淺談電動(dòng)裝載機(jī)的發(fā)展應(yīng)用與研究

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

裝載機(jī)是最常用的土方工程機(jī)械，在整個(gè)社會(huì)提倡綠色、環(huán)保和節(jié)能的大環(huán)境下，綠色工程機(jī)械也成為發(fā)展的新趨勢，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是研究裝載機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的熱點(diǎn)之一。電動(dòng)裝載機(jī)采用電動(dòng)機(jī)作為牽引裝置，并應(yīng)用化學(xué)蓄電池組、動(dòng)力電池組作為動(dòng)力能源，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗谑褂眠^程中可以實(shí)現(xiàn)零排放、零污染，所以電動(dòng)裝載機(jī)具有良好的發(fā)展前景。

1 電動(dòng)裝載機(jī)結(jié)構(gòu)

相比于其他類型的新能源車，純電動(dòng)車完全依靠存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中的電能來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，其基本結(jié)構(gòu)包括電氣系統(tǒng)、電池系統(tǒng)及電機(jī)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電裝原理框

2.1 動(dòng)力電池發(fā)展史

動(dòng)力電池的第一代為鉛酸電池，主要是閥控式鉛酸電池。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、放電性能良好、原料資源豐富、以及倍率性能好；缺點(diǎn)是比能量低和環(huán)境污染大。第二代為鎳氫電池，其優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、環(huán)保無污染、工作電壓低以及價(jià)格高。第三代為鋰離子電池，其優(yōu)點(diǎn)是比能量高、電壓平臺(tái)高、循環(huán)性能好、充放電效率高以及環(huán)保無污染。

2.2 動(dòng)力鋰離子電池

鋰離子電池是Li+在正、負(fù)極之間反復(fù)進(jìn)行脫出和嵌入的1種高能二次電池。目前動(dòng)力電池有MH-Ni電池和鋰離子電池，動(dòng)力鋰離子電池的質(zhì)量比能量為120 W·h/kg～150 W·h/kg，不僅能量高于MH-Ni電池，而且10 s內(nèi)的質(zhì)量比功率可達(dá)1 000 W/kg以上，其性能優(yōu)于MH-Ni電池。

鋰離子主要有以下6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）電壓高。鋰離子單電芯的電壓為3.6 V，而MH-Ni電芯的電壓僅為1.2 V，因而具有更高的質(zhì)量比能量。2）存儲(chǔ)和循環(huán)壽命長。單體電芯循環(huán)使用壽命可達(dá)3 000次。3）荷電保持能力強(qiáng)。當(dāng)環(huán)境溫度為（20±5）℃時(shí)，并在開路狀態(tài)下存儲(chǔ)30天后，電池常溫放電容量為額定容量的85%。4）環(huán)境污染低。鋰離子電池不含鉛、鎘和汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境污染低。5）無記憶效應(yīng)。其可以進(jìn)行反復(fù)充、放電。6）工作溫度范圍廣。鋰離子電池通常在溫度為-20 ℃～ 60 ℃的條件下工作。

目前市場上有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰以及鈦酸鋰可供選擇：1）鈷酸鋰。其抗過充性能差，不安全；且鈷有放射性，不環(huán)保；鈷是儲(chǔ)量少的貴重金屬，成本高，一般用于CE產(chǎn)品。2）磷酸鐵鋰。其電壓平臺(tái)很平，能量發(fā)揮好；儲(chǔ)量大便宜；幾乎無熱失控（熱失控溫度在800 ℃以上），很安全。3）三元鋰。其電壓平臺(tái)斜率高，算法精度高；稀有金屬多；熱失控溫度為200 ℃，需要多方面系統(tǒng)結(jié)合滿足安全性。4）錳酸鋰。其克容量低，壓實(shí)密度高，總體能量密度與鐵鋰相當(dāng)；最大問題是在較高溫度工作時(shí)易溶解且衰減快；雖然在摻雜和表面處理上有所改善，但穩(wěn)定性、安全性不及磷酸鐵鋰。5）鈦酸鋰。平臺(tái)電壓低，系統(tǒng)連接多，存在高溫脹氣問題且成本高。

綜上所述，磷酸鐵鋰具有安全、使用壽命長以及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，是裝載機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用的首選。鋰離子化學(xué)體系的選擇見表1。

表1 鋰離子化學(xué)體系選擇

2.3 BMS系統(tǒng)

BMS系統(tǒng)是指電池的管理系統(tǒng)，它是由不同功能的模塊組成的，不同模塊通過CAN總線完成信息數(shù)據(jù)的交換。BMS系統(tǒng)，是對電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，同時(shí)也是電池系統(tǒng)的大腦。

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示，動(dòng)力電池的狀態(tài)信息采集模塊通過CAN總線與整車控制器VCU通信。

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下11個(gè)方面的內(nèi)容：1）對單體電池或電池組電壓的檢測。2）對電池組溫度和環(huán)境溫度的檢測。3）對電池組工作電流的檢測。4）對電池組漏電絕緣的檢測。5）對電池組的散熱管理。6）對電池組充放電次數(shù)記錄。7）對電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值（SOC）進(jìn)行估算8）對電池組故障診斷和故障報(bào)警。9）與車載設(shè)備通過CAN總線通信，為整車控制提供必要的電池?cái)?shù)據(jù)。10）對電池組過流、過壓和溫度保護(hù)。11）對電池組充放電限值進(jìn)行控制。

圖2 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于電池長期處于使用狀態(tài)，它必然會(huì)出現(xiàn)老化或劣化的情況，因此必須檢測電池的健康狀況（SOH）。SOH的定義是在標(biāo)準(zhǔn)條件下動(dòng)力電池在充滿電的狀態(tài)下，以一定倍率放電到截止電壓時(shí)所放出的容量與其所對應(yīng)的標(biāo)稱容量的比值，該比值是電池健康狀況的一種反應(yīng)。簡單來講，也就是電池使用一段時(shí)間后某些直接可測或間接計(jì)算得到的性能參數(shù)（例如內(nèi)阻和電容等）的實(shí)際值與標(biāo)稱值的比值，它可以用來判斷電池健康狀況下降后的狀態(tài)，從而衡量電池的健康程度。一般情況下，SOC描述的是電流參數(shù)的短期變化；SOH描述的是電流參數(shù)的長期變化。SOH不需要進(jìn)行連續(xù)地測量，只要定期測量就可以。為了測定電池的健康狀態(tài)，必須知道實(shí)際的SOC。

SOC是BMS的核心，BMS是動(dòng)力電池的核心，動(dòng)力電池則是新能源汽車的核心，因此SOC對新能源汽車至關(guān)重要。如果沒有準(zhǔn)確的SOC，就會(huì)出現(xiàn)以下3種情況：1）電池過沖/過放，從而導(dǎo)致電池壽命縮短、汽車趴窩等。2）均衡的一致性效果不理想，導(dǎo)致輸出功率降低、動(dòng)力性能降低。3）為了避免趴窩，設(shè)置過多冗余電量，減少整體能量輸出。目前估算SOC的主要方法有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)積分法、開路電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、負(fù)載電流法、內(nèi)阻法和卡爾曼濾波法等。

3 電機(jī)系統(tǒng)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)裝載機(jī)的核心，它是由電機(jī)和電機(jī)控制器組成的[1]。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，該電能可以給電氣系統(tǒng)供電，也可以給動(dòng)力電池充電。電機(jī)分為靜止電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)3個(gè)大類；其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)可細(xì)分為直流電機(jī)（有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)）與交流電機(jī)（開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)、勵(lì)磁同步電機(jī)、繞線式異步電機(jī)以及鼠籠式異步電機(jī)）。

直流電機(jī)具有調(diào)速性能良好、啟動(dòng)性能好、恒功率范圍較寬、控制較為簡單以及價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)；它的缺點(diǎn)是效率低、維護(hù)工作量大、轉(zhuǎn)速低以及質(zhì)量和體積大。交流異步電機(jī)具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便以及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；它的缺點(diǎn)是體積大、質(zhì)量大以及功率密度低。永磁同步電機(jī)具有體積小、輕量化以及功率密度高的優(yōu)點(diǎn)；它的缺點(diǎn)是：成本高。開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低以及調(diào)速靈活的優(yōu)點(diǎn)；它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大以及噪聲大。

因?yàn)榕c用于工業(yè)領(lǐng)域的電機(jī)不同，用于電動(dòng)裝載機(jī)的電機(jī)需要進(jìn)行頻繁的啟動(dòng)和停止以及高變化率的加速度/減速度；所以電動(dòng)裝載機(jī)采用永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)可以避免傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)以及勵(lì)磁繞組的銅耗。具有效率高、體積小、易控制、易冷卻、維護(hù)成本低、壽命長、可靠性高以及噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩性能對電動(dòng)裝載機(jī)來說是最重要的。磁場與電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)中的磁場由永磁體產(chǎn)生，而電流取決于電源電壓和反向電動(dòng)勢；其中反向電動(dòng)勢由磁場和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。在給定的負(fù)載情況下，為了得到期望的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，需要對其電流進(jìn)行控制。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩功率曲線包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)2個(gè)區(qū)域。如圖3所示，2個(gè)運(yùn)行區(qū)域的拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速稱為基速，Wmax表示最大功率，一般將F=最大轉(zhuǎn)速/基速定義為電機(jī)的弱磁比用于評價(jià)電機(jī)的弱磁深度。永磁同步電機(jī)的常見弱磁方法有以下4種：1）電壓閉環(huán)反饋法。2）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速二維查表法。3）基于電感/磁鏈參數(shù)在線公式計(jì)算法。4）開環(huán)/閉環(huán)磁鏈閉環(huán)查表法[2]。

在電動(dòng)裝載機(jī)的應(yīng)用過程中，最滿足需求的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性是在某一轉(zhuǎn)速下保持恒轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩，而在超過基速的范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩呈拋物線形式下降（恒功率）。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩功率曲線

4 電氣系統(tǒng)

低壓電氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一致，該文重點(diǎn)介紹了高壓控制部分。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)裝載機(jī)的最大優(yōu)勢在于，它可以獨(dú)立控制液壓與行走2個(gè)系統(tǒng);整車控制器VCU作為電氣系統(tǒng)的核心部件，其控制功能包括行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、能量回收、BMS系統(tǒng)、多合一、DC-DC以及其他輔助控制。整車控制器控制流程圖如圖4所示。

圖4 整車控制器控制流程圖

4.1 行走系統(tǒng)控制策略

行走控制分為行走電機(jī)控制和變速控制，因?yàn)樽兯倏刂撇糠峙c傳統(tǒng)燃油車一致，所以該文不再介紹。行走電機(jī)控制控制策略為：1）行走電機(jī)受油門信號控制。2）換檔時(shí)，行走電機(jī)使用轉(zhuǎn)速控制模式。3）當(dāng)整車啟動(dòng)但沒有掛檔時(shí)，整車控制器不響應(yīng)加速踏板信號，行走電機(jī)零轉(zhuǎn)矩輸出。4）除空檔外，其余時(shí)刻行走電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式。5）電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)倒檔功能。6）具有換向連鎖功能。

4.2 液壓系統(tǒng)控制策略

液壓系統(tǒng)控制分為液壓電機(jī)與工作裝置控制，全程采用轉(zhuǎn)速控制模式：1）無壓力需求時(shí)，液壓電機(jī)停轉(zhuǎn)。2）輸出轉(zhuǎn)速在任何時(shí)刻必須滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速操縱系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)的需求。3）工作系統(tǒng)壓力由先導(dǎo)操縱手柄控制。4）液壓電機(jī)不回收能量。

4.3 能量回收

電動(dòng)裝載機(jī)最重要的特性之一是其顯著的回收能量的能力。電動(dòng)機(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而將車輛的動(dòng)能變換為電能，并儲(chǔ)存在能量存儲(chǔ)裝置中，可以再次利用。在車輛滑行或制動(dòng)時(shí)，整車控制器檢測到滿足回收條件后，發(fā)出回收指令?；厥諚l件可以設(shè)置為：1）油門踏板開度為零或剎車信號有效。2）變速操縱換向。當(dāng)電池電量小于95%時(shí)，VCU通過計(jì)算BMS允許的最大回充電流和功率，將其與BMS允許的最大回充電流和多合一的最大限制電流進(jìn)行比較，取其中的偏小值，從而獲得BMS允許回充的最大電流值[3]。

4.4 BMS系統(tǒng)

讀取BMS相關(guān)硬線信號和狀態(tài)幀，VCU根據(jù)BMS故障列表檢測存在的各種類型功率輸出限制和回充功率限制的故障，計(jì)算出高壓系統(tǒng)允許的最大輸出電流和功率；計(jì)算BMS允許的最大回充電流和功率。此外還檢測多合一及高壓用電器狀態(tài)，判斷BMS、多合一以及高壓用電器是否有下電請求。

4.5 多合一控制策略

VCU監(jiān)測多合一發(fā)出的狀態(tài)幀，判斷BMS是否滿足2個(gè)條件：1）處于高壓上電中、高壓下電中或高壓下電完成。2）高壓用電器是否均斷開。當(dāng)滿足2個(gè)條件時(shí)，斷開所有高壓接觸器。當(dāng)不滿足條件時(shí)，再次判斷BMS是否處于高壓上電完成以及充電槍是否已連接；滿足時(shí)，閉合DC-DC接觸器，空調(diào)壓縮機(jī)根據(jù)空調(diào)指令動(dòng)作，其余接觸器均斷開；不滿足時(shí)，高壓系統(tǒng)工作。

4.6 DC-DC控制策略

DC-DC工作時(shí)有非使能和使能2種模式。當(dāng)出現(xiàn)下述任何1種情況時(shí)，DC-DC工作在非使能模式（不工作），否則工作在使能模式。以下是DC-DC工作在非使能模式的情況：1）BMS處于高壓上電中。2）BMS處于高壓下電中。3）BMS處于高壓下電完成。4）多合一心跳反饋幀丟失。5）雖然多合一心跳反饋幀未丟失，但心跳信號異常。6）BMS的狀態(tài)反饋幀丟失。7）BMS心跳異常。8）DC-DC反饋幀丟失。

5 結(jié)語

為了緩解資源與環(huán)境的雙重壓力，各國相繼出臺(tái)了一系列政策來發(fā)展新能源汽車。從當(dāng)今汽車工業(yè)的研究熱點(diǎn)來看，對新能源汽車的研究已經(jīng)成為汽車工業(yè)的發(fā)展方向，由于裝載機(jī)是最常用的土方工程機(jī)械，所以電動(dòng)裝載機(jī)也勢必會(huì)成為未來發(fā)展的新趨勢。因此對電驅(qū)技術(shù)的研究與應(yīng)用具有廣泛及深刻的意義。