擋位數(shù)設計對礦用純電動車輛經(jīng)濟性的影響

王帆

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

由于礦用純電動防爆車輛的整體質量較大，需采用防爆電動機直接驅動或單級減速器傳動。為滿足車輛在整個運行過程中達到最高車速、最大爬坡度，該車輛主要通過裝機功率來適應低速大扭矩和高轉速的特性。這導致整車動力匹配后防爆電動機功率過剩，而電動機的高效區(qū)利用率偏低，續(xù)駛里程也偏短，同時防爆驅動電動機經(jīng)常運行在高轉矩、大電流狀態(tài)，既增加了電動機繞組與電池內阻上的能耗，又使電池組的大電流放電縮短了電池使用壽命[1-2]。該車輛在常規(guī)固定速比變速的傳動路線上，配置一個2擋、3擋和4擋AMT換擋變速箱。

本文將基于標定工況和礦區(qū)工況，對不同擋位變速箱傳動系統(tǒng)的純電動防爆車輛進行能耗評估，并對各類傳動系統(tǒng)在特定工況條件下的換擋策略進行了優(yōu)化，深入分析了傳動系統(tǒng)擋位數(shù)與礦用純電動防爆車輛經(jīng)濟性的關系。

1 礦用純電動車輛模型與基本參數(shù)

車輛驅動系統(tǒng)結構如圖1所示，整車基本參數(shù)見表1。

1-2檔主動齒輪；2-1檔主動齒輪；3-1檔從動齒輪；4-同步器；5-2檔從動齒輪；6-主減速器；7-差速器；8-驅動輪。圖1 純電動防爆車輛傳動系統(tǒng)動力學模型

表1 整車的基本參數(shù)

2 仿真工況

1) 車輛動力學模型簡化為單質量點模型[3],即：

式中：v為車速；m0為車質量；mr為車輛等效慣性質量；Fd、Ff和Fw分別為驅動力、滾動阻力和風阻；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風阻系數(shù)。

2) 為便于研究，本文列出了2種工況，見圖2和3。其中，標定工況主要用于模型的仿真分析與樣車試驗數(shù)據(jù)的驗證和標定；礦區(qū)工況主要用于分析設計運行信息的比對分析。在各工況條件下，車輛能耗值見表2。

3) 圖4、圖5和圖6列出了采用2、3、4擋傳動系統(tǒng)礦用純電動防爆車輛的驅動力-行駛阻力圖，各擋位速比均經(jīng)過優(yōu)化匹配計算，3種傳動系統(tǒng)速比匹配均能滿足最大爬坡度14 °，0～25 km/h加速時間20 s，以及最高車速40 km/h的設計要求。

圖2 標定工況

圖3 礦區(qū)工況

表2 工況信息與原車能耗

圖4 2擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

圖5 3擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

3 限制制動轉矩情況下能耗比較

為提高系統(tǒng)動力性和可靠性，把防爆驅動電動機的最大制動轉矩限制為350 N·m，制動功率限制為80 kW，在優(yōu)化仿真時需要添加上述約束條件和邊界條件，車輛剩余不足的制動力矩由濕式機械制動裝置來提供。標定工況下優(yōu)化前、后的防爆驅動電動機工作點分布如圖7和圖8所示。

圖6 4擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

圖7 標定工況優(yōu)化前防爆電動機工作點

圖8 標定工況優(yōu)化后防爆電動機工作點

由圖7與圖8對比可知，整車檔位優(yōu)化后的防爆驅動電動機在標定工況下的工作點分布在高效率的區(qū)域面積增加，系統(tǒng)效率更高，整車經(jīng)濟性更好[4-6]。

標定工況下2擋、3擋和4擋傳動系統(tǒng)車輛防爆驅動電動機在不同車速下的工作點分布圖分別如圖9、圖10和圖11所示，圖中傾斜粗實線可以作為升擋線，與之臨近的粗點劃線為降擋線。

礦區(qū)工況下2擋、3擋和4擋傳動系統(tǒng)車輛防爆驅動電機在不同車速下的工作點分布圖分別如圖12、圖13和圖14所示[7-8]。

圖9 標定工況下2擋傳動系統(tǒng)車輛

圖10 標定工況下3擋傳動系統(tǒng)車輛

圖11 標定工況下4擋傳動系統(tǒng)車輛

圖12 礦區(qū)工況下2擋傳動系統(tǒng)車輛

圖13 礦區(qū)工況下3擋傳動系統(tǒng)車輛

由圖9～14可以得出：

1) 2擋、3擋和4擋傳動系統(tǒng)純電動防爆車輛的擋位分布清晰可見，易得出對應換檔策略。

2) 對比不同工況下，相同擋位數(shù)傳動系統(tǒng)的純電動防爆車輛可知，雖工況不同，但最佳換擋分布規(guī)律一致。

圖14 礦區(qū)工況下4擋傳動系統(tǒng)車輛

3) 換擋規(guī)律體現(xiàn)了防爆驅動電動機在較低轉速升擋邏輯，且需求功率越小，升擋轉速越低，進一步體現(xiàn)了最優(yōu)換擋規(guī)律的控制邏輯，同時也符合常規(guī)駕駛習慣。

應用優(yōu)化后換擋策略對純電動防爆車輛進行動力學仿真，得到能耗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 優(yōu)化后換檔策略能耗

由表3可知：

1) 基于礦用純電動防爆車輛樣車研究，采用優(yōu)化后的換擋策略可實現(xiàn)經(jīng)濟性提升6%～88%。

2) 換擋優(yōu)化車輛后的經(jīng)濟性在礦區(qū)工況下尤其明顯，配置3擋傳動系統(tǒng)車輛的能耗僅比配置4擋車輛的能耗增加1%左右；配置2擋傳動系統(tǒng)車輛的能耗則普遍要比配置4擋車輛的能耗增加約5%。

3) 優(yōu)化后配置2擋傳動系統(tǒng)車輛的經(jīng)濟性仍然比未優(yōu)化配置4擋車輛的經(jīng)濟性提升約3%。

4 結論

1) 建立了礦用純電動防爆車輛動力驅動系統(tǒng)仿真計算模型，分析了2擋、3擋、4擋3種AMT配置對整車經(jīng)濟性的影響。

2) 按照標定工況和礦區(qū)工況分別提出了最優(yōu)換擋控制，并求解出對應能耗。

3) 在采用優(yōu)化換擋策略的情況下，配置3擋車輛比配置4擋車輛多消耗約1%的能耗，配置2擋車輛比配置4擋車輛多消耗約4%～5%的能耗。

4) 針對純電動防爆車輛，檔位數(shù)由3擋增加到4擋只能實現(xiàn)非常有限的經(jīng)濟性提升，由此推出，采用更多擋位數(shù)反而會增加車輛傳動系統(tǒng)的復雜性，成本也會隨之增加。

5) 當前純電動防爆車輛設計考慮使用3擋AMT變速箱，以滿足要求。