賀志超

（諾浩科技沈陽有限公司）

礦用電動輪卡車是大型露天礦山、水利水電工 程的主要運輸工具，承擔礦巖石、土石方等運輸任務。電動輪卡車燃油消耗巨大，燃油支出占總運輸成本的30%～45%，以小松730E型卡車為例，燃油消耗量約為500 t/a，燃油支出達到350萬元。由于露天礦山開采環(huán)境特殊，大型電動輪卡車會長期、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)，制動消耗可占總燃料消耗的25%左右。我國大型電動輪卡車保有量約5 000臺，如果制動能量回收系統(tǒng)節(jié)油率按照10%計算，對全國20%的大型電動輪卡車進行制動能量回收改造后，每年可為生產企業(yè)節(jié)約燃油成本3.5億元人民幣，同時還可以減少CO2和尾氣排放，如能把這部分制動能量回收利用，不僅可以替代一部分燃油消耗而節(jié)約成本，還進一步減少尾氣排放。因此，針對大型礦車進行制動能量回收與利用具有重大的經濟與社會效益［1］。

1 車輛電驅系統(tǒng)方案組成

本文主要針對108 t級電動輪礦卡進行系統(tǒng)方案設計，車輛主要參數(shù)見表1。

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混合動力電動輪驅動系統(tǒng)主要包含以下部分：柴油發(fā)動機及牽引發(fā)電機、集中通風裝置、電氣控制柜（含整車控制器、牽引逆變器、電阻斬波制動支路、動力電池、大功率雙向DC/DC環(huán)節(jié)、發(fā)電機自動電壓調節(jié)器）、制動電阻箱、牽引電動機等。系統(tǒng)組成結構如圖1所示。其中，電氣控制柜內的整車控制器是車輛控制中樞，負責電傳動系統(tǒng)、司機指令及指示系統(tǒng)、發(fā)動機電氣及調速系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、舉升/轉向/制動系統(tǒng)、信號燈的監(jiān)視和控制，進行必要的狀態(tài)/數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計，并提供本地和遠程數(shù)據(jù)/診斷接口［2］。驅動系統(tǒng)中，直流母線負責為牽引電機供電，穩(wěn)定的母線電壓可讓電機和驅動系統(tǒng)更高效地運行，同時也可以減少發(fā)電機組對母線電壓的反復調節(jié)。鑒于以上原因，同時考慮卡車對動力性的要求，設計了發(fā)電機+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，將車輛制動能量回收并利用。

2 動力電池類型的選擇

由于露天礦山運行路況差、環(huán)境溫度變化范圍大、動力電池系統(tǒng)充放電頻繁，對電池系統(tǒng)提出了更為嚴格的要求。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，負極材料是鈦酸鋰。與傳統(tǒng)的以石墨為負極材料的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池相比具有以下特點。

（1）安全性更高。傳統(tǒng)鋰離子電池負極為石墨，具有與金屬鋰很接近的電位，當過充時電極表面容易形成鋰枝晶刺穿隔膜，造成正負極短路，引起電池起火甚至爆炸，而鈦酸鋰為負極材料時電位平臺高達1.55 V，比傳統(tǒng)石墨負極材料高出1 V，因此在低溫、高倍率充電等惡劣使用環(huán)境下，鈦酸鋰電池也不會達到金屬鋰的析出電位，降低了形成鋰枝晶的概率和短路風險。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，放電容量可達到87.8%，以5 C放電時放電容量達到98.1%；以10 C電流充電時，充電容量達到87.7%，以5 C電流充電時，充電容量達到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，被稱為零應變材料，這使其有著極長的壽命。25℃常溫時，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）溫域寬。鈦酸鋰電池可以在-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)整車動力性需求，滿載最高車速55 km/h，在8%坡度滿載爬坡時車速10 km/h，在8%坡度下坡車速26 km/h，分別計算整車功率需求。

最高車速時需求功率為［4］

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

計算得出PN=660 kW。

滿載爬坡時功率需求為

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。

計算得出Pa=650 kW。

滿載勻速下坡時車輛需求的制動功率為

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。

計算得出Pb=850 kW。

從以上計算可知，動力電池作為牽引動力源時，提供功率需大于660 kW；制動回饋回充時，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1 000 kW，可以滿足車輛動力性的需求。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

電動輪卡車直流母線電壓達到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構成DC/DC變換電路，鈦酸鋰電池經過濾波電感、快熔、接觸器接入DC/DC變換器。S3和S4可構成雙向能量變換電路，DC/DC變換器輸出到車輛直流母線，實現(xiàn)能量的雙向流動。

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

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

5 發(fā)電機組控制方案

發(fā)電機作為車輛主要能量來源，負責向直流母線供電，具體原理如圖8所示，其中，Pref為發(fā)電機輸出功率，Tref為轉矩，f為轉矩函數(shù)，由于車輛的動力性能不再取決于發(fā)動機的速度特性，因此，發(fā)動機可根據(jù)燃油經濟性選擇運行工況，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機的最佳油耗曲線得出發(fā)動機的目標轉速［5］，同時根據(jù)發(fā)電機組參考功率Pref和參考轉速nref計算發(fā)電機電磁主動轉矩，通過控制發(fā)動機轉速和發(fā)電機的電磁轉矩，實現(xiàn)對發(fā)電機組輸出功率的控制。

6 能量回收和利用控制策略

整車的協(xié)同控制系統(tǒng)由車輛動力控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)組成，其中，車輛動力系統(tǒng)實現(xiàn)車輛動力輸出控制、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)實現(xiàn)發(fā)動機和發(fā)電機組控制、鈦酸鋰電池充放電控制、雙向DC/DC功率跟隨控制，其根據(jù)車輛實際狀態(tài)確定發(fā)電機組、鈦酸鋰電池、DC/DC間的能量供應，保證整車的動力性和經濟性。車輛的油門開度對應整車的功率需求，而發(fā)電機、電池兩者輸出功率經過發(fā)電機、整流器、DC/DC、逆變器傳遞給驅動電動機的構成會有一定能量損失。目標需求功率P1=Pout/η，其中，η為傳動效率，將P1作為發(fā)電機組和電池組的目標跟隨功率，整車需求功率優(yōu)先由發(fā)電機組提供（純電動模式除外），若需求功率在發(fā)電機組能力范圍內，發(fā)電機組除目標需求功率外，還需提供保持母線電壓穩(wěn)定的動態(tài)調節(jié)功率。若需求功率超過發(fā)電機最大輸出能力，不足部分由動力電池提供，控制系統(tǒng)根據(jù)車輛的行駛和制動狀態(tài)，得出發(fā)電機的發(fā)電功率和DC/DC及動力電池組的充放電功率。

車輛狀態(tài)與能量協(xié)調控制所需的各項參數(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并且制動踏板開度L>0時表示車輛處于制動狀態(tài)。車輛的驅動方式主要包括發(fā)電機組單獨驅動、純電驅動、混動驅動3種模式，車輛起步階段，以鈦酸鋰電池為動力源，以純電動模式行駛；當車速、油門達到目標值時，由發(fā)電機組單獨驅動行駛；當油門接近全開、車輛急加速或需求功率超過發(fā)電機組功率且動力電池剩余電量充足時，采用混動模式行駛，由發(fā)電機組和動力電池共同驅動車輛［6］。當鈦酸鋰電池SOC低于20%時，發(fā)電機組需提高輸出功率，在增程模式工作，為車輛提供動力，同時給鈦酸鋰電池充電，保證電池工作在較好的SOC區(qū)間。車輛的制動功率根據(jù)制動踏板開度和車速、制動力矩大小等參數(shù)確定。車輛在制動時，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，發(fā)電機組不發(fā)電，根據(jù)車輛速度和制動踏板的開度，輸出相應的制動力矩，優(yōu)先由鈦酸鋰電池組回收制動能量，減少電阻柵的投入使用，達到節(jié)能降耗的目標。

發(fā)電機的參考功率確定方法如下：發(fā)電機組單獨供電且不需要對整車穩(wěn)定性進行控制時，以控制直流母線電壓恒定為目標，動態(tài)調節(jié)發(fā)電機組功率；若車輛處于混合能量源供電驅動或需要對整車穩(wěn)定性進行控制時，說明車輛需求功率超過發(fā)電機組輸出能力，則發(fā)電機保持最大輸出功率。車輛制動或純電驅動模式時，為避免發(fā)動機反復啟停，降低發(fā)電機組壽命，發(fā)電機怠速運行，同時維持車輛轉向系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)運行。

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

7 結論

結合大型電動輪卡車的運行特點，圍繞其制動能量回收與利用系統(tǒng)進行技術研究。針對電動輪卡車直流母線電壓高、系統(tǒng)功率大、制動過程中短時制動功率大及總制動能量大的特點，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)電機組的工作曲線，實現(xiàn)對制動能量的高效回收和利用，可以降低發(fā)動機油耗20%以上，減少尾氣排放。同時制動電阻柵在電池系統(tǒng)正常運行時，不需要投入工作，作為制動系統(tǒng)的冗余方案，雙向DC/DC可維持直流母線電壓的穩(wěn)定，提升了電動輪卡車的可靠性和安全性。