祁宏
(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)
近年來(lái),隨著鋰電池技術(shù)的不斷突破,鋰電池的安全性不斷提高。井下防爆鋰電池車(chē)輛因具有零排放、低噪音、高比能量等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被各大煤礦用戶(hù)所接受,很好地解決了目前防爆柴驅(qū)車(chē)輛發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。但我國(guó)煤礦數(shù)量眾多且分布廣泛,井下使用條件參差不齊,復(fù)雜惡劣的使用工況對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力總成提出了更加苛刻的要求:對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)要求比較高(頻繁的啟停、上下坡、加減速),并能夠適應(yīng)極限工況,附加能量回饋的性能;要求動(dòng)力電池比能量高、安全性好等。排除電動(dòng)機(jī)和電池技術(shù)等客觀因素的影響,車(chē)輛動(dòng)力總成設(shè)計(jì)的合理性也是影響整車(chē)性能的重要因素。研究車(chē)輛動(dòng)力總成對(duì)于提升整車(chē)性能至關(guān)重要[1-2]。
電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的功能為將車(chē)載電能轉(zhuǎn)化為車(chē)輛行駛的動(dòng)能,保證車(chē)輛正常運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)一般由車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載能量系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)的匹配程度直接影響整車(chē)性能,尤其是防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和防爆動(dòng)力電池的匹配程度,對(duì)礦用純電動(dòng)防爆車(chē)輛的整車(chē)性能產(chǎn)生重大影響。本文以防爆鋰電池人車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配為例,研究了防爆鋰電池車(chē)輛的動(dòng)力總成。車(chē)輛的基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求如表1和表2所示。
表1 整車(chē)的基本參數(shù)
表2 整車(chē)性能指標(biāo)要求
車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是將電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩傳遞到車(chē)輪上,所選傳動(dòng)型式的不同,將直接影響到車(chē)輛效率。電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛常用傳動(dòng)型式和傳動(dòng)效率如表3所示[4]。設(shè)計(jì)時(shí)為了減輕車(chē)重,提高傳動(dòng)效率,常以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的定比減速器取代方案2中笨重的變速箱,即“電動(dòng)機(jī)+減速器+驅(qū)動(dòng)橋+輪胎”。
表3 傳動(dòng)方式對(duì)比
礦用防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為滿(mǎn)足防爆車(chē)輛復(fù)雜的使用條件,一般通過(guò)電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)匹配[3]。
2.2.1 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率
驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率直接關(guān)系到車(chē)輛的動(dòng)力性。電動(dòng)機(jī)功率越大,車(chē)輛的加速性和爬坡性越好,但電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的增大;同時(shí),電動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)的時(shí)間短,不利于車(chē)輛的能量利用率,降低了車(chē)輛的續(xù)航里程。防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大功率Pmax一般由車(chē)輛最高車(chē)速和最大爬坡度時(shí)所需的功率共同決定,即:
(1)
(2)
Pmax≥max{P1,P2}
(3)
式中:P1為按照最高車(chē)速計(jì)算的防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率;P2為按照最大爬坡度計(jì)算防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率;uα為爬坡速度。
2.2.2 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩是防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間、高效率工作的轉(zhuǎn)矩,應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)輛較長(zhǎng)距離爬坡的需求,通常按照車(chē)輛7°坡連續(xù)運(yùn)行3 km的工況進(jìn)行考核。最大轉(zhuǎn)矩為防爆電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載轉(zhuǎn)矩,通常匹配車(chē)輛坡道起步能力或短距離極限爬坡能力。對(duì)于固定傳動(dòng)比車(chē)輛,防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速直接決定車(chē)輛最高車(chē)速。額定轉(zhuǎn)速的選取則會(huì)影響到車(chē)輛經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車(chē)速區(qū)間的分布,直接影響車(chē)輛續(xù)駛里程。
防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN:
(4)
防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)通常位于額定轉(zhuǎn)速附近。為提高車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性,通常將車(chē)輛常用車(chē)速或經(jīng)濟(jì)車(chē)速對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速相匹配,即:
(5)
式中:ig為減速器速比;i0為主減速比;uc為車(chē)輛經(jīng)濟(jì)車(chē)速。
2.2.3 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)效率
防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)除了應(yīng)具備上述要求的機(jī)械特性外,整個(gè)工作區(qū)域具有高效率也至關(guān)重要。由純電動(dòng)防爆車(chē)輛整個(gè)運(yùn)行工況可知,防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不單單工作在某一額定點(diǎn),而是一個(gè)工作區(qū)域。因此,要求防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性區(qū)域內(nèi)應(yīng)有高效率。選用時(shí)為了得到最佳的經(jīng)濟(jì)性能,應(yīng)確保防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻繁工作區(qū)域完全處在高效率區(qū)。
鑒于防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)往往與電動(dòng)機(jī)控制器配合運(yùn)行,僅僅考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的效率對(duì)研究整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)作用不夠明顯。在設(shè)計(jì)過(guò)程中常研究防爆電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的效率:
η=η1η2
(6)
式中:η為防爆電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率;η1為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在某一點(diǎn)的效率;η2為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制器在某一點(diǎn)的效率。
一般將系統(tǒng)效率在85%以上的工作點(diǎn)定義為高效工作點(diǎn)。當(dāng)前行業(yè)通常要求效率大于85%的效率區(qū)占整個(gè)工作區(qū)的85%以上,即“雙重85%評(píng)估系統(tǒng)”?;谏鲜鲅芯?,防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率MAP圖如圖1所示[4],防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)及控制系統(tǒng)匹配結(jié)果如表4和表5所示。
圖1 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率MAP圖
鑒于鋰離子蓄電池在煤礦中應(yīng)用,對(duì)其安全性提出了更加嚴(yán)格的要求。根據(jù)最新的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),目前井下防爆鋰電池車(chē)輛均采用磷酸鐵鋰單體電池,并將單體電池安置在經(jīng)過(guò)打壓試驗(yàn)的防爆電池箱內(nèi)。對(duì)電池組匹配如下。
車(chē)輛以等速u(mài)e行駛時(shí),電池負(fù)載功率為:
(7)
式中:P為電池負(fù)載功率;η為防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率;ηb為防爆動(dòng)力電池組放電效率。
車(chē)輛按照車(chē)速u(mài)e等速行駛距離S消耗的能量為:
(8)
單位里程消耗的能量為:
(9)
車(chē)載電池組的放電容量、單體放電電流與溫度存在一定關(guān)系。電池組放電容量為:
表4 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果
表5 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)效率匹配結(jié)果
(10)
蓄電池需求數(shù)量為:
(11)
式中:C為電池組放電容量;U0為蓄電池單體電壓;ξ(C)為放電過(guò)程溫度與電流的影響因數(shù);C1為蓄電池單體額定容量。
防爆動(dòng)力電池組容量的增加會(huì)提升續(xù)駛里程,但同時(shí)也導(dǎo)致整備質(zhì)量增加,能耗增大,又會(huì)抑制續(xù)駛里程。為了更好地研究電池組容量和質(zhì)量之間的相互關(guān)系,本文引入防爆鋰離子蓄電池電源裝置荷電狀態(tài)(SOC)質(zhì)量比系數(shù):
(12)
m=nmb+mP+mo
(13)
式中:m為防爆鋰離子蓄電池電源裝置的質(zhì)量;mb為防爆單體電池的質(zhì)量;mP為防爆鋰離子蓄電池電源裝置隔爆箱體的質(zhì)量;mo為電池管理系統(tǒng)、線(xiàn)束、開(kāi)關(guān)等附件的質(zhì)量。
通過(guò)以上計(jì)算分析及標(biāo)準(zhǔn),電池組的匹配結(jié)果如表6所示。單體類(lèi)型為磷碳鐵鋰,工作溫度0~55 ℃(充電);-20~55 ℃(放電)。
表6 礦用隔爆型鋰離子蓄電池電源匹配結(jié)果
確定防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出特性后,傳動(dòng)比的選擇完全取決于車(chē)輛動(dòng)力性能的要求,即滿(mǎn)足車(chē)輛最高預(yù)期速度、最大爬坡度的要求。
1) 最小傳動(dòng)比的確定(根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最高車(chē)速計(jì)算):
(14)
2) 最小傳動(dòng)比的確定(根據(jù)最大爬坡度計(jì)算):
(15)
則傳動(dòng)比的區(qū)間為[imin,imax],采用區(qū)間優(yōu)化算法并兼顧現(xiàn)有傳動(dòng)零部件參數(shù),匹配結(jié)果如表7所示。
表7 傳動(dòng)系統(tǒng)速比的匹配結(jié)果
利用Matlab/Simulink分別建立防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、礦用隔爆型鋰離子蓄電池電源、主減速器和變速器各模塊仿真模型,布局按照整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。將以上各模塊進(jìn)行封裝連接構(gòu)成整車(chē)仿真模型進(jìn)行分析[5-6]。
井下防爆車(chē)輛的動(dòng)力性仿真主要關(guān)注最高車(chē)速、爬坡性能。仿真結(jié)果:最高車(chē)速43.7 km/h;最大爬坡度14.5°;坡道起步能力12.6°。仿真結(jié)果符合表2中整車(chē)性能指標(biāo)要求。
經(jīng)濟(jì)性仿真基于20 km/h等速行駛工況和王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況,評(píng)估車(chē)輛的續(xù)航里程和單位里程能耗率。王家?guī)X輔助運(yùn)輸巷道的工作狀況為單向18 km,如圖2所示。路面條件為全部硬化,伴有淋水和積水。
等速行駛工況法:每公里能量消耗率為0.53 kW·h,運(yùn)行過(guò)程中SOC隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。
王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況:每公里能量消耗率為0.62 kW·h,動(dòng)力電池SOC變化情況如圖4所示。
圖2 王家?guī)X輔助運(yùn)輸大巷工況簡(jiǎn)圖
圖3 等速行駛下車(chē)輛運(yùn)行情況
圖4 王家?guī)X煤礦工況下動(dòng)力電池SOC變化情況
基于防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)MAP圖,仿真得出車(chē)輛在王家?guī)X輔運(yùn)大巷運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作圖如圖5所示。
圖5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)MAP圖及模擬工況點(diǎn)的分布情況
由圖5可知,防爆電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍為0~4 000 r/min,轉(zhuǎn)矩落在最大轉(zhuǎn)矩包絡(luò)曲線(xiàn)內(nèi),較好地滿(mǎn)足該工況下最高車(chē)速、最大坡度及加速性能要求。
通過(guò)對(duì)防爆鋰電池車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算與匹配,并運(yùn)用軟件分析與試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果加以驗(yàn)證,得出該車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)高效可靠,能夠保證車(chē)輛在起動(dòng)和上坡時(shí)具有低速、大扭矩的輸出特性,在正常運(yùn)行期間具有高速和低扭矩特性,滿(mǎn)足車(chē)輛復(fù)雜多變的工況要求。