尤麗艷　湯潔　沈玲　熊杰

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)電機(jī)；增程器；節(jié)油率；最大油電比

0 前言

國(guó)家對(duì)礦山開(kāi)采的生態(tài)要求越來(lái)越高，各地方也出臺(tái)了相關(guān)政策，明確了礦山用車(chē)的使用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。在此大背景下，一批綠色環(huán)保的新能源工程機(jī)械應(yīng)時(shí)而生。目前，電動(dòng)礦用自卸整車(chē)成為了各大礦山、砂石骨料場(chǎng)越來(lái)越常見(jiàn)的產(chǎn)品。由于礦用自卸整車(chē)特殊的作業(yè)工況（重載下坡、重載上坡及復(fù)合工況），增程式礦用自卸整車(chē)（以下簡(jiǎn)稱“增程整車(chē)”）通過(guò)車(chē)載燃油發(fā)電裝置——增程器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能以達(dá)到長(zhǎng)續(xù)航里程，因而被市場(chǎng)廣泛接受。本文根據(jù)礦用自卸整車(chē)仿真計(jì)算，得出匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，并自主開(kāi)發(fā)了一款適配于礦用自卸整車(chē)的增程器，以實(shí)現(xiàn)該車(chē)的長(zhǎng)續(xù)航里程。

1 增程器

增程式電動(dòng)汽車(chē)在純電動(dòng)汽車(chē)上增加了增程器，增程器能夠?yàn)榧冸妱?dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航、為動(dòng)力電池荷電狀態(tài)提供充電功率，保障電動(dòng)汽車(chē)峰值電功率。

增程式電動(dòng)汽車(chē)示意圖如圖1 所示。增程器由發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)花鍵剛性連接，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一個(gè)或幾個(gè)經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)上，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)的電能可為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電或給動(dòng)力電池充電。而增程器控制器（RCU）與整車(chē)控制器（VCU）通過(guò)整車(chē)層控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）進(jìn)行信息交互，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）、發(fā)電機(jī)控制器（MCU）通過(guò)內(nèi)部CAN 進(jìn)行通信［1］。增程器不直接參與驅(qū)動(dòng)，而是在整車(chē)動(dòng)力電池電量不足時(shí)發(fā)電以提供額外電量，延長(zhǎng)續(xù)航里程，避免電池過(guò)放電［2］。

2 增程器整車(chē)仿真分析

根據(jù)某款95 t 礦用自卸整車(chē)的關(guān)鍵參數(shù)及典型路譜，匹配合適的增程器，對(duì)增程整車(chē)進(jìn)行動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算。整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1。

2. 1 增程器整車(chē)模型搭建

采用AVL Cruise 軟件搭建增程整車(chē)仿真模型，如圖2所示。該模型主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、增程發(fā)電機(jī)2、電池、齒輪箱、后橋、制動(dòng)器、車(chē)輪等模塊組成。

增程發(fā)電機(jī)2 和6DM3 發(fā)動(dòng)機(jī)組成了增程器，給電池充電。同時(shí)，在模型中增加了增程器的控制策略。

2. 2 增程發(fā)電機(jī)選型

基于礦用自卸整車(chē)在各大礦山、砂石骨料場(chǎng)的使用場(chǎng)景，一般常見(jiàn)道路的坡度為5%～8%，車(chē)速≤10 km/h。當(dāng)坡度為5%、車(chē)速為10 km/h 時(shí)，滿載爬坡驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率約為220 kW，如圖3 所示。當(dāng)坡度為8%、車(chē)速為10 km/h 時(shí)，滿載爬坡驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率約為300 kW，如圖4 所示。

為了在大部分運(yùn)行工況中，能夠保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行所需的能耗，減少電池充放電損耗，在現(xiàn)有成熟產(chǎn)品中選擇增程發(fā)電機(jī)的額定功率為300 kW，峰值功率為360 kW。

2. 3 增程器控制策略

根據(jù)電池充電狀態(tài)的不同，增程器選擇用燃油耗點(diǎn)較好的高、中、低功率進(jìn)行充電，有利于延長(zhǎng)電池的壽命。同時(shí)，在仿真計(jì)算中不考慮電池的壽命。為了計(jì)算的簡(jiǎn)便，選取增程發(fā)電機(jī)功率為300 kW 的單一工作點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

增程器的控制策略為：① 增程器啟動(dòng)。當(dāng)電量低于35% 時(shí)，增程器啟動(dòng)，進(jìn)行充電。② 增程器停機(jī)。當(dāng)電量高于80% 時(shí)，增程器停止工作。

2. 4 增程器仿真結(jié)果

根據(jù)實(shí)際路譜，分成6 種使用場(chǎng)景對(duì)礦用自卸整車(chē)進(jìn)行了燃油耗仿真計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可以看出：在5% 坡度且10 km/h 車(chē)速的路況下，增程整車(chē)燃油耗比傳統(tǒng)柴油整車(chē)燃油耗低9.53%，而在10% 坡度且5 km/h 車(chē)速的路況下，增程整車(chē)燃油耗比傳統(tǒng)柴油整車(chē)燃油耗低5.80%。綜合各種工況，增程整車(chē)燃油耗比傳統(tǒng)柴油整車(chē)平均降低8% 左右。

3 增程器匹配標(biāo)定

3. 1 增程整車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)

增程整車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)如圖5 所示，其中左側(cè)為增程器總成，包含6DM3 發(fā)動(dòng)機(jī)、增程發(fā)電機(jī)、MCU 及RCU。增程器總成主要以RCU 為主控制器，VCU根據(jù)當(dāng)前電池荷電狀態(tài)及車(chē)況等信息計(jì)算出需求功率發(fā)送給RCU，RCU 接收到來(lái)自VCU 的需求功率信息，將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

在控制運(yùn)行中，RCU 和VCU、ECU、MCU 通過(guò)CAN 報(bào)文相互通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)增程器的控制。各控制器之間交互報(bào)文如圖6 所示。

3. 2 增程發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定

增程器是由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)匹配工作的，發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)效率區(qū)間需要和發(fā)電機(jī)的最優(yōu)效率區(qū)間相匹配，才能實(shí)現(xiàn)增程器的最優(yōu)油電比。由于發(fā)電機(jī)選擇現(xiàn)成產(chǎn)品，因此需要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性，使發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)電機(jī)高效區(qū)間內(nèi)滿足最佳經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過(guò)標(biāo)定，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性如圖7所示。

把發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線與發(fā)電機(jī)效率脈譜圖進(jìn)行匹配并計(jì)算，得出增程器理論最大油電比為4.2 kW·h/L，如圖8 所示。

3. 3 增程器策略

當(dāng)VCU 對(duì)增程器輸入的功率需求為輸出功率時(shí)，增程器工作在發(fā)電模式。此模式下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為源動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，增程器以電能的形式輸出到整車(chē)高壓母線，供驅(qū)動(dòng)電機(jī)等高壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作，同時(shí)多余的電能用于給動(dòng)力電池充電。

增程器輸出功率控制的基本工作方式有2 種：一種是以單點(diǎn)（多點(diǎn)）恒功率方式工作，另一種是沿最低燃油消耗曲線工作。采用單點(diǎn)（多點(diǎn)）恒功率方式（即開(kāi)關(guān)模式）工作的增程器只有穩(wěn)定工作在某燃油耗和排放量都很低的工況點(diǎn)，以及停機(jī)2 種狀態(tài)，車(chē)輛的動(dòng)態(tài)負(fù)載完全由動(dòng)力電池平衡。該工作方式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量和燃油耗都很低，但不利于電池壽命。采用沿最低燃油消耗曲線工作時(shí)，增程器可以跟蹤車(chē)輛實(shí)際負(fù)荷的變化，有效降低車(chē)輛行駛對(duì)動(dòng)力電池輸出容量和功率的要求，電池也可以以較小的功率循環(huán)工作，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命和選擇較小功率的電池，但是頻繁變換發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗及排放量。

本項(xiàng)目標(biāo)定采用三點(diǎn)恒功率方案，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作在1 300 r/min 和1 700 r/min 兩個(gè)區(qū)域附近，不會(huì)頻繁變動(dòng)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗與排放量的降低。

3. 4 增程器匹配標(biāo)定

增程器標(biāo)定的原則為：RCU 請(qǐng)求功率等于實(shí)際發(fā)電功率；RCU 請(qǐng)求功率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的工況需滿足最優(yōu)油電轉(zhuǎn)換率。

根據(jù)以上標(biāo)定原則，對(duì)CA6DM3 柴油增程器進(jìn)行萬(wàn)有特性掃點(diǎn)試驗(yàn)，掃點(diǎn)工況包含請(qǐng)求功率5～280 kW、轉(zhuǎn)速800～1 900 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9 可以看出：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、功率為220 kW 時(shí)，CA6DM3 柴油機(jī)配300 kW 發(fā)電機(jī)的增程器最大油電轉(zhuǎn)換率達(dá)到4.2 kW·h/L。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)整車(chē)需求，開(kāi)發(fā)了滿足95 t 礦用自卸整車(chē)的增程器，該增程器實(shí)測(cè)最大油電轉(zhuǎn)換率達(dá)到4.2 kW·h/L（在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、功率為220 kW 時(shí)），處于行業(yè)領(lǐng)先水平。搭載該增程器的礦用自卸整車(chē)比傳統(tǒng)柴油整車(chē)節(jié)油約8%，是目前礦用自卸整車(chē)重載上坡性價(jià)比較高的開(kāi)發(fā)方案。