輸。

圖2 電纜收放裝置Fig.2 Cable Retractable Device

2.4 導(dǎo)向裝置

電纜輸出端有導(dǎo)向裝置，使得電纜保持整齊并實現(xiàn)自動收放，能有效降低電纜磨損和預(yù)防電纜拖拽等安全事故，其軸向和徑向剖視圖，如圖3所示。電纜收放裝置4中有電纜拉力感知裝置，當電纜4受外界拉力超過一定值時，電纜收放裝置中的卷筒向電纜放出的方向轉(zhuǎn)動，當外界拉力小于設(shè)定值時，卷筒向電纜收縮方向旋轉(zhuǎn)。

圖3 導(dǎo)向裝置Fig.3 Cable Guide Device

3 電池動態(tài)特性分析

3.1 容量特性

電池組容量C直接決定系統(tǒng)續(xù)航能力，是電池系統(tǒng)的重要性能指標，表示為一定放電條件下電池的放出電量，有額定容量和實際容量。額定容量CN即標稱容量，通常為0.1C放電倍率下的電池電量。實際容量C表示在實際使用中電池達到截止電壓前所能釋放的能量。傳統(tǒng)匹配方法根據(jù)能量需求計算得到電池組額定容量，忽略了在具體工況下實際可用容量的衰減特性。實際容量取決于放電工況，電流越大，實際容量越小。特別是挖掘機放電倍率大，因此實際放電量遠遠達不到額定標稱值，因此無法滿足工作需求。合理估算電池在實際工況下的容量衰減是電池系統(tǒng)合理設(shè)計的關(guān)鍵。

3.2 放電深度DOD（Depth of Discharge）

放電深度指放電實際容量和額定容量的比值，DOD越大，同能量需求的情況下電池匹配容量要求越小，但電池使用壽命越短。在電池管理系統(tǒng)中合理設(shè)置放電深度闕值利于提升系統(tǒng)整體性能。

3.3 壽命特性

電池壽命指電池容量衰減至80%時循環(huán)充放電的次數(shù)，主要受DOD的影響，放電深度越大，壽命越短。電池壽命特性試驗，如圖4所示。應(yīng)保證放電深度不低于0.8可獲得大于800次的循環(huán)次數(shù)。

圖4 壽命試驗Fig.4 Life Test

3.4 Peukert參數(shù)辨識

電池實際容量取決于放電條件，許多學者都曾提出過經(jīng)驗公式，目前以 Peukert方程應(yīng)用最廣[7]，如式（1）所示。文獻[8]對Peukert普適性進行了討論，認為在溫度（0～50）℃，放電電流在（0～300）A范圍內(nèi)Peukert模型有著良好的適用性。

式中：n—Peaukert系數(shù)；I—放電電流；t—放電時間。

Peaukert指出放電電流的冪與放電時間之積為固定常數(shù)。n值越大，實際容量偏離額定容量越多，可用容量衰減越明顯。由式（1）可聯(lián)立不同放電條件下的Peukert方程計算得到n，如式（2）所示。

為了獲得目標電池的Peaukert參數(shù)，對電池進行不同倍率下的放電試驗，結(jié)果，如圖5所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過式（2）可辨識出電池組Peaukert參數(shù)，以此對實際放電電流下的可用容量衰減進行補償。

圖5 Perukert參數(shù)辨識實驗Fig.5 Test of Perukert Parameter Identification

4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

4.1 電傳動系統(tǒng)參數(shù)

電動機參數(shù)及電池組設(shè)計要求，如表1所示。

表1 電動機參數(shù)及電池組設(shè)計要求Tab.1 Motor Parameters and Design Requirements of Battery Pack

4.2 電池參數(shù)設(shè)計

4.2.1 電池類型

目前動力電池主要有鉛酸，鋰離子，鎳氫，鎘鎳電池等。挖掘機電池組工作環(huán)境惡劣，放電倍率大，鉛酸電池環(huán)境耐受性好，允許放電倍率大，且成本低。雖然鉛酸電池比能相對較低，但由供電車供電，電池組重量不會影響挖掘機的整體重量，經(jīng)濟性和實用性較強，

4.2.2 電池組容量

動力電池組容量取決于單體電池容量和成組方式，如式（3）和式（4）所示。

式中：Ub—電池組電壓；U1—單體電池電壓；Cb—電池組容量；C1—單體電池容量；N1—串聯(lián)數(shù)量；N2—并聯(lián)數(shù)量。

電池系統(tǒng)電池數(shù)越多，可靠性越低，電池管理難度越大。采取大容量單體電池串聯(lián)的成組方式，可降低電池管理成本，增加系統(tǒng)可靠性。因此，動力電池組容量等于單體電池容量，可由具體工況下的能量需求估算得到，在電流恒定情況下，如式（5）和式（6）所示。

式中：I—電池工作電流；t—工作時間；P—電動機功率；ηb—電池組效率；ηc—控制器效率；ηm—電動機效率。

動力電池容量受放電倍率，自放電，放電深度DOD等影響。文獻[9]指出電池自放電與擱置時間呈正相關(guān)，挖掘機電池工作處于持續(xù)放電狀態(tài)，因此忽略掉自放電，主要考慮放電電流和放電深度DOD對容量估算的影響。

電池放電倍率越大，電池可用容量越低，通過前文分析，以單體電池的Peukert參數(shù)對實際放電倍率下的可用容量衰減進行補償計算，同時考慮放電深度的影響，如式（7）所示。

考慮實際情況，電池組Ub取552V，Peukert參數(shù)n根據(jù)圖5的放電試驗計算得到，為1.2。根據(jù)表1設(shè)計要求，P為20kW，t為2h，代入式（7）計算得電池組參數(shù)，如表2所示。

表2 動力電池組參數(shù)Tab.2 Parameters of Power Battery

5 電池組SOC估算策略

5.1 電池SOC計算方法

電池能量管理的核心是對電池SOC（State of Charge）荷電狀態(tài)進行準確計算[10]。采取安時法進行SOC估算，如式（8）所示。

式中：SOC0—初始荷電狀態(tài)；I—放電電流，A；CN—額定容量；η—放電效率。

其中，SOC0每次充電完成時通過充電裝置獲得，放電開始時重置，可消除安時積分法的累計誤差，放電電流I由電機控制器測得。

5.2 放電效率η確定

放電效率η可表示為實際放電條件下放電至截止電壓所放出的電量與額定電量之比，放電電流越大，放電效率越低，由Peukert式（1）推出出式（9）：

式中：IN—額定放電電流，A。

6 實例

新型蓄電池挖掘機，如圖6所示。由動力電池組向挖掘機供電，挖掘機可在以供電車為中心，半徑為20m的圓周范圍內(nèi)自由移動，電纜經(jīng)過電纜收放裝置實現(xiàn)自動收放，保證挖掘機在作業(yè)過程中有良好的機動性。在長時間取電不方便的作業(yè)環(huán)境下可由多輛同規(guī)格的供電車輪流向挖掘機供電，在不改變電池能量密度的條件下提高續(xù)航能力，經(jīng)濟性較好。

圖6 現(xiàn)場作業(yè)Fig.6 Work Site of Excavator

為驗證電池組參數(shù)設(shè)計的正確性，在20kW工況下進行了300h的循環(huán)試驗，試驗條件和，如表3所示。

表3 試驗條件Tab.3 Parameters of Power Conversion Device

電池續(xù)航時間，如表4所示。

表4 電池組電池續(xù)航時間Tab.4 Working Time of Battery

由于浮充電壓的影響，放電初始狀態(tài)存在一定誤差，試驗在室外進行，試驗過程室溫存在一定變化，但是電池組能夠達到設(shè)計要求的120min的既定時間要求，且容量設(shè)計冗余度較小，驗證了該設(shè)計方法的正確性，經(jīng)濟性和實用性較好。

7 結(jié)語

（1）提出一種新型電動挖掘機設(shè)計方案，由移動供電車和挖掘機兩部分組成，能適應(yīng)野外取電不方便的作業(yè)工況，提升機動性和續(xù)航能力；

（2）針對實際放電工況，分析了電池組的容量特性和壽命特性，對單體電池進行不同倍率的放電試驗并建立了其Peaukert放電模型；

（3）根據(jù)Peaukert模型在電池系統(tǒng)容量設(shè)計時對實際容量衰減進行匹配修正；

（4）循環(huán)工況試驗證明了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和設(shè)計方法的準確性，設(shè)計冗余度較小，具有較好的普適性，對新能源工程機械設(shè)備的發(fā)展有一定參考意義。