基于钛酸锂电池的电动轮卡车能量回收和利用系统设计

贺志超

（诺浩科技沈阳有限公司）

矿用电动轮卡车是大型露天矿山、水利水电工 程的主要运输工具，承担矿岩石、土石方等运输任务。电动轮卡车燃油消耗巨大，燃油支出占总运输成本的30%～45%，以小松730E型卡车为例，燃油消耗量约为500 t/a，燃油支出达到350万元。由于露天矿山开采环境特殊，大型电动轮卡车会长期、频繁地工作在上坡与下坡路段，在下坡或刹车过程中，这部分能量均通过电阻栅以热能形式消耗，通过现场测量的数据，制动消耗可占总燃料消耗的25%左右。我国大型电动轮卡车保有量约5 000台，如果制动能量回收系统节油率按照10%计算，对全国20%的大型电动轮卡车进行制动能量回收改造后，每年可为生产企业节约燃油成本3.5亿元人民币，同时还可以减少CO2和尾气排放，如能把这部分制动能量回收利用，不仅可以替代一部分燃油消耗而节约成本，还进一步减少尾气排放。因此，针对大型矿车进行制动能量回收与利用具有重大的经济与社会效益［1］。

1 车辆电驱系统方案组成

本文主要针对108 t级电动轮矿卡进行系统方案设计，车辆主要参数见表1。

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混合动力电动轮驱动系统主要包含以下部分：柴油发动机及牵引发电机、集中通风装置、电气控制柜（含整车控制器、牵引逆变器、电阻斩波制动支路、动力电池、大功率双向DC/DC环节、发电机自动电压调节器）、制动电阻箱、牵引电动机等。系统组成结构如图1所示。其中，电气控制柜内的整车控制器是车辆控制中枢，负责电传动系统、司机指令及指示系统、发动机电气及调速系统、液压系统、举升/转向/制动系统、信号灯的监视和控制，进行必要的状态/数据记录、统计，并提供本地和远程数据/诊断接口［2］。驱动系统中，直流母线负责为牵引电机供电，稳定的母线电压可让电机和驱动系统更高效地运行，同时也可以减少发电机组对母线电压的反复调节。鉴于以上原因，同时考虑卡车对动力性的要求，设计了发电机+双向DC/DC+钛酸锂电池的协同供电方案，并通过整车能量协同控制策略，将车辆制动能量回收并利用。

2 动力电池类型的选择

由于露天矿山运行路况差、环境温度变化范围大、动力电池系统充放电频繁，对电池系统提出了更为严格的要求。本方案选用钛酸锂电池。钛酸锂电池正极材料由可逆脱嵌离的活性镍锰酸锂组成，负极材料是钛酸锂。与传统的以石墨为负极材料的三元锂电池和磷酸铁锂电池相比具有以下特点。

（1）安全性更高。传统锂离子电池负极为石墨，具有与金属锂很接近的电位，当过充时电极表面容易形成锂枝晶刺穿隔膜，造成正负极短路，引起电池起火甚至爆炸，而钛酸锂为负极材料时电位平台高达1.55 V，比传统石墨负极材料高出1 V，因此在低温、高倍率充电等恶劣使用环境下，钛酸锂电池也不会达到金属锂的析出电位，降低了形成锂枝晶的概率和短路风险。与三元锂或磷酸铁锂电池只能靠外部管控系统保证安全相比，钛酸锂电池是材料层级的安全。钛酸锂电池针刺短路及火烧试验如图2所示。

（2）大倍率充放电性能优异。钛酸锂电池大倍率充放电曲线如图3所示，可知，钛酸锂电池可以持续10 C高倍率充放电，放电容量可达到87.8%，以5 C放电时放电容量达到98.1%；以10 C电流充电时，充电容量达到87.7%，以5 C电流充电时，充电容量达到97.8%。

（3）循环寿命长。钛酸锂电池即便过度充电，也仅有1%的体积变化，被称为零应变材料，这使其有着极长的寿命。25℃常温时，以3 C倍率充放电循环8 700次后，电池寿命大于88%，以5 C循环4 000次后，寿命大于95%。

（4）温域宽。钛酸锂电池可以在-40～60℃条件安全使用，高低温放电曲线如图4所示。根据钛酸锂电芯在-30℃不同倍率的放电曲线得知，钛酸锂电芯低温性能优良，故无需低温预热装置；通过电芯55℃的放电曲线可以看出，在此温度下钛酸锂放电性能良好［3］。

3 电池系统参数的选择

根据整车动力性需求，满载最高车速55 km/h，在8%坡度满载爬坡时车速10 km/h，在8%坡度下坡车速26 km/h，分别计算整车功率需求。

最高车速时需求功率为［4］

式中，ηt为机械传动效率，0.96；m为车辆满载质量，193 000 kg；g为重力加速度，9.8 m/s2；f为滚动阻力系数，0.02；Cd为风阻系数；A为迎风面积，30 m2；Vmax为车辆最高速度，55 km/h。

计算得出PN=660 kW。

满载爬坡时功率需求为

式中，α为爬坡坡度比，4.57；Vi为爬坡车速，12 km/h；其他参数符号意义同上。

计算得出Pa=650 kW。

满载匀速下坡时车辆需求的制动功率为

式中，α为爬坡坡度比，4.57；Vo为下坡车速，26 km/h；其他参数符号意义同上。

计算得出Pb=850 kW。

从以上计算可知，动力电池作为牵引动力源时，提供功率需大于660 kW；制动回馈回充时，回充功率需大于850 kW。由于钛酸锂电池可以5 C持续充放电，同时考虑电池在车辆上的安装，选定电池电量为200 kWh，5 C充放电功率可达1 000 kW，可以满足车辆动力性的需求。车辆选取钛酸锂电池组参数见表2。

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4 大功率双向DC/DC控制方案

电动轮卡车直流母线电压达到DC 1300 V，钛酸锂电池组电压相对较低，因此，不能直接与母线连接，需要通过DC/DC变换电路实现不同电压等级之间的充放电控制。双向DC/DC主回路方案如图5所示。由大功率IGBT器件S1、S2、S3、S4构成DC/DC变换电路，钛酸锂电池经过滤波电感、快熔、接触器接入DC/DC变换器。S3和S4可构成双向能量变换电路，DC/DC变换器输出到车辆直流母线，实现能量的双向流动。

制动能量回收过程工作原理如图6所示。车辆制动时，DC/DC变换电路的S2和S1的反并联二极管工作，电路运行在BOOST状态，变换电路的S3和S4的反并联二极管工作，电路运行在BUCK状态，车辆制动时的瞬能量由动力电池吸收，DC/DC维持母线电压稳定。

制动能量释放再利用工作原理如图7所示。当驾驶员踩下油门时，车辆处于行驶模式，动力电池放电。车辆侧的S1和S2的反并联二极管工作，电路运行在BUCK状态，动力电池侧的S4和S3的反并联二极管工作，电路运行在BOOST状态。

5 发电机组控制方案

发电机作为车辆主要能量来源，负责向直流母线供电，具体原理如图8所示，其中，Pref为发电机输出功率，Tref为转矩，f为转矩函数，由于车辆的动力性能不再取决于发动机的速度特性，因此，发动机可根据燃油经济性选择运行工况，控制系统根据发动机的最佳油耗曲线得出发动机的目标转速［5］，同时根据发电机组参考功率Pref和参考转速nref计算发电机电磁主动转矩，通过控制发动机转速和发电机的电磁转矩，实现对发电机组输出功率的控制。

6 能量回收和利用控制策略

整车的协同控制系统由车辆动力控制系统和能量管理系统组成，其中，车辆动力系统实现车辆动力输出控制、稳定性控制、防止轮胎打滑控制、电子差速控制；能量管理系统实现发动机和发电机组控制、钛酸锂电池充放电控制、双向DC/DC功率跟随控制，其根据车辆实际状态确定发电机组、钛酸锂电池、DC/DC间的能量供应，保证整车的动力性和经济性。车辆的油门开度对应整车的功率需求，而发电机、电池两者输出功率经过发电机、整流器、DC/DC、逆变器传递给驱动电动机的构成会有一定能量损失。目标需求功率P1=Pout/η，其中，η为传动效率，将P1作为发电机组和电池组的目标跟随功率，整车需求功率优先由发电机组提供（纯电动模式除外），若需求功率在发电机组能力范围内，发电机组除目标需求功率外，还需提供保持母线电压稳定的动态调节功率。若需求功率超过发电机最大输出能力，不足部分由动力电池提供，控制系统根据车辆的行驶和制动状态，得出发电机的发电功率和DC/DC及动力电池组的充放电功率。

车辆状态与能量协调控制所需的各项参数可通过整车CAN总线获得，根据油门开度可以确定车辆状态，油门开度K>0表示车辆为行驶状态，K=0表示车辆处于滑行状态，K=0并且制动踏板开度L>0时表示车辆处于制动状态。车辆的驱动方式主要包括发电机组单独驱动、纯电驱动、混动驱动3种模式，车辆起步阶段，以钛酸锂电池为动力源，以纯电动模式行驶；当车速、油门达到目标值时，由发电机组单独驱动行驶；当油门接近全开、车辆急加速或需求功率超过发电机组功率且动力电池剩余电量充足时，采用混动模式行驶，由发电机组和动力电池共同驱动车辆［6］。当钛酸锂电池SOC低于20%时，发电机组需提高输出功率，在增程模式工作，为车辆提供动力，同时给钛酸锂电池充电，保证电池工作在较好的SOC区间。车辆的制动功率根据制动踏板开度和车速、制动力矩大小等参数确定。车辆在制动时，发动机处于怠速状态，发电机组不发电，根据车辆速度和制动踏板的开度，输出相应的制动力矩，优先由钛酸锂电池组回收制动能量，减少电阻栅的投入使用，达到节能降耗的目标。

发电机的参考功率确定方法如下：发电机组单独供电且不需要对整车稳定性进行控制时，以控制直流母线电压恒定为目标，动态调节发电机组功率；若车辆处于混合能量源供电驱动或需要对整车稳定性进行控制时，说明车辆需求功率超过发电机组输出能力，则发电机保持最大输出功率。车辆制动或纯电驱动模式时，为避免发动机反复启停，降低发电机组寿命，发电机怠速运行，同时维持车辆转向系统和冷却系统运行。

动力电池组用于纯电驱动或混合动力工况时为直流母线供电，放电功率由整车需求功率与发电机的参考功率之差确定，最小值为零，最大值不超过动力电池组最大输出能力。动力电池组处于制动能量回收模式时，系统根据车辆当前车速、刹车踏板开度控制输出电机的制动扭矩，从而控制动力电池组的回充功率，系统最大制动功率为1 000 kW。

7 结论

结合大型电动轮卡车的运行特点，围绕其制动能量回收与利用系统进行技术研究。针对电动轮卡车直流母线电压高、系统功率大、制动过程中短时制动功率大及总制动能量大的特点，在主电路直流母线环节增加双向大功率DC/DC和钛酸锂电池储能方案，并采用车辆能量协同的控制策略，优化发电机组的工作曲线，实现对制动能量的高效回收和利用，可以降低发动机油耗20%以上，减少尾气排放。同时制动电阻栅在电池系统正常运行时，不需要投入工作，作为制动系统的冗余方案，双向DC/DC可维持直流母线电压的稳定，提升了电动轮卡车的可靠性和安全性。