韓愛(ài)國(guó) 孟開(kāi)創(chuàng) 張瑞鵬 吳浩

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

1 前言

目前，傳統(tǒng)礦用自卸車主要分為載重百噸級(jí)以上大型礦用自卸車和百噸級(jí)以下中小型礦用自卸車，由于大型礦用自卸車造價(jià)和使用成本十分昂貴，因此主流礦山企業(yè)多使用中小型礦用自卸車。而隨著礦山生產(chǎn)能力的不斷擴(kuò)大，期望這類礦用自卸車動(dòng)力性能提高以提升運(yùn)輸效率，通常為此購(gòu)置更大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，但存在著產(chǎn)品選擇范圍小、成本呈階梯式增長(zhǎng)、油耗大、排放差等問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑，大型混合動(dòng)力礦用自卸車可采用電傳動(dòng)方式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電提供給車輪上的輪轂電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛[1,2]；而小噸位礦用自卸車由于結(jié)構(gòu)上的限制并不適用這種驅(qū)動(dòng)方式，小型礦用自卸車主要采用串聯(lián)式及并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式[3,4]，大多參考乘用車使用的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，但動(dòng)力耦合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)且成本較高。

為減少開(kāi)發(fā)成本、開(kāi)發(fā)周期及便于工程實(shí)現(xiàn)，在混合動(dòng)力礦用自卸車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)研究人員考慮在原車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如，文獻(xiàn)[5]中采用雙軸獨(dú)立系統(tǒng)構(gòu)成了復(fù)合式四驅(qū)混合動(dòng)力汽車，較大程度上減少了原型車的改動(dòng)費(fèi)用；文獻(xiàn)[6]針對(duì)單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力礦用自卸車設(shè)計(jì)了電輔助式控制策略，根據(jù)不同要求能夠改善整車性能。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)某款由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的6×6傳統(tǒng)礦用自卸車進(jìn)行改進(jìn)，采用前橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余各橋仍保留原有傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成并聯(lián)式混合動(dòng)力礦用自卸車，該方法對(duì)原車結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，簡(jiǎn)單易行，并通過(guò)合理的控制策略確保了整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

2 混合動(dòng)力礦用自卸車結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)要求

2.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原型車采用6×6貫通式驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由分動(dòng)器分配到前橋和中后橋，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其技術(shù)參數(shù)如表1所列。

圖1 原型車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 原型車基本參數(shù)

為了在上下坡頻繁的礦山環(huán)境下實(shí)現(xiàn)上坡提擋增速，減少運(yùn)輸時(shí)間，對(duì)原車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，取消前后軸之間的分動(dòng)器，在前橋加入電機(jī)，使前橋由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，中后橋保留原有的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仍由原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在混合驅(qū)動(dòng)模式下的牽引力是相互結(jié)合的，這種驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式混合動(dòng)力汽車屬于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的一種[6,7]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間沒(méi)有任何機(jī)械式的連鎖裝置，能夠充分發(fā)揮各自的特性，提高車輛的動(dòng)力性能。此外，電機(jī)在下坡制動(dòng)時(shí)切換到發(fā)電模式時(shí)還能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。改造后的電輔助式混合動(dòng)力礦用自卸車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電輔助式混合動(dòng)力礦用自卸車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 混合動(dòng)力礦用自卸車設(shè)計(jì)要求

本文研究的非公路礦用自卸車主要用于露天礦山的礦石運(yùn)輸，工作特點(diǎn)為承載質(zhì)量大，行駛距離較短，一般不考慮其加速性能[8]。礦區(qū)道路多為臨時(shí)修建路面，特點(diǎn)為坡度大且上下坡頻繁，車輛經(jīng)常處于重載上坡的工作狀態(tài)。在進(jìn)行混合動(dòng)力礦用自卸車設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要考慮其滿載爬坡性能要求。

結(jié)合礦用自卸車使用特點(diǎn)和原車動(dòng)力性能，混合動(dòng)力礦用自卸車應(yīng)滿足以下要求：在滿載運(yùn)輸?shù)纳掀码A段電機(jī)需提供助力，原車在行駛過(guò)程中需要爬10%和20%兩個(gè)坡道，在坡道上主要使用2~4擋，車速約為4~10 km/h，而要求混合動(dòng)力車應(yīng)能在原有坡道上提擋增速，使用3~5擋，車速達(dá)到8~14 km/h。另外要求在下坡制動(dòng)時(shí)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收，以確保整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

勻速爬坡時(shí)，車輛進(jìn)入電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)模式，整車所需動(dòng)力由電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供，兩個(gè)動(dòng)力源所能提供的總驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于此時(shí)車輛所受到的行駛阻力，即滾動(dòng)阻力、坡道阻力和空氣阻力之和。整車需求的驅(qū)動(dòng)力為：

式中，F(xiàn)t為作用于車輪上的驅(qū)動(dòng)力；uα為在坡度角α=arctani（i為爬坡度）下爬坡時(shí)的車速；g為重力加速度；ma為滿載質(zhì)量，由于混合動(dòng)力車型在原車型的基礎(chǔ)上取消了分動(dòng)器但增加了電機(jī)和電池組，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[9]，取ma=52 500 kg。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)僅提供輔助動(dòng)力，因此整車所需驅(qū)動(dòng)力首先由發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大驅(qū)動(dòng)力來(lái)滿足，不足的部分由電機(jī)來(lái)補(bǔ)償。發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的驅(qū)動(dòng)力為：

式中，F(xiàn)t_e為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳至車輪上所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；ig為爬坡時(shí)所使用擋位的傳動(dòng)比。

電機(jī)所能提供的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)滿足Ft_m≥Ft-Ft_e，折算為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混合動(dòng)力礦用自卸車在10%坡道上最高使用5擋，20%坡道上最高使用3擋，因此電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性計(jì)算得到所需電機(jī)扭矩分別為T10%_5=960.2 N·m，T20%_3=1057.4 N·m，取Tm≥1 100 N·m。

3.1.2 電機(jī)功率的確定

為實(shí)現(xiàn)在坡道上提擋增速的目標(biāo)，不僅需要考慮兩個(gè)動(dòng)力源所能提供的總驅(qū)動(dòng)力能否滿足車輛以高擋位行駛時(shí)整車的驅(qū)動(dòng)力需求，還應(yīng)考慮以更高車速爬坡時(shí)，兩個(gè)動(dòng)力源所能提供的總功率能否滿足此時(shí)整車的功率需求。

根據(jù)爬坡性能要求計(jì)算整車需求總功率為：

式中，Pα為在坡度角α下爬坡時(shí)整車需求總功率。

爬坡時(shí)整車需求的驅(qū)動(dòng)功率主要由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供，不足的部分由電機(jī)來(lái)補(bǔ)償，則電機(jī)所能提供的輸出功率應(yīng)滿足Pm≥Pα-Pe（Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的功率）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混合動(dòng)力汽車在10%的坡道上能以14 km/h的車速勻速爬坡，在20%的坡道上以8 km/h的車速勻速爬坡。因此，電機(jī)所能輸出的功率應(yīng)滿足結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性，計(jì)算得到所需電機(jī)功率分別為Pm_10%=52 kW和Pm_20%=38 kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果在廠家提供的電機(jī)中選擇一款驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

3.2 動(dòng)力電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組在電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)時(shí)提供電能，同時(shí)在車輛下坡制動(dòng)過(guò)程中存儲(chǔ)電機(jī)回收的能量。本文選擇能量密度大和功率密度較高的鋰電池組，以減小電池組重量及體積，滿足大功率充放電需求。電池組的參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮電壓等級(jí)和容量，其中電壓等級(jí)必須覆蓋電機(jī)的電壓工作范圍[10]，確定動(dòng)力電池組的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 動(dòng)力電池組技術(shù)參數(shù)

4 原車仿真模型建立與試驗(yàn)驗(yàn)證

首先利用原車參數(shù)在軟件Cruise[11]中建立整車模型，然后建立各擋最大爬坡度和礦用自卸車循環(huán)工況的仿真計(jì)算任務(wù)，原車模型如圖3所示。

4.1 爬坡性能分析

圖4為原車各擋（Ⅰ~Ⅸ）最大爬坡度。從圖4可以看出，2擋最大爬坡度為26.45%，3擋最大爬坡度為19.68%；4擋最大爬坡度為12.54%，5擋最大爬坡度為9.17%。根據(jù)仿真結(jié)果，在爬10%的坡道時(shí)，駕駛員最多只能使用4擋；爬20%的坡道時(shí)，最多只能使用2擋，與實(shí)際情況相符。原車滿載下爬坡度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

4.2 循環(huán)工況仿真

非公路礦用自卸車的工作過(guò)程包括裝料—滿載運(yùn)輸—卸料—空車回程—待機(jī)裝料5個(gè)步驟。單趟運(yùn)距為3 km，重載上坡占單趟運(yùn)距的60%（1.8 km），整車運(yùn)行工況為：在礦坑內(nèi)裝滿料后平路運(yùn)行300 m，然后爬緩坡1 500 m（坡度10%），再平路運(yùn)行300 m，然后爬陡坡500 m（坡度20%），到達(dá)坡頂后平路運(yùn)行400 m，卸完料后空車沿原路返回。礦用自卸車循環(huán)工況曲線如圖5所示。

從圖5可看出，礦用自卸車的循環(huán)工況比較單一，通過(guò)采集礦用自卸車在實(shí)際工作過(guò)程中的負(fù)荷、常用車速以及常用擋位等信息，得到行駛在各路段下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在礦區(qū)實(shí)際循環(huán)道路上以實(shí)車按照實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)行駛來(lái)進(jìn)行循環(huán)工況油耗試驗(yàn)。表5為礦用自卸車在實(shí)際循環(huán)工況下主要運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖3 原車模型

圖4 原車各擋最大爬坡度仿真結(jié)果

表4 原車滿載下爬坡度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 %

圖5 循環(huán)工況曲線

在軟件Cruise中建立以上所設(shè)計(jì)的礦用自卸車循環(huán)工況并設(shè)定相應(yīng)計(jì)算任務(wù)，進(jìn)行仿真得到綜合百公里油耗，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如表6所示。

由表4和表6可知，原車最大爬坡度和循環(huán)工況下百公里綜合油耗的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差都在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了在軟件Cruise中建立的整車模型的準(zhǔn)確性。

表5 礦用自卸車實(shí)際循環(huán)工況下主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

表6 循環(huán)工況下仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 %

5 混合動(dòng)力礦用自卸車控制策略

控制策略的主要作用是控制混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)需求和實(shí)際情況切換到不同的工作模式下。在種類繁多的控制策略中，基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略簡(jiǎn)單可靠，在混合動(dòng)力汽車中應(yīng)用十分廣泛，易于在智能化程度不高的工程機(jī)械上實(shí)現(xiàn)[12]。結(jié)合非公路礦用自卸車的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于邏輯門限值的電輔助式控制策略。

控制策略的基本原理為，控制系統(tǒng)采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、車速和電池荷電狀態(tài)SOC等，結(jié)合輸入信號(hào)和設(shè)定的參數(shù)門限值完成控制邏輯運(yùn)算，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)和輸出轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)的開(kāi)關(guān)、模式切換和輸出轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩。

由于原車上傳感器很少，依據(jù)現(xiàn)階段所能提供的相關(guān)信號(hào)將整車驅(qū)動(dòng)模式下的工作狀態(tài)劃分為爬坡和未爬坡?tīng)顟B(tài)。礦用自卸車在礦區(qū)坡道上實(shí)際行駛過(guò)程中，車速一般不超過(guò)20 km/h，且駕駛員通常將加速踏板完全踩下，因此以車速和加速踏板開(kāi)度信號(hào)作為兩種工作狀態(tài)的切換點(diǎn)。電輔助式控制策略的控制邏輯如圖6所示，描述如下：

a.驅(qū)動(dòng)工況下，當(dāng)車速大于20 km/h時(shí)，判定車輛未處于爬坡工作狀態(tài)，整車需求轉(zhuǎn)矩全部由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。

b.驅(qū)動(dòng)工況下，當(dāng)加速踏板開(kāi)度大于85%，并且車速低于20 km/h時(shí)，判定車輛處于爬坡?tīng)顟B(tài)，整車有大扭矩需求。若此時(shí)電池SOC大于下限值，則電驅(qū)系統(tǒng)投入工作，進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)。

c.制動(dòng)時(shí)，若電池SOC小于上限值，則電機(jī)切換到發(fā)電模式，提供再生制動(dòng)力矩，進(jìn)行制動(dòng)能量回收并與機(jī)械制動(dòng)一起構(gòu)成聯(lián)合制動(dòng)。

d.制動(dòng)時(shí)，若電池SOC大于上限值，為避免電池過(guò)充，此時(shí)只允許機(jī)械制動(dòng)。

利用軟件Cruise中的Function模塊建立控制策略及混合動(dòng)力礦用自卸車仿真模型，如圖7所示。

圖6 電輔助式控制策略控制邏輯

6 仿真結(jié)果與分析

6.1 爬坡性能分析

混合動(dòng)力礦用自卸車的各擋爬坡度仿真結(jié)果如圖8所示。對(duì)比原車的爬坡度仿真結(jié)果可以看出，在車速低于20 km/h、車輛處于爬坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，電機(jī)提供輔助動(dòng)力，使整車的爬坡性能得到提升。其中3擋最大爬坡度為22.12%，4擋最大爬坡度為15.81%，5擋最大爬坡度為11.5%。車速大于20 km/h時(shí)，電驅(qū)系統(tǒng)不參與驅(qū)動(dòng)，由于礦山道路本就顛簸，此時(shí)電機(jī)退出工作可能導(dǎo)致的車速波動(dòng)不會(huì)對(duì)乘員舒適性有較大影響。因此，混合動(dòng)力車在10%和20%的坡道上能使用3~5擋，車速也可相應(yīng)提升。

圖7 混合動(dòng)力礦用自卸車模型

6.2 循環(huán)工況仿真結(jié)果

圖9為混合動(dòng)力礦用自卸車在循環(huán)工況下的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力電池組SOC隨車輛行駛距離的變化曲線。從圖9可看出，在10%的坡道上，車輛能以5擋14 km/h的速度行駛，在20%的坡道上，以3擋8 km/h的車速行駛，滿足動(dòng)力性的要求。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在滿載上坡的過(guò)程中，電機(jī)提供輔助動(dòng)力，在平路上行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低，電機(jī)不參與工作；在下坡制動(dòng)時(shí)，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，提供一部分制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。從電池組荷電狀態(tài)曲線可以看出，在上坡電機(jī)提供輔助動(dòng)力階段，電池組處于放電狀態(tài)，向電機(jī)輸出能量，SOC值減?。辉谙缕码姍C(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回收階段，電池組處于充電狀態(tài)，SOC值增大。

圖8 混合動(dòng)力礦用自卸車各擋爬坡度仿真結(jié)果

圖9 混合動(dòng)力礦用自卸車循環(huán)工況下仿真結(jié)果

仿真得到混合動(dòng)力礦用自卸車在循環(huán)工況下油耗為216.92 L/100 km，電耗為128.18 kW·h/100 km。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19754給出的重型混合動(dòng)力汽車等效燃料消耗量的定義，將耗電量轉(zhuǎn)換為燃料消耗量，得到等效百公里燃油消耗量為259.36 L/100 km。

圖10為混合動(dòng)力礦用自卸車在滿載穩(wěn)態(tài)行駛工況下仿真結(jié)果，由圖10可看出，在同一車速下，擋位越高發(fā)動(dòng)機(jī)油耗越低；在同一擋位下，車速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油耗增加。由此可知，提擋增速不僅節(jié)約了運(yùn)輸時(shí)間，還能在一定程度上降低燃油消耗量，再加上電機(jī)的制動(dòng)能量回收，使整車動(dòng)力性得到提升的同時(shí)保證了燃油經(jīng)濟(jì)性，循環(huán)工況下的綜合油耗相比原車仿真結(jié)果降低了6%。

圖10 混合動(dòng)力礦用自卸車等速百公里油耗曲線

7 結(jié)束語(yǔ)

在保證對(duì)原型礦用自卸車較小改動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了前軸電驅(qū)、后軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電輔助式混合動(dòng)力礦用自卸車。根據(jù)整車性能要求和實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的電機(jī)和電池進(jìn)行了匹配選型，然后利用軟件Cruise搭建合理的整車模型和控制策略，在所設(shè)計(jì)的循環(huán)工況下進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力礦用自卸車能夠在原有坡道上實(shí)現(xiàn)提擋增速，在10%和20%的坡道上可以在比原車高一個(gè)擋位下行駛，行駛速度亦達(dá)到要求。高擋位的使用降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗以及電機(jī)下坡制動(dòng)能量回收，使整車在動(dòng)力性得到提升的同時(shí)保證了燃油經(jīng)濟(jì)性。混合動(dòng)力礦用自卸車的設(shè)計(jì)滿足要求，為實(shí)車應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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