基于鈦酸鋰電池的電動(dòng)輪卡車能量回收和利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀志超

（諾浩科技沈陽有限公司）

礦用電動(dòng)輪卡車是大型露天礦山、水利水電工 程的主要運(yùn)輸工具，承擔(dān)礦巖石、土石方等運(yùn)輸任務(wù)。電動(dòng)輪卡車燃油消耗巨大，燃油支出占總運(yùn)輸成本的30%～45%，以小松730E型卡車為例，燃油消耗量約為500 t/a，燃油支出達(dá)到350萬元。由于露天礦山開采環(huán)境特殊，大型電動(dòng)輪卡車會(huì)長期、頻繁地工作在上坡與下坡路段，在下坡或剎車過程中，這部分能量均通過電阻柵以熱能形式消耗，通過現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)，制動(dòng)消耗可占總?cè)剂舷牡?5%左右。我國大型電動(dòng)輪卡車保有量約5 000臺，如果制動(dòng)能量回收系統(tǒng)節(jié)油率按照10%計(jì)算，對全國20%的大型電動(dòng)輪卡車進(jìn)行制動(dòng)能量回收改造后，每年可為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約燃油成本3.5億元人民幣，同時(shí)還可以減少CO2和尾氣排放，如能把這部分制動(dòng)能量回收利用，不僅可以替代一部分燃油消耗而節(jié)約成本，還進(jìn)一步減少尾氣排放。因此，針對大型礦車進(jìn)行制動(dòng)能量回收與利用具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益［1］。

1 車輛電驅(qū)系統(tǒng)方案組成

本文主要針對108 t級電動(dòng)輪礦卡進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，車輛主要參數(shù)見表1。

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混合動(dòng)力電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包含以下部分：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及牽引發(fā)電機(jī)、集中通風(fēng)裝置、電氣控制柜（含整車控制器、牽引逆變器、電阻斬波制動(dòng)支路、動(dòng)力電池、大功率雙向DC/DC環(huán)節(jié)、發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）、制動(dòng)電阻箱、牽引電動(dòng)機(jī)等。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電氣控制柜內(nèi)的整車控制器是車輛控制中樞，負(fù)責(zé)電傳動(dòng)系統(tǒng)、司機(jī)指令及指示系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電氣及調(diào)速系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、舉升/轉(zhuǎn)向/制動(dòng)系統(tǒng)、信號燈的監(jiān)視和控制，進(jìn)行必要的狀態(tài)/數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)，并提供本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)/診斷接口［2］。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流母線負(fù)責(zé)為牽引電機(jī)供電，穩(wěn)定的母線電壓可讓電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高效地運(yùn)行，同時(shí)也可以減少發(fā)電機(jī)組對母線電壓的反復(fù)調(diào)節(jié)。鑒于以上原因，同時(shí)考慮卡車對動(dòng)力性的要求，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)+雙向DC/DC+鈦酸鋰電池的協(xié)同供電方案，并通過整車能量協(xié)同控制策略，將車輛制動(dòng)能量回收并利用。

2 動(dòng)力電池類型的選擇

由于露天礦山運(yùn)行路況差、環(huán)境溫度變化范圍大、動(dòng)力電池系統(tǒng)充放電頻繁，對電池系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求。本方案選用鈦酸鋰電池。鈦酸鋰電池正極材料由可逆脫嵌離的活性鎳錳酸鋰組成，負(fù)極材料是鈦酸鋰。與傳統(tǒng)的以石墨為負(fù)極材料的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相比具有以下特點(diǎn)。

（1）安全性更高。傳統(tǒng)鋰離子電池負(fù)極為石墨，具有與金屬鋰很接近的電位，當(dāng)過充時(shí)電極表面容易形成鋰枝晶刺穿隔膜，造成正負(fù)極短路，引起電池起火甚至爆炸，而鈦酸鋰為負(fù)極材料時(shí)電位平臺高達(dá)1.55 V，比傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料高出1 V，因此在低溫、高倍率充電等惡劣使用環(huán)境下，鈦酸鋰電池也不會(huì)達(dá)到金屬鋰的析出電位，降低了形成鋰枝晶的概率和短路風(fēng)險(xiǎn)。與三元鋰或磷酸鐵鋰電池只能靠外部管控系統(tǒng)保證安全相比，鈦酸鋰電池是材料層級的安全。鈦酸鋰電池針刺短路及火燒試驗(yàn)如圖2所示。

（2）大倍率充放電性能優(yōu)異。鈦酸鋰電池大倍率充放電曲線如圖3所示，可知，鈦酸鋰電池可以持續(xù)10 C高倍率充放電，放電容量可達(dá)到87.8%，以5 C放電時(shí)放電容量達(dá)到98.1%；以10 C電流充電時(shí)，充電容量達(dá)到87.7%，以5 C電流充電時(shí)，充電容量達(dá)到97.8%。

（3）循環(huán)壽命長。鈦酸鋰電池即便過度充電，也僅有1%的體積變化，被稱為零應(yīng)變材料，這使其有著極長的壽命。25℃常溫時(shí)，以3 C倍率充放電循環(huán)8 700次后，電池壽命大于88%，以5 C循環(huán)4 000次后，壽命大于95%。

（4）溫域?qū)?。鈦酸鋰電池可以?40～60℃條件安全使用，高低溫放電曲線如圖4所示。根據(jù)鈦酸鋰電芯在-30℃不同倍率的放電曲線得知，鈦酸鋰電芯低溫性能優(yōu)良，故無需低溫預(yù)熱裝置；通過電芯55℃的放電曲線可以看出，在此溫度下鈦酸鋰放電性能良好［3］。

3 電池系統(tǒng)參數(shù)的選擇

根據(jù)整車動(dòng)力性需求，滿載最高車速55 km/h，在8%坡度滿載爬坡時(shí)車速10 km/h，在8%坡度下坡車速26 km/h，分別計(jì)算整車功率需求。

最高車速時(shí)需求功率為［4］

式中，ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率，0.96；m為車輛滿載質(zhì)量，193 000 kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.02；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，30 m2；Vmax為車輛最高速度，55 km/h。

計(jì)算得出PN=660 kW。

滿載爬坡時(shí)功率需求為

式中，α為爬坡坡度比，4.57；Vi為爬坡車速，12 km/h；其他參數(shù)符號意義同上。

計(jì)算得出Pa=650 kW。

滿載勻速下坡時(shí)車輛需求的制動(dòng)功率為

式中，α為爬坡坡度比，4.57；Vo為下坡車速，26 km/h；其他參數(shù)符號意義同上。

計(jì)算得出Pb=850 kW。

從以上計(jì)算可知，動(dòng)力電池作為牽引動(dòng)力源時(shí)，提供功率需大于660 kW；制動(dòng)回饋回充時(shí)，回充功率需大于850 kW。由于鈦酸鋰電池可以5 C持續(xù)充放電，同時(shí)考慮電池在車輛上的安裝，選定電池電量為200 kWh，5 C充放電功率可達(dá)1 000 kW，可以滿足車輛動(dòng)力性的需求。車輛選取鈦酸鋰電池組參數(shù)見表2。

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4 大功率雙向DC/DC控制方案

電動(dòng)輪卡車直流母線電壓達(dá)到DC 1300 V，鈦酸鋰電池組電壓相對較低，因此，不能直接與母線連接，需要通過DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)不同電壓等級之間的充放電控制。雙向DC/DC主回路方案如圖5所示。由大功率IGBT器件S1、S2、S3、S4構(gòu)成DC/DC變換電路，鈦酸鋰電池經(jīng)過濾波電感、快熔、接觸器接入DC/DC變換器。S3和S4可構(gòu)成雙向能量變換電路，DC/DC變換器輸出到車輛直流母線，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

制動(dòng)能量回收過程工作原理如圖6所示。車輛制動(dòng)時(shí)，DC/DC變換電路的S2和S1的反并聯(lián)二極管工作，電路運(yùn)行在BOOST狀態(tài)，變換電路的S3和S4的反并聯(lián)二極管工作，電路運(yùn)行在BUCK狀態(tài)，車輛制動(dòng)時(shí)的瞬能量由動(dòng)力電池吸收，DC/DC維持母線電壓穩(wěn)定。

制動(dòng)能量釋放再利用工作原理如圖7所示。當(dāng)駕駛員踩下油門時(shí)，車輛處于行駛模式，動(dòng)力電池放電。車輛側(cè)的S1和S2的反并聯(lián)二極管工作，電路運(yùn)行在BUCK狀態(tài)，動(dòng)力電池側(cè)的S4和S3的反并聯(lián)二極管工作，電路運(yùn)行在BOOST狀態(tài)。

5 發(fā)電機(jī)組控制方案

發(fā)電機(jī)作為車輛主要能量來源，負(fù)責(zé)向直流母線供電，具體原理如圖8所示，其中，Pref為發(fā)電機(jī)輸出功率，Tref為轉(zhuǎn)矩，f為轉(zhuǎn)矩函數(shù)，由于車輛的動(dòng)力性能不再取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)燃油經(jīng)濟(jì)性選擇運(yùn)行工況，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳油耗曲線得出發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速［5］，同時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)組參考功率Pref和參考轉(zhuǎn)速nref計(jì)算發(fā)電機(jī)電磁主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組輸出功率的控制。

6 能量回收和利用控制策略

整車的協(xié)同控制系統(tǒng)由車輛動(dòng)力控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)組成，其中，車輛動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力輸出控制、穩(wěn)定性控制、防止輪胎打滑控制、電子差速控制；能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組控制、鈦酸鋰電池充放電控制、雙向DC/DC功率跟隨控制，其根據(jù)車輛實(shí)際狀態(tài)確定發(fā)電機(jī)組、鈦酸鋰電池、DC/DC間的能量供應(yīng)，保證整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。車輛的油門開度對應(yīng)整車的功率需求，而發(fā)電機(jī)、電池兩者輸出功率經(jīng)過發(fā)電機(jī)、整流器、DC/DC、逆變器傳遞給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成會(huì)有一定能量損失。目標(biāo)需求功率P1=Pout/η，其中，η為傳動(dòng)效率，將P1作為發(fā)電機(jī)組和電池組的目標(biāo)跟隨功率，整車需求功率優(yōu)先由發(fā)電機(jī)組提供（純電動(dòng)模式除外），若需求功率在發(fā)電機(jī)組能力范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組除目標(biāo)需求功率外，還需提供保持母線電壓穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率。若需求功率超過發(fā)電機(jī)最大輸出能力，不足部分由動(dòng)力電池提供，控制系統(tǒng)根據(jù)車輛的行駛和制動(dòng)狀態(tài)，得出發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和DC/DC及動(dòng)力電池組的充放電功率。

車輛狀態(tài)與能量協(xié)調(diào)控制所需的各項(xiàng)參數(shù)可通過整車CAN總線獲得，根據(jù)油門開度可以確定車輛狀態(tài)，油門開度K>0表示車輛為行駛狀態(tài)，K=0表示車輛處于滑行狀態(tài)，K=0并且制動(dòng)踏板開度L>0時(shí)表示車輛處于制動(dòng)狀態(tài)。車輛的驅(qū)動(dòng)方式主要包括發(fā)電機(jī)組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、純電驅(qū)動(dòng)、混動(dòng)驅(qū)動(dòng)3種模式，車輛起步階段，以鈦酸鋰電池為動(dòng)力源，以純電動(dòng)模式行駛；當(dāng)車速、油門達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，由發(fā)電機(jī)組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)行駛；當(dāng)油門接近全開、車輛急加速或需求功率超過發(fā)電機(jī)組功率且動(dòng)力電池剩余電量充足時(shí)，采用混動(dòng)模式行駛，由發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)車輛［6］。當(dāng)鈦酸鋰電池SOC低于20%時(shí)，發(fā)電機(jī)組需提高輸出功率，在增程模式工作，為車輛提供動(dòng)力，同時(shí)給鈦酸鋰電池充電，保證電池工作在較好的SOC區(qū)間。車輛的制動(dòng)功率根據(jù)制動(dòng)踏板開度和車速、制動(dòng)力矩大小等參數(shù)確定。車輛在制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組不發(fā)電，根據(jù)車輛速度和制動(dòng)踏板的開度，輸出相應(yīng)的制動(dòng)力矩，優(yōu)先由鈦酸鋰電池組回收制動(dòng)能量，減少電阻柵的投入使用，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

發(fā)電機(jī)的參考功率確定方法如下：發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電且不需要對整車穩(wěn)定性進(jìn)行控制時(shí)，以控制直流母線電壓恒定為目標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組功率；若車輛處于混合能量源供電驅(qū)動(dòng)或需要對整車穩(wěn)定性進(jìn)行控制時(shí)，說明車輛需求功率超過發(fā)電機(jī)組輸出能力，則發(fā)電機(jī)保持最大輸出功率。車輛制動(dòng)或純電驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)啟停，降低發(fā)電機(jī)組壽命，發(fā)電機(jī)怠速運(yùn)行，同時(shí)維持車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)運(yùn)行。

動(dòng)力電池組用于純電驅(qū)動(dòng)或混合動(dòng)力工況時(shí)為直流母線供電，放電功率由整車需求功率與發(fā)電機(jī)的參考功率之差確定，最小值為零，最大值不超過動(dòng)力電池組最大輸出能力。動(dòng)力電池組處于制動(dòng)能量回收模式時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)車輛當(dāng)前車速、剎車踏板開度控制輸出電機(jī)的制動(dòng)扭矩，從而控制動(dòng)力電池組的回充功率，系統(tǒng)最大制動(dòng)功率為1 000 kW。

7 結(jié)論

結(jié)合大型電動(dòng)輪卡車的運(yùn)行特點(diǎn)，圍繞其制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究。針對電動(dòng)輪卡車直流母線電壓高、系統(tǒng)功率大、制動(dòng)過程中短時(shí)制動(dòng)功率大及總制動(dòng)能量大的特點(diǎn)，在主電路直流母線環(huán)節(jié)增加雙向大功率DC/DC和鈦酸鋰電池儲(chǔ)能方案，并采用車輛能量協(xié)同的控制策略，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的工作曲線，實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)能量的高效回收和利用，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗20%以上，減少尾氣排放。同時(shí)制動(dòng)電阻柵在電池系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，不需要投入工作，作為制動(dòng)系統(tǒng)的冗余方案，雙向DC/DC可維持直流母線電壓的穩(wěn)定，提升了電動(dòng)輪卡車的可靠性和安全性。