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电动挖掘机动力电池系统设计及仿真

2024-11-11 83 上传者：管理员

摘要：电动挖掘机一般是在传统液压挖掘机的基础上进行电气化改造，改进其传动结构，由电动机取代柴油机，电动机由动力电池组或者外部电源供电，进而驱动液压泵带动液压系统工作，通过对电动机转速的控制实现挖掘机工作状态的调节。设计一种液冷电动挖掘机的电池系统，通过理论计算动力电池系统的匹配性，并对电池系统进行热电综合仿真，验证电动挖掘机电池系统的温升和可靠性。

关键词：
“三电”
液冷
电动挖掘机
电池系统
设计仿真
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1、引言

近年来，“三电”技术逐步成熟，使电动化产品制造成本不断降低，工程机械作为生产资料，电动化产品相比燃油产品的全生命周期成本逐步具备吸引力和经济性，电动化成为工程机械绿色发展的重要方向之一。

纯电动挖掘机由电池组供电，能量输出依靠电池系统的储能。电动挖掘机功率较大，需要电池具有较髙的容量。蓄电池的容量决定了工作续航时间；较大容量的电池可以维持较长的系统工作时间，但是大容量电池意味着较大的电池组重量及体积，会影响整机的续航能力。目前，安全性较高的磷酸铁锂（LFP）电池受到电动市场的青睐，内置蓄电池式电动挖掘机广泛采用LFP电池。

本文设计了一套27 t电动挖掘机的动力电池系统，并对动力电池系统进行热电综合仿真，验证了液冷机组的温升效果。

2、系统总体构成

挖掘机动力电池系统主要由液冷标准电池箱和液冷机组构成。其中，液冷标准电池箱由多个标准电池箱构成，液冷机组由冷凝器、压缩机、热交换器、水泵、管路组件等构成，液冷动力电池总体构成如图1所示。

液冷机组控制器与电池管理系统之间进行通信交互，温度控制策略由电池管理系统（BMS）下发，液冷机组执行。同时，BMS还与挖掘机整车控制器进行通信，执行整车控制器下发的上下电控制策略。由于电动挖掘机的放电倍率大，工作环境恶劣，因此，在设计的时候需要考虑动力电池的脉冲Pulse性能及发热性能，以适应电动挖掘机的运行工况。

图1液冷动力电池总体构成图

3、系统电气设计

3.1系统电气参数选型

当前电动挖掘机市场上，安全性最高的磷酸铁锂（LFP）电池受到电动市场的青睐，主要电池供应商通过电芯组装电池包（CTP）的技术突破，使得LFP电池的整体性价比更高，能够逐步替代三元锂电池，目前LFP电池广泛应用于蓄电池式电动挖掘机。某型27 t电动挖掘机配置150 k W电机，电机转速1 790 r/min，标配斗容1.3 m3，最大挖掘半径10 m。动力电池系统额定电压为600～650V，续航时间6～7 h，峰值电流1 000 A，持续60 s。

根据需求，电芯容量需要达到600 Ah。结合电芯采用动力电芯230 Ah,60 s脉冲放电可支持1.5 C，由此可得峰值电流可达1 035A。因此，电池系统匹配方案为：单个电池箱由1P48S电芯组成，单支路由4个电池箱串联构成，电池系统由3个电池支路并联构成；系统配置为192S3P，其额定电压为614.4 V，电压范围480～700 V，容量为690Ah，电池系统电量为424 k W·h。

每个电池箱内安装有电池管理系统从控采集单元，用于电池包内电压、温度的采集，实时状态监测和电池均衡策略的执行，同时，通过CAN总线与高压箱内的电池管理系统主控单元通信连接。高压箱内配置有各支路继电器、熔断器，高压箱内设置有总电流传感器和动力、通信接口。

液冷机组设计流量48 L/min，单包最大流量12L/min，制冷功率15 k W。

电池系统主要部件选型如表1所示。

表1电池系统主要部件选型表

3.2系统主电路拓扑图

系统由3个电池支路并联构成，其中回路1直接进入配电环节，回路2和回路3配置有继电器，当3个电池回路电压不平衡时，采用适当的策略控制该继电器的闭合与断开，避免各支路之间环流过大。3支路分别配置电流传感器，以计算各自SOC(State of Charge，荷电状态）。加热回路配置电阻丝。热管理回路配置继电器和熔断器。系统具备双路充电口和双路放电口，用于大电流快速充电和双路电机放电。

4、电池系统温度控制策略

4.1放电温度控制策略

由于电动挖掘机的放电倍率较大，作业时间长，必须使用液冷技术才能抑制电池的温升。液冷通过液体对流换热方式将电池产生的热量带走以达到降温目的。优点是液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著。缺点是系统更复杂，重量大，成本高，维修和保养难度大，并且存在漏液的可能。冷却液一般为50%乙二醇和50%水的混合液体，设计内部管道和连接器时，需要考虑密封性要求，同时，箱体内增加漏液检测功能，用于保证系统电气安全性。液冷的控制分为泵的控制、加热控制（水冷水热系统）和制冷控制。液冷机组的控制策略一般由BMS(Battery Management System，电池管理系统）来制定。

图2液冷动力电池系统主电路拓扑示意图

(1）制冷策略。当电池温度≥设定温度（典型值35℃）时，控制压缩机和水泵开启；当电池温度≤设定温度（建议值30℃），控制压缩机关闭。

(2）加热策略。当电池温度≤设定温度（典型值10℃）时，控制加热PTC和水泵开启；当电池温度≥设定温度（建议值15℃）时，控制压缩机关闭。

(3）均温性控制。当系统温差≥3℃以上时，开启水泵；当系统温差≤2℃时，关闭水泵。均温性控制一般由整车来执行。BMS通过整车CAN通知整车控制器，由整车控制器执行压缩机、水泵、加热PTC的开启、关闭以及功率和泵速调整。

4.2充电温度控制策略

低温下大电流充电会导致电池析锂，为了保护电池，BMS监测到电池处在低温情况下时，会开启加热，即车辆充电前，当电池温度低于某一阈值（低于该阈值，电池不允许充电）时，启动预加热功能，把电池加热到某一温度再进行充电。低温充电过程中的热管理策略一般分为3个阶段，即电池只加热阶段、边加热边充电阶段以及关闭加热充电阶段。通常设计为电池在低于某个温度阈值T0时，只进行加热；在温度高于T0而小于某个温度阈值T1时，边加热边充电；温度高于T1时，关闭加热进行充电。

5、电池系统温度控制仿真

分析电动挖掘机动力电池系统的液冷机组设计效果，主要研究液冷机组的制冷效果，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如图3所示。其电池采用二阶RC等效模型，仿真模型参数如表2所示，其中，1 K=-272.15℃。图4和图5分别为液冷动力电池系统的系统荷电状态SO C、电池系统最高温度/最低温度、液冷泵组功率以及电池系统电流曲线仿真结果。其中图4(a）为电池系统以0.5 C电流115 A持续充电的仿真工况，图4(b）为电池系统以1 C电流230 A持续充电的仿真工况，图5为电池系统脉冲放电工况。图4(a）中最高温度为305.5 K，图4(b）中最高温度为314.2 K，图5中最高温度为313.6 K。由初始温度为300 K，可得出0.5 C、1 C和脉冲放电工况下的温升结果分别为5.5℃，14.2℃和13.6℃。

图3液冷动力电池系统仿真模型

表2电动挖掘机动力电池系统仿真模型参数表

图4液冷动力电池系统充电温升仿真结果

图5液冷动力电池系统脉冲放电温升仿真结果

6、结论

本文提出了一种液冷电动挖掘机的电池系统，通过理论计算动力电池系统的匹配性，并搭建Matlab/Simulink模型对电池系统进行热电综合仿真。主要结论如下：

(1）对于电动挖掘机动力电池系统，容量配置应选择功率型电芯，额定放电倍率应支持1 C以上，脉冲功率应支持1.5 C以上。

(2）仿真结果表明：在0.5 C充电时，启动液冷机组温度控制策略后电池温升为5.5℃；在1 C充电时，启动液冷机组温度控制策略后电池温升为14.2℃。脉冲放电情况下，采用液冷机组温控策略，电池系统温升为13.6℃。

(3）仿真分析表明，电动挖掘机的电池系统的冷却系统采用液冷是很有必要的。后续将结合试验，进一步验证本文提出的液冷策略电池系统应用于电动挖掘机的温升效果。

参考文献:

[1]李波.电动挖掘机方案设计及动力电池匹配优化研究[D].四川:西南交通大学,2018.

[2]房增辉.电动挖掘机半物理仿真系统及实时仿真试验研究[D].浙江:浙江大学,2020.