防爆鋰電池車輛動(dòng)力系統(tǒng)的研究*

祁宏

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

近年來，隨著鋰電池技術(shù)的不斷突破，鋰電池的安全性不斷提高。井下防爆鋰電池車輛因具有零排放、低噪音、高比能量等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被各大煤礦用戶所接受，很好地解決了目前防爆柴驅(qū)車輛發(fā)展的瓶頸問題。但我國煤礦數(shù)量眾多且分布廣泛，井下使用條件參差不齊，復(fù)雜惡劣的使用工況對(duì)車輛的動(dòng)力總成提出了更加苛刻的要求：對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)要求比較高(頻繁的啟停、上下坡、加減速)，并能夠適應(yīng)極限工況，附加能量回饋的性能；要求動(dòng)力電池比能量高、安全性好等。排除電動(dòng)機(jī)和電池技術(shù)等客觀因素的影響，車輛動(dòng)力總成設(shè)計(jì)的合理性也是影響整車性能的重要因素。研究車輛動(dòng)力總成對(duì)于提升整車性能至關(guān)重要[1-2]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)的組成及功能

電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的功能為將車載電能轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動(dòng)能，保證車輛正常運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)一般由車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載能量系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)的匹配程度直接影響整車性能，尤其是防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和防爆動(dòng)力電池的匹配程度,對(duì)礦用純電動(dòng)防爆車輛的整車性能產(chǎn)生重大影響。本文以防爆鋰電池人車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配為例，研究了防爆鋰電池車輛的動(dòng)力總成。車輛的基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求如表1和表2所示。

表1 整車的基本參數(shù)

表2 整車性能指標(biāo)要求

2 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配

2.1 車輛傳動(dòng)方式選型

車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是將電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩傳遞到車輪上，所選傳動(dòng)型式的不同，將直接影響到車輛效率。電驅(qū)動(dòng)車輛常用傳動(dòng)型式和傳動(dòng)效率如表3所示[4]。設(shè)計(jì)時(shí)為了減輕車重，提高傳動(dòng)效率，常以結(jié)構(gòu)簡單的定比減速器取代方案2中笨重的變速箱，即“電動(dòng)機(jī)+減速器+驅(qū)動(dòng)橋+輪胎”。

表3 傳動(dòng)方式對(duì)比

2.2 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配及選型

礦用防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為滿足防爆車輛復(fù)雜的使用條件，一般通過電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率等參數(shù)來設(shè)計(jì)匹配[3]。

2.2.1 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率直接關(guān)系到車輛的動(dòng)力性。電動(dòng)機(jī)功率越大，車輛的加速性和爬坡性越好，但電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的增大;同時(shí),電動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)的時(shí)間短，不利于車輛的能量利用率，降低了車輛的續(xù)航里程。防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大功率Pmax一般由車輛最高車速和最大爬坡度時(shí)所需的功率共同決定，即：

(1)

(2)

Pmax≥max{P1,P2}

(3)

式中：P1為按照最高車速計(jì)算的防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率；P2為按照最大爬坡度計(jì)算防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率；uα為爬坡速度。

2.2.2 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速

額定轉(zhuǎn)矩是防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)長時(shí)間、高效率工作的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)滿足車輛較長距離爬坡的需求，通常按照車輛7°坡連續(xù)運(yùn)行3 km的工況進(jìn)行考核。最大轉(zhuǎn)矩為防爆電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載轉(zhuǎn)矩，通常匹配車輛坡道起步能力或短距離極限爬坡能力。對(duì)于固定傳動(dòng)比車輛，防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速直接決定車輛最高車速。額定轉(zhuǎn)速的選取則會(huì)影響到車輛經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車速區(qū)間的分布，直接影響車輛續(xù)駛里程。

防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN：

(4)

防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)通常位于額定轉(zhuǎn)速附近。為提高車輛的經(jīng)濟(jì)性，通常將車輛常用車速或經(jīng)濟(jì)車速對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速相匹配，即：

(5)

式中：ig為減速器速比；i0為主減速比；uc為車輛經(jīng)濟(jì)車速。

2.2.3 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)效率

防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)除了應(yīng)具備上述要求的機(jī)械特性外，整個(gè)工作區(qū)域具有高效率也至關(guān)重要。由純電動(dòng)防爆車輛整個(gè)運(yùn)行工況可知，防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不單單工作在某一額定點(diǎn)，而是一個(gè)工作區(qū)域。因此，要求防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性區(qū)域內(nèi)應(yīng)有高效率。選用時(shí)為了得到最佳的經(jīng)濟(jì)性能，應(yīng)確保防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻繁工作區(qū)域完全處在高效率區(qū)。

鑒于防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)往往與電動(dòng)機(jī)控制器配合運(yùn)行，僅僅考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的效率對(duì)研究整車動(dòng)力系統(tǒng)作用不夠明顯。在設(shè)計(jì)過程中常研究防爆電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的效率：

η=η1η2

(6)

式中：η為防爆電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率；η1為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在某一點(diǎn)的效率；η2為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制器在某一點(diǎn)的效率。

一般將系統(tǒng)效率在85%以上的工作點(diǎn)定義為高效工作點(diǎn)。當(dāng)前行業(yè)通常要求效率大于85%的效率區(qū)占整個(gè)工作區(qū)的85%以上，即“雙重85%評(píng)估系統(tǒng)”。基于上述研究，防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率MAP圖如圖1所示[4],防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)及控制系統(tǒng)匹配結(jié)果如表4和表5所示。

圖1 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率MAP圖

2.3 防爆動(dòng)力電池參數(shù)匹配及選型

鑒于鋰離子蓄電池在煤礦中應(yīng)用，對(duì)其安全性提出了更加嚴(yán)格的要求。根據(jù)最新的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，目前井下防爆鋰電池車輛均采用磷酸鐵鋰單體電池，并將單體電池安置在經(jīng)過打壓試驗(yàn)的防爆電池箱內(nèi)。對(duì)電池組匹配如下。

車輛以等速ue行駛時(shí)，電池負(fù)載功率為：

(7)

式中：P為電池負(fù)載功率；η為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率；ηb為防爆動(dòng)力電池組放電效率。

車輛按照車速ue等速行駛距離S消耗的能量為：

(8)

單位里程消耗的能量為：

(9)

車載電池組的放電容量、單體放電電流與溫度存在一定關(guān)系。電池組放電容量為：

表4 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果

表5 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率匹配結(jié)果

(10)

蓄電池需求數(shù)量為：

(11)

式中：C為電池組放電容量；U0為蓄電池單體電壓；ξ(C)為放電過程溫度與電流的影響因數(shù)；C1為蓄電池單體額定容量。

防爆動(dòng)力電池組容量的增加會(huì)提升續(xù)駛里程，但同時(shí)也導(dǎo)致整備質(zhì)量增加，能耗增大，又會(huì)抑制續(xù)駛里程。為了更好地研究電池組容量和質(zhì)量之間的相互關(guān)系，本文引入防爆鋰離子蓄電池電源裝置荷電狀態(tài)(SOC)質(zhì)量比系數(shù)：

(12)

m=nmb+mP+mo

(13)

式中：m為防爆鋰離子蓄電池電源裝置的質(zhì)量；mb為防爆單體電池的質(zhì)量；mP為防爆鋰離子蓄電池電源裝置隔爆箱體的質(zhì)量；mo為電池管理系統(tǒng)、線束、開關(guān)等附件的質(zhì)量。

通過以上計(jì)算分析及標(biāo)準(zhǔn)，電池組的匹配結(jié)果如表6所示。單體類型為磷碳鐵鋰，工作溫度0～55 ℃(充電)；-20～55 ℃(放電)。

表6 礦用隔爆型鋰離子蓄電池電源匹配結(jié)果

2.4 傳動(dòng)裝置速比的匹配

確定防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出特性后，傳動(dòng)比的選擇完全取決于車輛動(dòng)力性能的要求，即滿足車輛最高預(yù)期速度、最大爬坡度的要求。

1) 最小傳動(dòng)比的確定(根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最高車速計(jì)算)：

(14)

2) 最小傳動(dòng)比的確定(根據(jù)最大爬坡度計(jì)算)：

(15)

則傳動(dòng)比的區(qū)間為[imin,imax]，采用區(qū)間優(yōu)化算法并兼顧現(xiàn)有傳動(dòng)零部件參數(shù)，匹配結(jié)果如表7所示。

表7 傳動(dòng)系統(tǒng)速比的匹配結(jié)果

3 整車性能仿真與分析

利用Matlab/Simulink分別建立防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、礦用隔爆型鋰離子蓄電池電源、主減速器和變速器各模塊仿真模型，布局按照整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。將以上各模塊進(jìn)行封裝連接構(gòu)成整車仿真模型進(jìn)行分析[5-6]。

3.1 動(dòng)力性仿真分析

井下防爆車輛的動(dòng)力性仿真主要關(guān)注最高車速、爬坡性能。仿真結(jié)果：最高車速43.7 km/h；最大爬坡度14.5°；坡道起步能力12.6°。仿真結(jié)果符合表2中整車性能指標(biāo)要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性仿真分析

經(jīng)濟(jì)性仿真基于20 km/h等速行駛工況和王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況，評(píng)估車輛的續(xù)航里程和單位里程能耗率。王家?guī)X輔助運(yùn)輸巷道的工作狀況為單向18 km，如圖2所示。路面條件為全部硬化，伴有淋水和積水。

等速行駛工況法：每公里能量消耗率為0.53 kW·h，運(yùn)行過程中SOC隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。

王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況：每公里能量消耗率為0.62 kW·h，動(dòng)力電池SOC變化情況如圖4所示。

圖2 王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況簡圖

圖3 等速行駛下車輛運(yùn)行情況

圖4 王家?guī)X煤礦工況下動(dòng)力電池SOC變化情況

基于防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)MAP圖，仿真得出車輛在王家?guī)X輔運(yùn)大巷運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)MAP圖及模擬工況點(diǎn)的分布情況

由圖5可知，防爆電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍為0～4 000 r/min，轉(zhuǎn)矩落在最大轉(zhuǎn)矩包絡(luò)曲線內(nèi)，較好地滿足該工況下最高車速、最大坡度及加速性能要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)防爆鋰電池車輛動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算與匹配，并運(yùn)用軟件分析與試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果加以驗(yàn)證，得出該車輛動(dòng)力系統(tǒng)高效可靠，能夠保證車輛在起動(dòng)和上坡時(shí)具有低速、大扭矩的輸出特性，在正常運(yùn)行期間具有高速和低扭矩特性，滿足車輛復(fù)雜多變的工況要求。