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矿用自卸整车增程器的开发设计

2023-10-24 214 上传者：管理员

摘要：由于矿用自卸整车特殊的作业工况（重载上坡），增程式矿用自卸整车因增程器能实现长续航里程而被市场广泛接受。运用整车仿真软件，对某款95 t矿用自卸整车的增程构型进行仿真计算，通过发电机选型、电池电量策略计算出整车节油率。结果表明：增程式矿用自卸整车相对传统柴油整车能够实现节油8%。为此，开发了三点恒功率方式输出的增程器，使发动机的最佳燃油效率和发电机的最佳发电功率运行一致，增程器实测最大油电比达到4.2 kW·h/L，处于行业较高水平。

关键词：
发动机
发电机
增程器
最大油电比
节油率
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国家对矿山开采的生态要求越来越高，各地方也出台了相关政策，明确了矿山用车的使用标准与规范。在此大背景下，一批绿色环保的新能源工程机械应时而生。目前，电动矿用自卸整车成为了各大矿山、砂石骨料场越来越常见的产品。由于矿用自卸整车特殊的作业工况（重载下坡、重载上坡及复合工况），增程式矿用自卸整车（以下简称“增程整车”）通过车载燃油发电装置——增程器为电机驱动系统提供电能以达到长续航里程，因而被市场广泛接受。本文根据矿用自卸整车仿真计算，得出匹配的发动机和电机，并自主开发了一款适配于矿用自卸整车的增程器，以实现该车的长续航里程。

1、增程器

增程式电动汽车在纯电动汽车上增加了增程器，增程器能够为纯电动汽车续航、为动力电池荷电状态提供充电功率，保障电动汽车峰值电功率。

增程式电动汽车示意图如图1所示。增程器由发电机与发动机通过花键刚性连接，发动机运行在一个或几个经济工况点上，并带动发电机发电，所发的电能可为驱动电机供电或给动力电池充电。而增程器控制器（RCU）与整车控制器（VCU）通过整车层控制器局域网络（CAN）进行信息交互，与发动机控制器（ECU）、发电机控制器（MCU）通过内部CAN进行通信[1]。增程器不直接参与驱动，而是在整车动力电池电量不足时发电以提供额外电量，延长续航里程，避免电池过放电[2]。

图1 增程式电动汽车示意图

2、增程器整车仿真分析

根据某款95 t矿用自卸整车的关键参数及典型路谱，匹配合适的增程器，对增程整车进行动力性及经济性仿真计算。整车参数见表1。

表1 整车参数

2.1 增程器整车模型搭建

采用AVL Cruise软件搭建增程整车仿真模型，如图2所示。该模型主要由驱动电机1、增程发电机2、电池、齿轮箱、后桥、制动器、车轮等模块组成。

增程发电机2和6DM3发动机组成了增程器，给电池充电。同时，在模型中增加了增程器的控制策略。

图2 增程整车仿真模型

2.2 增程发电机选型

基于矿用自卸整车在各大矿山、砂石骨料场的使用场景，一般常见道路的坡度为5%～8%，车速≤10 km/h。当坡度为5%、车速为10 km/h时，满载爬坡驱动电机功率约为220 k W，如图3所示。当坡度为8%、车速为10 km/h时，满载爬坡驱动电机功率约为300 k W，如图4所示。

为了在大部分运行工况中，能够保证驱动电机运行所需的能耗，减少电池充放电损耗，在现有成熟产品中选择增程发电机的额定功率为300 k W，峰值功率为360 k W。

图3 5%坡度且10 km/h车速爬坡状态下整车驱动功率

图4 8%坡度且10 km/h车速爬坡状态下整车驱动功率

2.3 增程器控制策略

根据电池充电状态的不同，增程器选择用燃油耗点较好的高、中、低功率进行充电，有利于延长电池的寿命。同时，在仿真计算中不考虑电池的寿命。为了计算的简便，选取增程发电机功率为300 k W的单一工作点进行计算。

增程器的控制策略为：(1)增程器启动。当电量低于35%时，增程器启动，进行充电。(2)增程器停机。当电量高于80%时，增程器停止工作。

2.4 增程器仿真结果

根据实际路谱，分成6种使用场景对矿用自卸整车进行了燃油耗仿真计算，具体结果见表2。由表2可以看出：在5%坡度且10 km/h车速的路况下，增程整车燃油耗比传统柴油整车燃油耗低9.53%，而在10%坡度且5 km/h车速的路况下，增程整车燃油耗比传统柴油整车燃油耗低5.80%。综合各种工况，增程整车燃油耗比传统柴油整车平均降低8%左右。

表2 矿用自卸整车燃油耗

3、增程器匹配标定

3.1 增程整车动力总成系统

增程整车动力总成系统如图5所示，其中左侧为增程器总成，包含6DM3发动机、增程发电机、MCU及RCU。

图5 增程整车动力总成系统

增程器总成主要以RCU为主控制器，VCU根据当前电池荷电状态及车况等信息计算出需求功率发送给RCU,RCU接收到来自VCU的需求功率信息，将其转换成对应的发动机转速指令与发电机转矩指令，对发动机与发电机进行协调控制。

在控制运行中，RCU和VCU、ECU、MCU通过CAN报文相互通信，实现对整个增程器的控制。各控制器之间交互报文如图6所示。

3.2 增程发动机标定

增程器是由发动机和发电机匹配工作的，发动机的最优效率区间需要和发电机的最优效率区间相匹配，才能实现增程器的最优油电比。由于发电机选择现成产品，因此需要优化发动机性能特性，使发动机在发电机高效区间内满足最佳经济性。经过标定，发动机外特性如图7所示。

图6 CAN报文交互

图7 发动机外特性

把发动机万有特性曲线与发电机效率脉谱图进行匹配并计算，得出增程器理论最大油电比为4.2 k W·h/L，如图8所示。

图8 理论最大油电比

3.3 增程器策略

当VCU对增程器输入的功率需求为输出功率时，增程器工作在发电模式。此模式下，柴油发动机作为源动机，发动机输出动力带动发电机发电，增程器以电能的形式输出到整车高压母线，供驱动电机等高压驱动设备工作，同时多余的电能用于给动力电池充电。

增程器输出功率控制的基本工作方式有2种：一种是以单点（多点）恒功率方式工作，另一种是沿最低燃油消耗曲线工作。采用单点（多点）恒功率方式（即开关模式）工作的增程器只有稳定工作在某燃油耗和排放量都很低的工况点，以及停机2种状态，车辆的动态负载完全由动力电池平衡。该工作方式下，发动机的排放量和燃油耗都很低，但不利于电池寿命。采用沿最低燃油消耗曲线工作时，增程器可以跟踪车辆实际负荷的变化，有效降低车辆行驶对动力电池输出容量和功率的要求，电池也可以以较小的功率循环工作，有利于延长电池的使用寿命和选择较小功率的电池，但是频繁变换发动机转速，不利于降低发动机的燃油耗及排放量。

本项目标定采用三点恒功率方案，使发动机转速工作在1 300 r/min和1 700 r/min两个区域附近，不会频繁变动，有利于发动机燃油耗与排放量的降低。

3.4 增程器匹配标定

增程器标定的原则为：RCU请求功率等于实际发电功率；RCU请求功率及其对应转速的工况需满足最优油电转换率。

根据以上标定原则，对CA6DM3柴油增程器进行万有特性扫点试验，扫点工况包含请求功率5～280 k W、转速800～1 900 r/min，试验结果如图9所示。

由图9可以看出：当发动机转速为1 500 r/min、功率为220 k W时，CA6DM3柴油机配300 k W发电机的增程器最大油电转换率达到4.2 k W·h/L。

图9 实际油电转化脉谱图

4、结语

根据整车需求，开发了满足95 t矿用自卸整车的增程器，该增程器实测最大油电转换率达到4.2 k W·h/L（在发动机转速为1 500 r/min、功率为220 k W时），处于行业领先水平。搭载该增程器的矿用自卸整车比传统柴油整车节油约8%，是目前矿用自卸整车重载上坡性价比较高的开发方案。

参考文献:

[1]侯钰,姚栋伟,吴峰,等.混合励磁电机的电动汽车增程器控制策略[J].上海交通大学学报,2021,55(2):206-212.

[2]姜攀登,刘明库.电动汽车增程器燃油效率优化控制[J].内燃机与配件,2022(13):52-54.

文章来源:尤丽艳,汤洁,沈玲等.矿用自卸整车增程器的开发设计[J].汽车与新动力,2023,6(05):32-36.