低温环境下的电动装载机续航能力测试与分析.pdf

34建设机械技术与管理 2023.05 中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当，承诺力争在 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和。在“双碳”战略的推动下，不仅汽车行业在向电动化方向转型，工程机械行业也在大力开展相关电动化研发工作。2019 年中国生产且上市了全球首台电动装载机，尽管相比传统燃油装载机，电动装载机具有零排放、运营成本低、NVH 性能优等优点，但是电池的续航问题，尤其是低温情况下电池续航能力，仍然是影响客户购买欲望和使用焦虑的主要因素。本文针对低温环境下的电动装载机续航能力开展了测试与分析，包括：电池预加热耗电研究、暖风加热驾驶室耗电研究、液压系统预热耗电研究以及实际作业工况下的耗电研究。1 锂电池充放电工作原理如图 1 所示，充电时，正极上的锂原子分解成锂离子和电子，电子通过外电路到达负极，锂离子通过隔膜层到达负极；在负极，锂离子与电子结合变成锂原子。放电时反应刚好相反，负极中的锂原子分解后在正极复合。锂电池的充放电过程实际上就是锂离子不断嵌入和脱出正负极、并在电解质溶液中不断进行交换的过程。锂离子电池最适宜的工作温度是 15 30，40以上要主动放热，0以下要加温。从锂电池机理上看，造成锂离子电池低温性能差的主要原因是随着环境温度的降低，电解液及电极界面膜对锂离子转移阻抗增大，此时 Li+的迁低温环境下的电动装载机续航能力测试与分析Testing and Analysis of the Endurance of Electric Loaders in Low Temperature Environments李学 张楠 董利超 郭海滨 邓英群（广西柳工机械股份有限公司 装载机研究院，广西 柳州 545000）摘要：本文针对低温环境下的电动装载机续航能力开展了测试与分析，研究发现：（1）电池电芯温度从 1预加热到 20，需要 1 小时，消耗电量 14kWh，占总电量的 4%；（2）暖风加热驾驶室 30 分钟左右，驾驶室温度基本达到热平衡，此过程耗电 7kWh，占总电量的 2%；（3）液压系统预热 20 分钟消耗电量 10kWh，占总电量的 3%；（4）-2、-22、-32三种环境温度下的一次 V 型铲装过程耗电量基本相当，平均在 0.76kWh 左右。关键词：电动装载机；低温环境；续航能力；电池中图分类号：TH16;TH243 文献标识码：A移和负极碳隙的嵌入将变得十分困难，充放电性能因此变差极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象，此类低温容量损耗（-30以下）占电池总电量的 19%左右1-5。2 实验说明2.1 整车配置目前，中国已有 20 余家企业在研发生产电动装载机，主流技术路线为“磷酸铁锂电池+双电机+变速箱”方案（图 2），以磷酸铁锂电池为动力源，行走电机控制行走系图 1 锂电池充放电工作原理图2023.05 建设机械技术与管理 35统，液压电机控制液压系统；磷酸铁锂电池最佳工作温度为 25，此时电池的衰减是最慢的，为保证冬季低温环境下整机的正常工作，整机标配了电池预加热系统。电池容量直接影响整机续航时间，目前，主流电池容量为 282kWh、350kWh、423kWh，客户可根据不同的工况和续航需求，选择不同的电量版本，本文试验用机选取电池容量为350kWh 的电动装载机。2.2 测试内容和要求2.2.1 电池预加热耗电量测试首先，将测试用机置于-18至-22环境中冷冻 14 小时；然后，打开整机负极开关，打开驾驶室内部电锁、启动整机，不做任何动作，使整机进入怠速休眠状态，此时电池进入预加热状态。每隔 5 分钟，观察并记录仪表上的电池温度值及电池剩余电量值，直至电池温度不再增加，停止记录。2.2.2 暖风加热驾驶室耗电量测试（1）为防止电芯加热对暖风测试的影响，在完成电池预加热耗电量测试后，将电池的电量充至 100%，此时电芯温度在 20左右。（2）充电完成后，关闭驾驶室门窗，启动整机，将风机转速开至H档、加热开至4档，当驾驶室温度达到27时，将风机转速开至 L 档、加热开至 1 档。图 2 电装整机结构示意图图 3 液压系统预热过程（3）记录驾驶室温度及电池耗电量情况。2.2.3 液压系统预热耗电量测试（1）完成暖风加热驾驶室耗电量测试后，马上操作液压操纵手柄，唤醒车辆，此时液压电机开始升转速工作。（2）原地反复做动臂上升下降、收翻铲斗、左右转向动作 10 分钟，然后前后行走动作 10 分钟，此时液压系统油温已完全满足工作需求，完成液压系统预热。（3）观察并记录仪表上的电池剩余电量值。2.2.4 实际作业工况下的耗电量测试（1）完成液压系统预热耗电量测试后，在-2，-22及-32三种气温环境下，指定同一名操作手，以相同 V 型铲装工况（图 4）连续作业 1 小时。（2）记录初始时间、初始电量，作业斗数，结束时间，结束电量。（3）计算每一次铲装过程的耗电量。3 结果分析3.1 电池预加热耗电量分析图5给出了电池预加热过程电量和温度变化，可以发现，电动装载机冷冻 14 小时，电芯温度为 1，预加热 1 小时后，电芯温度达到 20左右，电芯不再自加热，此过程消耗电量 14kWh，占总电量的 4%。图 4 V 型铲装过程示意图图 5 电池预加热过程电量和温度变化36建设机械技术与管理 2023.05 3.2 暖风加热驾驶室耗电量分析图 6 给出了驾驶室加热过程中电量和温度变化，可以发现：暖风开启 5 分钟后，司机体感温度适宜，此过程耗电 1%，可以操作整机；暖风开启 27 分钟后，驾驶室温度处于热平衡状态，此过程耗电 1%；上述两个过程累积耗电7kWh，占总电量的 2%。3.3 液压系统预热耗电量分析如表 1 所示，车辆从冷车状态预热至基本可作业状态，花费 11 分钟，耗电 3.5kWh，占总电量的 1%，此时整机作业效率较低；继续进行预热操作，直至液压油油温完满满足正常作业效率要求，耗费7kWh电量，占总电量的2%；综上，整个液压系统预热过程消耗电量 10kWh，占总电量的 3%。3.4 实际作业工况下的耗电量分析表 2 给出了在-2、-22、-32三种环境温度下，电动装载机 V 型铲装作业 1 小时后折算的单次铲装过程耗电量对比。可以发现，3 种环境温度下的一次铲装过程耗电量基本相当，平均在 0.76kWh 左右。这是因为在低温环境下电池本身的发热量和向周围环境的散热量基本可以维持相对平衡，此时既不需要开启电池加热系统，也不需要开始电池冷却系统，所以不会增加额外耗电。图 6 驾驶室加热过程中电量和温度变化时间电量热车情况12:0197%司机开始动作12:1296%基本满足作业要求12:2094%完全满足作业要求表 1 液压系统预热 20 分钟耗电量测试时间2023.01.132023.01.142023.01.1513:30-14:3013:43-14:446:17-7:17环境温度-2-22-32一次铲装耗电量0.76kWh0.72kWh0.79kWh表 2 不同低温环境下的一次铲装耗电量对比4 结 论本文针对低温环境下的电动装载机续航能力开展了：（1）电池预加热耗电研究，研究发现，电芯温度从 1加热到20，需要1小时，消耗电量14kW h，占总电量的4%。（2）暖风加热驾驶室耗电研究，研究发现，暖风开启 30 分钟左右，驾驶室温度基本达到热平衡，此过程耗电7kWh，占总电量的 2%。（3）液压系统预热耗电研究，研究发现，20 分钟液压系统预热过程消耗电量 10kWh，占总电量的 3%。（4）实际作业工况下的耗电研究，研究发现，-2、-22、-32三种环境温度下的一次铲装过程耗电量基本相当，平均在 0.76kWh 左右。参考文献1 葛欣.电动汽车动力锂电池的使用风险及保障措施 J.时代汽车，2023(2):111-112.2 胡超常，吴金，陈龙，等.智能电动汽车高低温续航测试 J.制冷与空调，2022(9):85-91.3 王真，陈健龙.电动汽车低温续航里程研究 J.新能源汽车，2020(14):1-5.4 李刚.电动汽车低温技术的应用与分析 J.汽车电器，2022(9):15-17.5 李冠中，李琛研.低温环境下纯电动汽车动力电池热管理方法 J.新能源汽车，2023(6):10-16.收稿日期：2023-04-15作者简介：李学，学士，工程师，主要从事电动装载机开发工作。