纯电动修井机电池及整车控制技术研究

纯电动修井机电池及整车控制技术研究

邝斌全

中国石油化工股份有限公司中原油田分公司 457001

摘要：传统内燃机为动力的修井机无论在效率还是环保方面都难以满足日益严苛的节能减排政策，纯电动修井机以电池为动力，实现了真正意义上的零污染、零排放。通过选定磷酸铁锂电池作为动力，创新研发专用电池管理技术及适应于行走与作业功能的整车控制系统，实现了整机“行走”和“专用装置作业”均采用电池能量系统统一驱动，解决了传统燃油机驱动功率利用不合理的问题。

关键词：纯电动修井机  磷酸铁锂电池  电池管理技术  整车控制系统

随着国家节能减排、安全环保法规的实施，新能源汽车取得了迅猛发展，以电池为代表的新能源技术也随之不断进步[1]。在石油装备领域，修井机作为修井作业的关键装备，更应在运行效率、节能降耗、安全环保、降本减费等方面提出了新的更高要求[2]。纯电动修井机的研发实现了整机“行走”和“专用装置作业”均采用锂电池能量系统统一驱动，属国内首创，实现了真正意义上的零污染、零排放。

1.电池选型研究

针对油田道路、作业工况以及环境条件，开展电池选型研究，确保电池选型能够满足修井作业各工况下的需求[3]，从可靠性、安全性、循环寿命、能量密度等多方面对比研究，加以优选作为动力源[4]。

图1-1 电池比选

通过对比磷酸铁锂电池具有以下优点：①超长寿命:循环寿命达到20000次以上，使用寿命可达7-8年。②使用安全：即使在在高温环境或过充也不会出现结构崩塌发热或形成强氧化性物质。③快速充放：和铅酸电池比较，能够以大电流快速充放电，专用充电器40分钟即可将电池充满；④容量衰减慢、能量密度高：磷酸铁锂电池的能量密度一般均90wh/kg以上，而超级电容的能量密度只有4-6wh/kg[5]。再者，磷酸铁锂电池即使在0-100%的循环下3000次左右容量才衰减到80%（图1-1），因此，磷酸铁锂电池是目前作为纯电动修井机动力源的最佳选择。

2.锂电池能量管理系统（BMS）开发

为适应油田现有道路状况、井场电力条件及修井作业工艺要求。研发设计了锂电池BMS管理系统，用于对锂电池储能能量及电池充放电控制。电池按BMS设定的SOC（State of Charge）即荷电状态要求（SOC=0.6～0.8），在工作过程中根据控制程序预设模式完成充放电，并具有自我保护功能。充电电源来源于油井井场电源或直流快充电源，充放电时间及补偿能量能够满足油田现场修井作业工况要求[7]。

锂电池能量管理系统(BMS)主要负责对锂电池组进行管理，包括电池安全、SOC算法、充放电过程控制指令、参数监测等，还负责对电池组充电与放电管理，并具有在线标定与监测功能。纯电动修井机专用锂电池能量管理系统（BMS）采用Central-Distributed的系统架构（如图2-1），由一个主控单元(CBMU)、多个电池管理单元(BMU)、通过CAN总线网络构成内部子网。

图2-1 修井机专用BMS系统架构图

BMS系统可以检测电池组中所有单体电池电压，电池组总电流、总电压，环境温度等多项指标，并采用抗干扰性强、可靠性高的通用CAN总线通信，确保在强干扰环境下数据传输的实时性和准确性，通过CAN总线将电池、充电机、整车控制器关联在一起，提高底盘行驶与上机专用作业装置的动力性能，并可以实现对电池组的热管理和电池组的均衡功能以及整车绝缘监测功能、整车高压系统用电管理，保证电池组在修井机行驶和上装运行过程中的安全性与可靠性。

3.整车控制系统开发

纯电动修井机整车控制（VCU）分为底盘行驶与上装专用装置两套控制程序，这两套不同的控制程序采取两种独立互锁的控制策略，分别满足底盘行驶和上装专用装置作业一体化纯电驱动要求。整车控制系统由整车控制器、整车通讯系统、各部件控制器和传感器组成，通过开关输入端口、模拟量转换模块、CAN总线等硬件线路采集路况信息、驾驶意图等车辆行驶信息以及司钻操作指令、上机设备运行状态等参数执行预设的控制算法和策略，实现对动力系统执行部件实时、可靠、精确控制[9]。

整车控制器是纯电动修井机的核心控制单元，接受各种输入信号，通过VCU（程序流程图如图3-1）计算后发出控制信号，协调整车能量管理及分配、整车的充放电安全管理、故障诊断等车载各控制系统协同工作。

图3-1 整车控制软件流程图

4.总结与展望

纯电动修井机整机“行走”和“专用装置作业”均采用磷酸铁锂电池能量系统统一驱动,创新研发了专用电池管理技术及适应于行走与作业功能的整车控制系统,但随着技术的发展以及对自动化程度的更高要求，未来还需加强以下方面的研究：

1）整机轻量化设计。由于采用电池驱动，对整机的轻量化设计要求更加迫切，需要在今后的设计制造中探索新材料的使用来降低整机重量，从而提高续航能力。

2）在修井作业自动化方面还有待于提高。修井机整机实现一体化纯电驱动后，还需要在作业自动化控制方面进行更多、更深层次的探索和挖掘，提升修井作业工艺的整体技术水平。

参考文献：

[1]. 徐宪胜.油田修井设备的现状与发展趋势探析[J].化工管理，2013（20）：170.

[2]. 李建鹏.石油装备产业低碳经济新发展[J].石油与装备，2014，12，40-41.

[3]. 尹文波．XJ70DB电动修井机的研制与应用［J］．石油机械，2013，41(5):88－91．

[4]. Zhang Bingyi. Studies on wide constant power variable frequency asynchronous motor of workover rig [C].International Conference on Electrical Machines and Systems. 2010,10:10～13

[5]. Mansour H. Evaluation of operational performance of workover rig activities in oilfield [J]. International Journal of Productivity and Performance Management, 2013, 62（2）: 204-218.

[6]. 冯学军.电动修井机技术简析[J].油气田地面工程,2010(12):6～7.

[7]. Noh S.PSIM based electric modeling of supercapacitors for line voltage regulation of electric train system [J]. IEEE International Power ＆Energy Conference. 2008:855～859.

[8]. 韩洪波．电动修井机与常规修井机的经济性分析［C］．郑州:河南省汽车工程学会，2014: 162－164．；