防爆電驅(qū)車輛并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)研究

韋建龍

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

無軌膠輪車運(yùn)輸具有靈活、高效、對井下煤層巷道的變化適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)材料、人員、設(shè)備的長距離連續(xù)直達(dá)運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢，已逐步成為煤礦輔助運(yùn)輸首選方式。截至2022年，我國無軌輔助運(yùn)輸煤礦用戶已達(dá)1000余家，輔助運(yùn)輸防爆膠輪車保有量超過20000臺。傳統(tǒng)柴油機(jī)車輛“四高一低”問題日益凸顯，為改善井下環(huán)境，實(shí)現(xiàn)礦井綠色開采，防爆電動車輛是煤礦無軌輔助運(yùn)輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢[1-6]。目前，世界主要煤炭生產(chǎn)國都在積極發(fā)展電動防爆膠輪車?？ㄌ乇死丈a(chǎn)的VTC650、VTC680及488鏟車在神東煤炭集團(tuán)大量使用；國內(nèi)太原煤科院、常州科試、萊州亞通、航天三江等廠家相繼推出WLL-5、WLR-19、WC100Y、WJX80等多種功能的防爆電動車輛[7-9]。與地面環(huán)境不同，因煤礦巷道條件制約，礦用電動車輛外形受限，無法安裝大速比減速器，因此礦用車輛皆采用低速電機(jī)方案減小傳動系統(tǒng)尺寸；此外礦用車輛空滿載質(zhì)量差異大、運(yùn)行路況復(fù)雜多變，長距離坡道多，巷道路況差異性大，不同工況阻力和運(yùn)行速度相差較大，對車輛動力性和續(xù)駛性能提出更高的要求[10]，車輛驅(qū)動系統(tǒng)既要能夠輸出較大扭矩用以克服行駛、爬坡阻力使整車獲得良好的動力性，又要具備高速工況時輸出大功率且較廣的變速范圍，多數(shù)礦用電驅(qū)車輛采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低的固定速比的減速器[11]，導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)長久輸出高轉(zhuǎn)矩、大電流的工作狀態(tài)下，電機(jī)效率低，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，電源能量損失大，而礦用電驅(qū)動車輛續(xù)航里程問題長久以來都是限制礦用電動車輛推廣和發(fā)展的重要因素[12，13]，混合動力驅(qū)動技術(shù)既具有純電驅(qū)系統(tǒng)高效的優(yōu)勢又兼?zhèn)錂C(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)動力強(qiáng)勁的特性，可以較好地解決煤礦電動車輛的上述問題[14]。

1 并聯(lián)雙驅(qū)變速系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車輛并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)主要由動力電機(jī)及控制器、行星減速分流箱、閉式液壓系統(tǒng)、差動行星齒輪箱、輸出分動箱、控制主機(jī)、顯示器以及數(shù)據(jù)采集模塊組成(圖1)。電動機(jī)作為動力輸出裝置為整車提供動力，行星減速分流箱起到減速和動力分流作用，離合器用于控制電驅(qū)回路通斷，差動行星齒輪箱將并聯(lián)雙驅(qū)動系統(tǒng)動力合流后傳遞給輸出分動箱，分動箱將動力最終傳遞給前后橋?qū)崿F(xiàn)動力傳遞。

圖1 并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能結(jié)構(gòu)

主機(jī)通過電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制，電動機(jī)輸出動力經(jīng)行星減速分流箱分流后，一路進(jìn)入液壓驅(qū)動系統(tǒng)，另一路進(jìn)入電驅(qū)動系統(tǒng)，兩條驅(qū)動系統(tǒng)并行連接，通過調(diào)速電磁閥和電控離合器實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)系統(tǒng)的動態(tài)匹配組合，雙驅(qū)動系統(tǒng)輸出經(jīng)差動行星齒輪箱合并后進(jìn)入輸出分動箱，分動箱將動力分別傳遞給前后驅(qū)動橋?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)動力輸出。數(shù)據(jù)采集模塊采集電機(jī)時時運(yùn)行電流，主機(jī)根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流動態(tài)控制液壓系統(tǒng)和電驅(qū)系統(tǒng)動力分配占比，實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)系統(tǒng)輸出動態(tài)匹配，液壓驅(qū)動系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動組合形成并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)，通過控制策略協(xié)調(diào)工作可以實(shí)現(xiàn)單驅(qū)和混合驅(qū)動等多種驅(qū)動模式，節(jié)能效果明顯，可有效提高車輛經(jīng)濟(jì)性[15，16]。

2 控制理論

2.1 控制機(jī)理

礦用車輛空滿載質(zhì)量差異大、運(yùn)行工況復(fù)雜多變，不同工況的運(yùn)行阻力和運(yùn)行速度相差較大。以某型電驅(qū)車輛為例，其最大行駛阻力比最小行駛阻力大11倍，鏟挖作業(yè)阻力可達(dá)16.5倍(圖2)，車輛采用單一電驅(qū)系統(tǒng)，為滿足鏟挖作業(yè)等極限工況，電機(jī)裝機(jī)功率遠(yuǎn)大于其它工況所需功率，導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)在其他工況下電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離電機(jī)額定點(diǎn)，全工況電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩分布分別如圖3、圖4所示。長期工作在低效區(qū)，運(yùn)行效率低，長距離大坡度工況及鏟挖作業(yè)時，電機(jī)長時間過載運(yùn)行發(fā)熱嚴(yán)重，整車呈現(xiàn)能耗高、續(xù)航里程短、充電頻繁、使用性價比低的劣勢。

圖2 全工況行駛阻力

圖3 全工況電機(jī)轉(zhuǎn)速分布

圖4 全工況電機(jī)扭矩分布

針對上述問題，為車輛設(shè)計搭載并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)，當(dāng)車輛運(yùn)行在小驅(qū)動力矩工況時，數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測的電機(jī)運(yùn)行電流數(shù)值低于保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定值，繼電器斷開，電磁閥失電，液壓驅(qū)動系統(tǒng)通過電磁閥聯(lián)通，驅(qū)動馬達(dá)處于自由跟隨轉(zhuǎn)動，不產(chǎn)生動力輸出，離合器吸合，驅(qū)動模式為單電機(jī)驅(qū)動，充分發(fā)揮電驅(qū)動系統(tǒng)的高效優(yōu)勢；當(dāng)整車進(jìn)行鏟、挖作業(yè)等間歇低速大扭矩工況時，離合器分離同時繼電器閉合，電磁閥得電，電機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)工作，機(jī)械速比加持液壓速比共同為整車提供大扭矩，滿足車輛間歇大扭矩工況需求；當(dāng)整車進(jìn)行長距離、大坡度持續(xù)爬坡工況時，離合器吸合同時繼電器閉合，兩種并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)共同為整車提供動力輸出，控制器主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊提供的電機(jī)驅(qū)動電流值，調(diào)整電磁閥驅(qū)動電流值，控制液壓系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)動力分配占比，差動行星齒輪箱匯合動力輸出，實(shí)現(xiàn)不同坡度、不同載荷工況下并聯(lián)動力系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整，滿足車輛爬坡工況需求。

2.2 控制方法

并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)采用基于驅(qū)動電流的閉環(huán)反饋控制策略(圖5)，傳感器采集驅(qū)動電流值I0，通過比較器與系統(tǒng)保護(hù)閥值進(jìn)行差值運(yùn)算，系統(tǒng)設(shè)置高、低兩個保護(hù)閥值I1和I2(I10即電機(jī)驅(qū)動電流值大于系統(tǒng)高保護(hù)閥值，系統(tǒng)默認(rèn)車輛處于大扭矩工況，主機(jī)控制繼電器閉合同時離合器分離，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)短路，車輛進(jìn)入液壓驅(qū)動系統(tǒng)；當(dāng)I1

圖5 閉環(huán)反饋控制策略

并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)是基于車輛行駛阻力變化動態(tài)調(diào)整并聯(lián)雙驅(qū)動系統(tǒng)輸出占比，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)高效輸出，提升電池能量使用效率，增加車輛續(xù)航里程。根據(jù)雙驅(qū)動系統(tǒng)的控制機(jī)理及控制方法，可得雙驅(qū)動系統(tǒng)多工況輸出扭矩計算公式：

Tc=Tj+Ty=ai0Td+(1-a)i0Tdi1=

由式(1)可知，并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三段不同特性輸出：低扭高速工況使用電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，高效節(jié)能；間歇低速大扭矩工況使用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，加持液壓速比實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出；爬坡等長時高速大扭矩工況雙驅(qū)系統(tǒng)共同介入，液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供扭矩輸出，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速，滿足車輛高速大扭矩工況。

3 仿真與試驗

3.1 參數(shù)確定

本研究主要針對電驅(qū)車輛并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)輸出全過程效率研究，以某仿真軟件為平臺，搭建系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真分析，分析過程忽略液壓元件泄漏及管道的壓力損失等因素[17，18]。并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，系統(tǒng)主要仿真參數(shù)見表1。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.2 仿真分析

分別對單輸入驅(qū)動系統(tǒng)和并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)全工作過程進(jìn)行仿真，得到兩套驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)扭矩變化曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真曲線

1)交流電機(jī)單輸入驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)計整車驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)時，電機(jī)輸出性能應(yīng)滿足車輛最大阻力運(yùn)行工況，導(dǎo)致電機(jī)扭矩會遠(yuǎn)大于其它工況扭矩需求。分析仿真結(jié)果可知，整車從30 s開始啟動運(yùn)行，隨著行駛坡度逐漸增加，電機(jī)輸出扭矩逐步增加，全工況過程中電機(jī)長時間處于低速過載狀態(tài)，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，驅(qū)動系統(tǒng)低效運(yùn)行，能量損耗大。

2)并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)變速系統(tǒng)。為解決電驅(qū)車輛在長時高速大扭矩工況電機(jī)長期過載發(fā)熱問題，依靠并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)共同驅(qū)動，通過加持液壓速比減小驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩，控制驅(qū)動電機(jī)在額定扭矩點(diǎn)持續(xù)輸出，同時提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)工作在額定點(diǎn)附近，提升系統(tǒng)效率。仿真中檢測雙驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)、液壓馬達(dá)輸出扭矩及差動行星齒輪箱合成扭矩輸出變化情況：隨著行駛坡度逐漸增加，電機(jī)和液壓馬達(dá)輸出扭矩同步增加，雙驅(qū)系統(tǒng)合成扭矩滿足整車需求，而同一工況下驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩小于單驅(qū)系統(tǒng)中電機(jī)輸出，降幅最大17.7%，最小13.8%，平均降幅15.2%，即在轉(zhuǎn)速不變的情況下，系統(tǒng)效率可有效提升15.2%。

3.3 試驗條件

并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)主要用于改善電驅(qū)車輛在較大行駛阻力工況下，為了增加地面模擬實(shí)驗與井下運(yùn)行工況的契合性，分別選取5°、7°、10°、12°水泥硬化坡道路面以及平路鏟挖多工況試驗，用配重塊替代煤礦輔料作為載荷進(jìn)行加載，結(jié)合模擬試驗場地特點(diǎn)，設(shè)計試驗條件。

以某型電驅(qū)車為例進(jìn)行并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)性能實(shí)驗，該車主要用于煤礦井下物料鏟裝、運(yùn)輸，其工作路線基本覆蓋煤礦電驅(qū)車輛全工況，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)

3.4 試驗結(jié)果分析

通過試驗數(shù)據(jù)可知：高速低扭工況都采用電機(jī)單驅(qū)模式，兩種驅(qū)動系統(tǒng)無差異；低速大扭矩工況時由于加持液壓速比，因此雙驅(qū)系統(tǒng)可降低能耗約32.8%；高速大扭矩工況下雙驅(qū)系統(tǒng)相比單驅(qū)系統(tǒng)平均能耗降低約13.9%。由于現(xiàn)場試驗存在管路壓力損失、滾阻系數(shù)不均勻、輪胎磨損差異性等因素，實(shí)測數(shù)據(jù)低于仿真數(shù)據(jù)，差值1.3%，在合理范圍，仿真與試驗結(jié)論基本一致。

根據(jù)對不同煤礦巷道條件統(tǒng)計計算多種工況占比平均數(shù)，可得并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)全工況條件下相比于電機(jī)單驅(qū)系統(tǒng)綜合能耗可降低約11.3%，考慮到并聯(lián)雙驅(qū)系統(tǒng)導(dǎo)致整車質(zhì)量增加的影響，并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)全工況條件下相比于電機(jī)單驅(qū)系統(tǒng)綜合能耗可降低約10%，其它條件不變整車?yán)m(xù)航里程可提升10%。

4 結(jié) 論

1)礦用電動車輛運(yùn)行工況差異性大，極限工況功率需求遠(yuǎn)大于穩(wěn)定工況需求，全工況純電驅(qū)系統(tǒng)低效區(qū)運(yùn)行時間長，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，驅(qū)動系統(tǒng)效率低。

2)并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)全工況條件下相比于電機(jī)單驅(qū)系統(tǒng)綜合能耗可降低約11.3%，整車?yán)m(xù)航里程可提升10%。

3)并聯(lián)雙驅(qū)動力變速系統(tǒng)應(yīng)用在空滿載質(zhì)量差異較大的車輛效率提升明顯，可有效增加續(xù)航。