混合動(dòng)力礦用自卸車節(jié)油技術(shù)開發(fā)

高志廣

摘?要：采用混合動(dòng)力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在SKT150礦用自卸車和SET150礦用自卸車為例，分別采用并聯(lián)和串聯(lián)混合動(dòng)力構(gòu)型，開發(fā)混合動(dòng)力控制程序，控制通過變速箱的控制以及整車控制策略可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩的雙解耦，盡量保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于較優(yōu)的工作區(qū)間，實(shí)現(xiàn)較高的節(jié)油率。通過控制策略，實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能助力模式，既可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間，又實(shí)現(xiàn)在極端工況電機(jī)全功率助力模式，又識(shí)別出電機(jī)合適充電的工況進(jìn)行能量回充。仿真結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在最佳經(jīng)濟(jì)性曲線上，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗明顯降低;實(shí)車現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果表明實(shí)際節(jié)油率高于計(jì)劃節(jié)油率，節(jié)油效果顯著。

關(guān)鍵詞：礦用自卸車 ;混合動(dòng)力 ; 節(jié)油

Abstract：It features the topological structure of hybrid power. Take SKT150 Mining Dump Truck and SET150 Mining Dump Truck as examples. They feature parallel and series hybrid power configurations respectively， development of hybrid power control program， transmission control and machine control strategies for dual-decoupling of the engine speed torque， ensuring an optimized working space of the engine and higher fuel-saving rate. With the control strategy， it also realizes the intelligent assist mode of the motor for the adjustment of the working space of the engine， full-power assist mode of the motor under severe conditions， and identification of the applicable conditions for energy recharging of the motor. The simulation results indicate that the engine can be operated on the optimal economy curve with significantly lower fuel consumption. The on-site verification results show that the actual fuel-saving rate is higher than that as planned with an obvious fuel-saving effect.

Keyword：Mining Dump Truck?hybrid power?fuel-saving

引言

礦用自卸車包括寬體車在朝著大噸位的方向發(fā)展，但是動(dòng)力配套一直是制約發(fā)展的主要因素。礦用自卸車主要部件和關(guān)鍵技術(shù)被國外壟斷，設(shè)備采購的成本很高，大型礦用自卸車采用的進(jìn)口大功率發(fā)動(dòng)機(jī)采購價(jià)超過整車成本的25%，導(dǎo)致成本過高，產(chǎn)品失去競爭力。同時(shí)國內(nèi)代理商較少，采購無議價(jià)權(quán)，導(dǎo)致配件成本較高，并且進(jìn)口的配件每年漲價(jià)，采購周期長達(dá)2-5個(gè)月，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)故障后不能及時(shí)維修，后期維護(hù)成本高。由于露天礦坑運(yùn)輸物料的特點(diǎn)，傳統(tǒng)配置大排量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗高，運(yùn)營成本高。針對以上痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種解決方案，采用發(fā)動(dòng)機(jī)+電機(jī)/雙發(fā)動(dòng)機(jī)+電池的方案，用中小功率發(fā)動(dòng)機(jī)代替進(jìn)口大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，在滿足動(dòng)力性基礎(chǔ)上降低成本，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時(shí)開發(fā)一套混合動(dòng)力控制程序，優(yōu)化控制策略，保證混動(dòng)產(chǎn)品相比于同款燃油車節(jié)油率在5%以上;開發(fā)電機(jī)助力模式與發(fā)電模式自動(dòng)切換策略，保證SOC處于20%-85%。

混合動(dòng)力礦用自卸車構(gòu)型方案

額定載質(zhì)量100T的SKT150礦用自卸車采用的是P3構(gòu)型的并聯(lián)混合動(dòng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其動(dòng)力拓?fù)鋱D如圖1所示：

SKT150礦用自卸車的發(fā)動(dòng)機(jī)摒棄同噸位燃油礦用自卸車的功率783KW的進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，替代為565KW的國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用2個(gè)250KW電機(jī)和2個(gè)2擋變速箱以及258KWh的動(dòng)力電池。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：可選用容量較低的電池組，相應(yīng)的降低了動(dòng)力電池的成本和質(zhì)量;通過優(yōu)化控制算法，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)礦用自卸車，減少能量轉(zhuǎn)換造成的損失;當(dāng)?shù)V用自卸車處于重載上坡等惡劣工況時(shí)，動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)可以向礦用自卸車提供補(bǔ)充動(dòng)力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定地工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)在工作區(qū)間內(nèi)的大幅波動(dòng)。

并聯(lián)混合動(dòng)力的工作模式可分為四種，其工況和特點(diǎn)見表1：

額定載質(zhì)量136T的電動(dòng)礦用自卸車SET150采用的串聯(lián)混合動(dòng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

SET150礦用自卸車的發(fā)動(dòng)機(jī)摒棄同噸位1119KW的進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，替代為2個(gè)565KW的國產(chǎn)雙發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用2個(gè)560/900KW的電動(dòng)輪和200KWh的動(dòng)力電池。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于：發(fā)動(dòng)機(jī)從復(fù)雜的路面負(fù)荷中解耦出來，減少發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁地變換工作區(qū)間，更加容易的控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，使其保持在穩(wěn)定、高效、低污染的工作區(qū)間內(nèi)。其缺點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能之后再由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中，經(jīng)歷的能量轉(zhuǎn)換會(huì)造成能量損失。

技術(shù)路線

根據(jù)整車動(dòng)力特性（燃油動(dòng)力總成和電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成）和駕駛員加速度需求，建立整車駕駛員模型。在D擋建立并使用經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)（EVT）、強(qiáng)制發(fā)電（Compel Discharge）、強(qiáng)制放電（Compel Charge）、滑行控制（Coast Brake）等4種模式，在R擋建立并使用經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)制放電、滑行控制等三種控制模式。通過不同狀態(tài)機(jī)的切換，來控制和分配扭矩，完成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與電機(jī)扭矩的管理，實(shí)現(xiàn)SOC電平衡和提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。以D擋為例，其工作模式狀態(tài)機(jī)切換圖如圖3所示：

整車控制策略

在經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)模式中，混動(dòng)模型首先通過駕駛員模型和當(dāng)前的限速扭矩系數(shù)計(jì)算出當(dāng)前整車驅(qū)動(dòng)扭矩。同時(shí)根據(jù)SOC查表（發(fā)電查表）得到當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)額外用來發(fā)電的功率，兩者相加，得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的扭矩輸出指令。再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的扭矩輸出反饋，計(jì)算電機(jī)的實(shí)際發(fā)電指令。在強(qiáng)制充電模式下，通過調(diào)整EVT模式中發(fā)電查表，來增加發(fā)電的比例，在整車可接受的動(dòng)力性下降的前提下，優(yōu)先保證SOC30%以下的充電。同時(shí)限制電機(jī)的扭矩輸出，雙管齊下進(jìn)行電耗的。在強(qiáng)制放電模式下，通過優(yōu)先讓電機(jī)進(jìn)行持續(xù)的額定扭矩輸出，剩余的整車所需功率由發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)齊的方法，來防止電池滿充。在滑行控制模式下，通過對當(dāng)前車速進(jìn)行查表來進(jìn)行制動(dòng)能量回收，增加能量利用率。

通過對整車需求的判斷，選擇不同的工作模式，合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩沒實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)型的雙優(yōu)表現(xiàn)。在強(qiáng)制放電模式下，SOC的區(qū)間在85%-100%，優(yōu)先使用電機(jī)持續(xù)扭矩輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)整車需求工作在0油耗或最低油耗狀態(tài);在混動(dòng)模式下，SOC的區(qū)間在20%-85%，計(jì)算出整車的功率需求，根據(jù)當(dāng)前SOC和整車的功率需求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，根據(jù)整車扭矩的需求和扭矩反饋，得到電機(jī)的工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的扭矩耦合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性;在強(qiáng)制發(fā)電模式下，SOC的區(qū)間在0%-20%，其工作邏輯與混動(dòng)模式基本相同，但是調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率更大，需要補(bǔ)充電量;在制動(dòng)模式下，進(jìn)行滑行能量回收和制動(dòng)能量回收。

軟件架構(gòu)和仿真

借鑒AutoSar的軟件架構(gòu)，將軟件劃分為BSW（基礎(chǔ)軟件）、ASW（應(yīng)用層軟件）、RTE（實(shí)時(shí)接口層）三部分。軟件功能設(shè)計(jì)有網(wǎng)絡(luò)管理功能、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、上下電管理、目標(biāo)扭矩控制、電池控制、取力舉升控制、HMI信息交互、其他電氣控制、車身故障診斷、無人駕駛預(yù)留。網(wǎng)絡(luò)管理功能滿足動(dòng)力、底盤、無人駕駛、HMI網(wǎng)絡(luò)交互需求規(guī)范;發(fā)動(dòng)機(jī)管理功能設(shè)計(jì)有點(diǎn)火和勵(lì)磁信號(hào);上下電管理設(shè)計(jì)有低壓上電初始化、整車高壓上電、遠(yuǎn)程CCU喚醒功能、整車下電流程;目標(biāo)扭矩控制設(shè)計(jì)有正負(fù)扭矩輸出、擋位信息轉(zhuǎn)發(fā)、無人駕駛控制預(yù)留;電池控制設(shè)計(jì)有充電控制、制動(dòng)能量回收、電池制冷控制。該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化、模塊化，軟件可以快速共享和移植，能夠快速應(yīng)用到同平臺(tái)上的不同型譜車型，降低成本縮短開發(fā)周期。

以SKT150礦用自卸車和SET150礦用自卸車為例進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示：

SKT150礦用自卸車采用的是并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型，使用邏輯門限控制算法，基于SOC劃分不同的整車扭矩分配和發(fā)動(dòng)機(jī)工作方式;其中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作調(diào)整包括通過優(yōu)化變速箱換擋策略，調(diào)整工作點(diǎn)由A到B，在保持功率輸出的同時(shí)，比油耗降低5.1%;當(dāng)電池SOC足夠時(shí)，調(diào)整工作點(diǎn)由V到U，電機(jī)提供額外的輸出功率，不但發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗降低2.7%，發(fā)動(dòng)機(jī)總功率降低，進(jìn)一步的降低了油耗。

SET150礦用自卸車采用的是串聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型，使用恒溫器控制算法，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)固定在最佳油耗點(diǎn)。在SOC超出設(shè)定的閾值后，使用功率跟隨控制算法讓控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在最佳經(jīng)濟(jì)性曲線。

實(shí)車驗(yàn)證

在保證了產(chǎn)品動(dòng)力性能相當(dāng)?shù)那闆r下，大幅度的降低了產(chǎn)品的成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。

以SKT150礦用自卸車為例，與95C礦用自卸車油耗進(jìn)行對比驗(yàn)證，運(yùn)行一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示：

在某礦區(qū)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，累計(jì)運(yùn)行522小時(shí)，行程為3615Km，計(jì)劃節(jié)油率為15%，實(shí)際節(jié)油率達(dá)到22%，節(jié)油效果明顯。匹配當(dāng)時(shí)油價(jià)，估算出單車一年可節(jié)約油費(fèi)22萬元。

結(jié)語

本文分別對并聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)和串聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的礦用自卸車開發(fā)節(jié)油技術(shù)，通過仿真和實(shí)車驗(yàn)證，可以得到，開發(fā)的混合動(dòng)力礦用自卸車節(jié)油技術(shù)可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性曲線上，節(jié)油效果顯著。隨著國家日益增長的節(jié)能減排要求，新能源政策不斷出臺(tái)，礦用自卸車行業(yè)的新能源化是大勢所趨，該技術(shù)順應(yīng)市場和政策需求，其實(shí)現(xiàn)節(jié)能、電平衡的混動(dòng)策略是在市場中取勝的關(guān)鍵。