浅谈电动装载机的发展应用与研究

2020-02-23

中国新技术新产品 2020年24期

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州 545007）

0 前言

装载机是最常用的土方工程机械，在整个社会提倡绿色、环保和节能的大环境下，绿色工程机械也成为发展的新趋势，电驱动技术是研究装载机节能减排技术的热点之一。电动装载机采用电动机作为牵引装置，并应用化学蓄电池组、动力电池组作为动力能源，与传统内燃机相比有许多优点，因为它在使用过程中可以实现零排放、零污染，所以电动装载机具有良好的发展前景。

1 电动装载机结构

相比于其他类型的新能源车，纯电动车完全依靠存储在动力电池中的电能来实现驱动，其基本结构包括电气系统、电池系统及电机系统，如图1所示。

图1 电装原理框

2.1 动力电池发展史

动力电池的第一代为铅酸电池，主要是阀控式铅酸电池。其优点是价格低廉、放电性能良好、原料资源丰富、以及倍率性能好；缺点是比能量低和环境污染大。第二代为镍氢电池，其优点是功率密度高、环保无污染、工作电压低以及价格高。第三代为锂离子电池，其优点是比能量高、电压平台高、循环性能好、充放电效率高以及环保无污染。

2.2 动力锂离子电池

锂离子电池是Li+在正、负极之间反复进行脱出和嵌入的1种高能二次电池。目前动力电池有MH-Ni电池和锂离子电池，动力锂离子电池的质量比能量为120 W·h/kg～150 W·h/kg，不仅能量高于MH-Ni电池，而且10 s内的质量比功率可达1 000 W/kg以上，其性能优于MH-Ni电池。

锂离子主要有以下6个优点：1）电压高。锂离子单电芯的电压为3.6 V，而MH-Ni电芯的电压仅为1.2 V，因而具有更高的质量比能量。2）存储和循环寿命长。单体电芯循环使用寿命可达3 000次。3）荷电保持能力强。当环境温度为（20±5）℃时，并在开路状态下存储30天后，电池常温放电容量为额定容量的85%。4）环境污染低。锂离子电池不含铅、镉和汞等有害物质，对环境污染低。5）无记忆效应。其可以进行反复充、放电。6）工作温度范围广。锂离子电池通常在温度为-20 ℃～ 60 ℃的条件下工作。

目前市场上有钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂、锰酸锂以及钛酸锂可供选择：1）钴酸锂。其抗过充性能差，不安全；且钴有放射性，不环保；钴是储量少的贵重金属，成本高，一般用于CE产品。2）磷酸铁锂。其电压平台很平，能量发挥好；储量大便宜；几乎无热失控（热失控温度在800 ℃以上），很安全。3）三元锂。其电压平台斜率高，算法精度高；稀有金属多；热失控温度为200 ℃，需要多方面系统结合满足安全性。4）锰酸锂。其克容量低，压实密度高，总体能量密度与铁锂相当；最大问题是在较高温度工作时易溶解且衰减快；虽然在掺杂和表面处理上有所改善，但稳定性、安全性不及磷酸铁锂。5）钛酸锂。平台电压低，系统连接多，存在高温胀气问题且成本高。

综上所述，磷酸铁锂具有安全、使用寿命长以及成本低廉的优点，是装载机设计应用的首选。锂离子化学体系的选择见表1。

表1 锂离子化学体系选择

2.3 BMS系统

BMS系统是指电池的管理系统，它是由不同功能的模块组成的，不同模块通过CAN总线完成信息数据的交换。BMS系统，是对电池进行管理的系统，同时也是电池系统的大脑。

动力电池管理系统结构框图，如图2所示，动力电池的状态信息采集模块通过CAN总线与整车控制器VCU通信。

动力电池管理系统在系统设计时需要考虑以下11个方面的内容：1）对单体电池或电池组电压的检测。2）对电池组温度和环境温度的检测。3）对电池组工作电流的检测。4）对电池组漏电绝缘的检测。5）对电池组的散热管理。6）对电池组充放电次数记录。7）对电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值（SOC）进行估算8）对电池组故障诊断和故障报警。9）与车载设备通过CAN总线通信，为整车控制提供必要的电池数据。10）对电池组过流、过压和温度保护。11）对电池组充放电限值进行控制。

图2 动力电池管理系统结构框图

由于电池长期处于使用状态，它必然会出现老化或劣化的情况，因此必须检测电池的健康状况（SOH）。SOH的定义是在标准条件下动力电池在充满电的状态下，以一定倍率放电到截止电压时所放出的容量与其所对应的标称容量的比值，该比值是电池健康状况的一种反应。简单来讲，也就是电池使用一段时间后某些直接可测或间接计算得到的性能参数（例如内阻和电容等）的实际值与标称值的比值，它可以用来判断电池健康状况下降后的状态，从而衡量电池的健康程度。一般情况下，SOC描述的是电流参数的短期变化；SOH描述的是电流参数的长期变化。SOH不需要进行连续地测量，只要定期测量就可以。为了测定电池的健康状态，必须知道实际的SOC。

SOC是BMS的核心，BMS是动力电池的核心，动力电池则是新能源汽车的核心，因此SOC对新能源汽车至关重要。如果没有准确的SOC，就会出现以下3种情况：1）电池过冲/过放，从而导致电池寿命缩短、汽车趴窝等。2）均衡的一致性效果不理想，导致输出功率降低、动力性能降低。3）为了避免趴窝，设置过多冗余电量，减少整体能量输出。目前估算SOC的主要方法有放电实验法、安时积分法、开路电压法、神经网络法、负载电流法、内阻法和卡尔曼滤波法等。

3 电机系统

电驱动系统是电动装载机的核心，它是由电机和电机控制器组成的[1]。电机将电能转换为机械能，或者将机械能转化为电能，该电能可以给电气系统供电，也可以给动力电池充电。电机分为静止电机、旋转电机和直线电机3个大类；其中，旋转电机可细分为直流电机（有刷直流电机、无刷直流电机）与交流电机（开关磁阻电机、永磁同步电机、励磁同步电机、绕线式异步电机以及鼠笼式异步电机）。

直流电机具有调速性能良好、启动性能好、恒功率范围较宽、控制较为简单以及价格便宜的优点；它的缺点是效率低、维护工作量大、转速低以及质量和体积大。交流异步电机具有效率高、成本低、结构简单、制造方便以及可靠性强的优点；它的缺点是体积大、质量大以及功率密度低。永磁同步电机具有体积小、轻量化以及功率密度高的优点；它的缺点是：成本高。开关磁阻电机具有结构简单、效率高、成本低以及调速灵活的优点；它的缺点是转矩脉动较大以及噪声大。

因为与用于工业领域的电机不同，用于电动装载机的电机需要进行频繁的启动和停止以及高变化率的加速度/减速度；所以电动装载机采用永磁同步电机。永磁同步电机可以避免传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜耗。具有效率高、体积小、易控制、易冷却、维护成本低、寿命长、可靠性高以及噪声低的优点。

转速—转矩性能对电动装载机来说是最重要的。磁场与电流相互作用产生转矩。永磁同步电机中的磁场由永磁体产生，而电流取决于电源电压和反向电动势；其中反向电动势由磁场和电动机转速决定。在给定的负载情况下，为了得到期望的转速和转矩，需要对其电流进行控制。

永磁同步电机的转矩功率曲线包括恒转矩区和恒功率区2个区域。如图3所示，2个运行区域的拐点转速称为基速，Wmax表示最大功率，一般将F=最大转速/基速定义为电机的弱磁比用于评价电机的弱磁深度。永磁同步电机的常见弱磁方法有以下4种：1）电压闭环反馈法。2）转矩转速二维查表法。3）基于电感/磁链参数在线公式计算法。4）开环/闭环磁链闭环查表法[2]。

在电动装载机的应用过程中，最满足需求的转速-转矩特性是在某一转速下保持恒转矩的转速—转矩，而在超过基速的范围内，随着转速的增加，转矩呈抛物线形式下降（恒功率）。

图3 电机转矩功率曲线

4 电气系统

低压电气系统与传统内燃机一致，该文重点介绍了高压控制部分。与传统燃油车相比，电动装载机的最大优势在于，它可以独立控制液压与行走2个系统;整车控制器VCU作为电气系统的核心部件，其控制功能包括行走系统、液压系统、能量回收、BMS系统、多合一、DC-DC以及其他辅助控制。整车控制器控制流程图如图4所示。

图4 整车控制器控制流程图

4.1 行走系统控制策略

行走控制分为行走电机控制和变速控制，因为变速控制部分与传统燃油车一致，所以该文不再介绍。行走电机控制控制策略为：1）行走电机受油门信号控制。2）换档时，行走电机使用转速控制模式。3）当整车启动但没有挂档时，整车控制器不响应加速踏板信号，行走电机零转矩输出。4）除空档外，其余时刻行走电机采用转矩控制模式。5）电机反转，实现倒档功能。6）具有换向连锁功能。

4.2 液压系统控制策略

液压系统控制分为液压电机与工作装置控制，全程采用转速控制模式：1）无压力需求时，液压电机停转。2）输出转速在任何时刻必须满足转向系统、变速操纵系统及制动系统的需求。3）工作系统压力由先导操纵手柄控制。4）液压电机不回收能量。

4.3 能量回收

电动装载机最重要的特性之一是其显著的回收能量的能力。电动机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能变换为电能，并储存在能量存储装置中，可以再次利用。在车辆滑行或制动时，整车控制器检测到满足回收条件后，发出回收指令。回收条件可以设置为：1）油门踏板开度为零或刹车信号有效。2）变速操纵换向。当电池电量小于95%时，VCU通过计算BMS允许的最大回充电流和功率，将其与BMS允许的最大回充电流和多合一的最大限制电流进行比较，取其中的偏小值，从而获得BMS允许回充的最大电流值[3]。

4.4 BMS系统

读取BMS相关硬线信号和状态帧，VCU根据BMS故障列表检测存在的各种类型功率输出限制和回充功率限制的故障，计算出高压系统允许的最大输出电流和功率；计算BMS允许的最大回充电流和功率。此外还检测多合一及高压用电器状态，判断BMS、多合一以及高压用电器是否有下电请求。

4.5 多合一控制策略

VCU监测多合一发出的状态帧，判断BMS是否满足2个条件：1）处于高压上电中、高压下电中或高压下电完成。2）高压用电器是否均断开。当满足2个条件时，断开所有高压接触器。当不满足条件时，再次判断BMS是否处于高压上电完成以及充电枪是否已连接；满足时，闭合DC-DC接触器，空调压缩机根据空调指令动作，其余接触器均断开；不满足时，高压系统工作。

4.6 DC-DC控制策略

DC-DC工作时有非使能和使能2种模式。当出现下述任何1种情况时，DC-DC工作在非使能模式（不工作），否则工作在使能模式。以下是DC-DC工作在非使能模式的情况：1）BMS处于高压上电中。2）BMS处于高压下电中。3）BMS处于高压下电完成。4）多合一心跳反馈帧丢失。5）虽然多合一心跳反馈帧未丢失，但心跳信号异常。6）BMS的状态反馈帧丢失。7）BMS心跳异常。8）DC-DC反馈帧丢失。