基于Cruise混合礦用車再生制動系統(tǒng)研究

方桂花 曾標 王鶴川 高旭

摘 ?要： 為了提高混合礦用汽車在上坡時的驅動力及下坡時的制動力， 對帶有電力再生制動系統(tǒng)的混合礦用汽車進行建模仿真， 并對系統(tǒng)中的關鍵元件進行參數(shù)設計。依據(jù)某款4×2機械傳動礦用車為原型，改進原有系統(tǒng)，并進行單獨制動和驅動的仿真，設置電機輸出不同的轉矩，進行對比仿真分析，從而得出對電池電量、速度、制動效果的影響，驗證后驅單軸并聯(lián)電力再生制動能量回收系統(tǒng)的可行性。結果表明：混合礦用自卸車加上再生制動系統(tǒng)，各個擋位的爬坡度性能提高了5%左右，制動效率也提高了，在上坡和加速時可提供較大的轉矩，再生制動系統(tǒng)不僅提高了動力性能，同時對整車燃油經(jīng)濟性也有所提高。

關鍵詞： 再生制動系統(tǒng); 建模仿真; 轉矩設置; 對比分析; 爬坡性能; 制動效率

中圖分類號： TN99?34; U461.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）15?0160?05

Analysis on Cruise?based regenerative braking system for hybrid truck

FANG Guihua， ZENG Biao， WANG Hechuan， GAO Xu

（Institute of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Science & Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： In order to improve the driving force on the uphill and the braking force on the downhill of the hybrid mining vehicle， the hybrid mine truck with the electric regenerative braking system was modeled and simulated， and the key components in the system were parameterized. Taking a 4×2 mechanical transmission mining truck as the prototype for improvement of the original system， the separate braking and driving simulations are conducted， ?different output torque is set for its motor， and the comparative simulation analysis is performed to get battery′s electric quantity， speed， and braking effects. The feasibility of a single?axis parallel regenerative braking energy recovery system for rear?drive is verified. The results show that the hill?climbing performance of each gear of the hybrid mine dump truck with the regenerative braking power system is increased by about 5%， and the braking efficiency of the truck is also improved. In the process of uphill and acceleration， the system can provide greater torque. The regenerative braking power system can improve power performance and truck's fuel economy.

Keywords： regenerative braking system; modeling simulation; torque set?up; contrastive analysis; hill climbing performance; braking efficiency

0 ?引 ?言

目前，傳統(tǒng)礦用自卸車主要分為電傳動和機械傳動，由于我國中小型礦山開采主要應用機械傳動礦用自卸車，但機械傳動礦用自卸車存在爬坡性能差、燃油經(jīng)濟差、能源浪費等問題。再生制動能量回收系統(tǒng)是解決上述問題最有效的途徑之一[1]，然而輪轂電機驅動又不適用于小噸位車輛。

當今小型礦用自卸車主要采用串聯(lián)式及并聯(lián)式混合動力驅動方式，因此，需要對動力系統(tǒng)結構的驅動系統(tǒng)進行重新設計。相關研究人員考慮在原車結構基礎上進行改進，如采用雙軸獨立系統(tǒng)構成復合式四驅混合動力車[2]，優(yōu)點是減少設計周期、大幅度降低改動費用;針對單軸并聯(lián)式混合動力礦用自卸車設計電輔助式控制策略[2]，根據(jù)不同要求改善整車性能。

本文基于4×2機械傳動礦用自卸車進行改進，由于此車空載時，重量分布前軸33%，后軸67%，采用后單軸并聯(lián)聯(lián)合驅動，其余仍保留原有傳動系統(tǒng)的結構，構成并聯(lián)式混合動力礦用自卸車，該方法對原車結構改動較小，較容易實現(xiàn)樣車，并通過合理的設置電機輸出不同的轉矩、制動力矩，也提高了整車的動力性和安全性能。最后通過仿真驗證了再生制動能量回收系統(tǒng)的有效性。

1 ?混合再生制動能量回收系統(tǒng)工作原理

對混合再生制動能量礦用汽車進行研究，再生制動能量回收原理為：在下坡或制動時，連接后軸的傳動系統(tǒng)11，4，3帶動10開始工作，給12充電;此時，2處于斷開，通過改變電機轉速、轉矩可以控制再生制動力的大小。由再生制動力帶動電機反轉產(chǎn)生的電能儲存在12中。若此系統(tǒng)回收的能量超過電池儲存的能力范圍，為保護電池性能，改為完全機械制動方式。

礦用汽車在上坡或啟動行駛時，將12儲存的電能通過10和1聯(lián)合驅動傳動系統(tǒng)傳遞到驅動軸，為礦用汽車驅動，此時電池電量（SOC）下降。當SOC小于設定下限值時，為保護電池，電池不再為再生制動能量回收系統(tǒng)提供驅動力。如圖1所示。

圖1 ?電力再生制動能量回收系統(tǒng)原理圖

2 ?再生制動系統(tǒng)主要參數(shù)設計

2.1 ?電機參數(shù)設計

2.1.1 ?電機扭矩的確定

爬坡階段時，由于速度較小，可以忽略整車空氣阻力，其余主要阻力是滾動阻力、坡道阻力。礦用汽車動力在坡道較大時動力不足，可以由電機和發(fā)動機共同提供驅動力，提供動力應大于阻力之和，整車需求動力為：

式中：[Ft]為作用在車輪上的驅動力;[g]為重力加速度;[Ma]為滿載質量，由于混合車型增加電機和電池組質量，對整車質量幾乎沒有影響，取[Ma]=80 000 kg;[f]為滾動阻力系數(shù)。

由于對原車進行改動，機械制動為主要制動動力源，電機只提供輔助制動力，因此整車所需制動力首先由液壓制動所能提供的最大制動力來滿足，不足的部分由電機來補償。機械制動所能提供的制動力為：

式中：[Ft]為車輪上所產(chǎn)生的總機械動力，單位為[N];[Ftq]為電機再生制動力，單位為N;[ig]為爬坡時所使用擋位的傳動比;[ηt]為整車動力傳動機械效率;[r]為車輪滾動半徑，單位為m。

2.1.2 ?電機功率的確定

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

根據(jù)爬坡性能要求計算整車需求總功率為：

式中：[αmax=（imax%）]，[i]為最大爬坡度;[vmax]為整車最大速度，單位為km/h。整車需求的驅動功率主要由發(fā)動機來提供，不足的部分由聯(lián)合電機驅動，則電機所能提供的輸出功率應滿足[Pm≥Pa-Pe]（[Pe]為發(fā)動機所能提供的功率）。

根據(jù)實際運行工況要求，混合動力礦用汽車在15%～25%坡道上以4 km/h以上的車速勻速爬坡。

因此，電機所能輸出的功率應滿足[Pm≤max（Pm?15%，Pm?25%）]，折算得到驅動輪所需電機功率分別為[Pm?15%]= 87 kW和 [Pm?25%]=79 kW。

2.2 ?電池組的參數(shù)確定

由于混合礦用汽車自重和滿載時較重，再生制動系統(tǒng)可回收的能量與電池容量有關，并且輸出功率較大。因此，要求選用電池密度大和功率密度較高的鋰電池組，以便減小電池組重量及體積，滿足大功率充放電需求。

動力電池組不僅給電機提供電能，并且在車輛下坡制動過程中，通過電機把重力勢能全部轉化的電能存儲在電池組中。主要考慮電壓等級和容量，其中電壓等級必須在電機的電壓工作范圍之內，確定動力電池組的技術參數(shù)公式如下：

式中：[EC]為放電能量，單位為[A?h];[S]為礦用自卸車純電動行駛里程，單位為[km];[C]為電池容量，單位為[A?h];[U]為電池組電壓等級，單位為V。

3 ?混合礦用車再生制動系統(tǒng)控制策略

控制策略的主要作用是根據(jù)需求和實際工況轉換到不同工作模式，對再生制動系統(tǒng)控制策略進行研究。在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建再生制動系統(tǒng)控制策略模型如圖2所示。

圖2 ?再生制動系統(tǒng)控制策略模型

再生制動系統(tǒng)控制策略的控制原理：主要通過電池電量（SOC）、制動力、車速進行信號邏輯控制，對上述描述如下：

1） 當需求制動力小于最大電機制動力且電池電量和速度都小于上限值時，再生制動系統(tǒng)的制動力全部由電制動系統(tǒng)提供。

2） 當需求制動力大于最大電機制動力且電池電量和速度都小于上限值時，混合動力汽車制動力由電制動與機械制動系統(tǒng)共同產(chǎn)生。

3） 其余均由機械單獨制動。

4） 驅動工況下，當車速大于4.16 m/s時，再生制動系統(tǒng)礦用車僅由發(fā)動機提供驅動力。

5） 當牽引力小于需求驅動力且車速小于4.16 m/s，電池電量大于下限值，電動機與發(fā)動機聯(lián)合驅動。

4 ?再生制動能量回收系統(tǒng)的建模與仿真

Cruise是一款商用軟件，很容易建立復雜的傳動系統(tǒng)模型，不需要搭建數(shù)學模型和數(shù)學公式推導。所以，本研究利用Cruise/Simulink軟件中的電機、電池、發(fā)動機、控制信號、傳動系統(tǒng)搭建混合動力礦用車再生制動能量回收系統(tǒng)的仿真模型。相應仿真參數(shù)如表1所示。

表1 ?主要仿真參數(shù)

為了準確仿真，將電力系統(tǒng)處于驅動狀態(tài)，即電池放電帶動電機為礦用車提供驅動力，因為電機扭矩是影響輸出的主要因素，所以分析不同轉矩下輸出驅動的對比，如表2所示。

電池電量與電機轉矩隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖4再生制動系統(tǒng)礦用車速度變化可知，仿真批次“1”，“2”，“3”，“4”，“5”電力再生制動系統(tǒng)的礦用車，在110 s時均可以達到最大4.16 m/s，電機輸出轉矩為800 N·m時，到達最大速度利用時間最小，效果最佳。

表2 ?仿真批次與電機輸出轉矩對照表

圖3 ?電池電量變化曲線

圖4 ?再生制動系統(tǒng)礦用車速度變化圖

由圖5，圖6可知，加上再生制動系統(tǒng)比原有系統(tǒng)的爬坡度提高5%左右，各擋位速度上升了一個擋位，為上坡或加速提供較大的轉矩、獲得更有效動力性能。

圖5 ?原車各擋位爬坡度與速度關系

由圖7可知，在下坡制動時，初速度設置5 m/s，在11 s均可以停止，但是采用聯(lián)合制動效果可以明顯優(yōu)于其他制動的效果，以至于可以減輕機械摩擦磨損，提高安全性能。

圖6 ?再生制動系統(tǒng)擋位爬坡度與速度關系

圖7 ?再生制動系統(tǒng)制動與其他制動對比

5 ?結 ?論

以后驅單軸并聯(lián)再生制動能量回收系統(tǒng)的礦車為研究對象，驗證了再生制動系統(tǒng)的上坡和加速的有效性，通過對再生制動系統(tǒng)的電機、電池關鍵元件參數(shù)設計，建立模型并進行驅動力和制動力的仿真，礦用汽車SOC、速度、轉矩、爬坡性能、制動能效等方面的仿真結果表明：

1） 混合再生制動系統(tǒng)只有當電機輸出轉矩為800 N·m聯(lián)合驅動的情況下，礦用汽車的瞬時速度、到達最大速度的時間都有顯著的提高。

2） 可以提供較大的制動力矩，縮小制動系統(tǒng)制動時間，解決了礦用汽車制動穩(wěn)定性能和安全問題。

3） 利用電機聯(lián)合驅動提供較大轉矩，提升爬坡性能、提高動力性能，為今后混合再生制動能量回收系統(tǒng)的設計和研究具有指導意義。

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