矿用自卸整车增程器的开发设计.pdf

第 6卷第 5期2023年 10月Vol.6 No.5Oct.2023汽 车 与 新 动 力AUTOMOBILE AND NEW POWERTRAIN矿用自卸整车增程器的开发设计尤丽艳，汤洁，沈玲，熊杰（一汽解放汽车有限公司，江苏 无锡 214026）摘要：由于矿用自卸整车特殊的作业工况（重载上坡），增程式矿用自卸整车因增程器能实现长续航里程而被市场广泛接受。运用整车仿真软件，对某款 95 t矿用自卸整车的增程构型进行仿真计算，通过发电机选型、电池电量策略计算出整车节油率。结果表明：增程式矿用自卸整车相对传统柴油整车能够实现节油 8%。为此，开发了三点恒功率方式输出的增程器，使发动机的最佳燃油效率和发电机的最佳发电功率运行一致，增程器实测最大油电比达到4.2 kWh/L，处于行业较高水平。关键词：发动机；发电机；增程器；节油率；最大油电比0前言国家对矿山开采的生态要求越来越高，各地方也出台了相关政策，明确了矿山用车的使用标准与规范。在此大背景下，一批绿色环保的新能源工程机械应时而生。目前，电动矿用自卸整车成为了各大矿山、砂石骨料场越来越常见的产品。由于矿用自卸整车特殊的作业工况（重载下坡、重载上坡及复合工况），增程式矿用自卸整车（以下简称“增程整车”）通过车载燃油发电装置增程器为电机驱动系统提供电能以达到长续航里程，因而被市场广泛接受。本文根据矿用自卸整车仿真计算，得出匹配的发动机和电机，并自主开发了一款适配于矿用自卸整车的增程器，以实现该车的长续航里程。1增程器增程式电动汽车在纯电动汽车上增加了增程器，增程器能够为纯电动汽车续航、为动力电池荷电状态提供充电功率，保障电动汽车峰值电功率。增程式电动汽车示意图如图 1 所示。增程器由发电机与发动机通过花键刚性连接，发动机运行在一个或几个经济工况点上，并带动发电机发电，所发的电能可为驱动电机供电或给动力电池充电。而增程器控制器（RCU）与整车控制器（VCU）通过整车层控制器局域网络（CAN）进行信息交互，与发动机控制器（ECU）、发电机控制器（MCU）通过内部 CAN 进行通信1。增程器不直接参与驱动，而是在整车动力电池电量不足时发电以提供额外电量，延长续航里程，避免电池过放电2。2增程器整车仿真分析根据某款 95 t 矿用自卸整车的关键参数及典型路谱，匹配合适的增程器，对增程整车进行动力性及经济性仿真计算。整车参数见表 1。图 1增程式电动汽车示意图作者简介：尤丽艳（1976），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为车用柴油机混合动力总成电控开发。设计开发第 5期尤丽艳，等：矿用自卸整车增程器的开发设计2.1增程器整车模型搭建采用 AVL Cruise软件搭建增程整车仿真模型，如图2所示。该模型主要由驱动电机1、增程发电机2、电池、齿轮箱、后桥、制动器、车轮等模块组成。增程发电机 2 和 6DM3 发动机组成了增程器，给电池充电。同时，在模型中增加了增程器的控制策略。2.2增程发电机选型基于矿用自卸整车在各大矿山、砂石骨料场的使用场景，一般常见道路的坡度为5%8%，车速10 km/h。当坡度为 5%、车速为 10 km/h 时，满载爬坡驱动电机功率约为 220 kW，如图 3所示。当坡度为 8%、车速为 10 km/h时，满载爬坡驱动电机功率约为 300 kW，如图 4所示。为了在大部分运行工况中，能够保证驱动电机运行所需的能耗，减少电池充放电损耗，在现有成熟产品中选择增程发电机的额定功率为 300 kW，峰值功率为 360 kW。表 1整车参数参数常用车速/（km h-1）整备质量/kg满载质量/kg迎风面积/m2风阻系数前后轴距/mm参数值51033 60095 00015.744 30.555 425图 2增程整车仿真模型图 35%坡度且 10 km/h车速爬坡状态下整车驱动功率33第 6卷汽 车 与 新 动 力2.3增程器控制策略根据电池充电状态的不同，增程器选择用燃油耗点较好的高、中、低功率进行充电，有利于延长电池的寿命。同时，在仿真计算中不考虑电池的寿命。为 了 计 算 的 简 便，选 取 增 程 发 电 机 功 率 为300 kW 的单一工作点进行计算。增程器的控制策略为：增程器启动。当电量低于 35%时，增程器启动，进行充电。增程器停机。当电量高于 80%时，增程器停止工作。2.4增程器仿真结果根据实际路谱，分成 6 种使用场景对矿用自卸整车进行了燃油耗仿真计算，具体结果见表 2。由表 2 可以看出：在 5%坡度且 10 km/h 车速的路况下，增 程 整 车 燃 油 耗 比 传 统 柴 油 整 车 燃 油 耗 低9.53%，而在 10%坡度且 5 km/h 车速的路况下，增程整车燃油耗比传统柴油整车燃油耗低 5.80%。综合各种工况，增程整车燃油耗比传统柴油整车平均降低 8%左右。3增程器匹配标定3.1增程整车动力总成系统增程整车动力总成系统如图 5 所示，其中左侧为增程器总成，包含 6DM3 发动机、增程发电机、MCU 及 RCU。增程器总成主要以 RCU 为主控制器，VCU根据当前电池荷电状态及车况等信息计算出需求功率发送给 RCU，RCU 接收到来自 VCU 的需求功率信息，将其转换成对应的发动机转速指令与发 电 机 转 矩 指 令，对 发 动 机 与 发 电 机 进 行 协 调控制。在控制运行中，RCU 和 VCU、ECU、MCU 通过 CAN 报文相互通信，实现对整个增程器的控制。各控制器之间交互报文如图 6所示。3.2增程发动机标定增程器是由发动机和发电机匹配工作的，发动机的最优效率区间需要和发电机的最优效率区 间 相 匹 配，才 能 实 现 增 程 器 的 最 优 油 电 比。由 于 发 电 机 选 择 现 成 产 品，因 此 需 要 优 化 发 动机 性 能 特 性，使 发 动 机 在 发 电 机 高 效 区 间 内 满足最佳经济性。经过标定，发动机外特性如图 7所示。图 48%坡度且 10 km/h车速爬坡状态下整车驱动功率表 2矿用自卸整车燃油耗使用场景123456路谱5%坡度且 5 km/h车速5%坡度且 10 km/h车速8%坡度且 5 km/h车速8%坡度且 10 km/h车速10%坡度且 5 km/h车速10%坡度且 10 km/h车速百公里燃油耗/L柴油整车241.355231.060315.220310.475372.275398.780增程整车223.215209.030291.400294.040350.690366.200节油率/%7.509.537.556.715.808.17图 5增程整车动力总成系统34第 5期尤丽艳，等：矿用自卸整车增程器的开发设计把发动机万有特性曲线与发电机效率脉谱图进行匹配并计算，得出增程器理论最大油电比为4.2 kWh/L，如图 8所示。图 6CAN报文交互图 7发动机外特性图 8理论最大油电比35第 6卷汽 车 与 新 动 力3.3增程器策略当 VCU 对增程器输入的功率需求为输出功率时，增程器工作在发电模式。此模式下，柴油发动机作为源动机，发动机输出动力带动发电机发电，增程器以电能的形式输出到整车高压母线，供驱动电机等高压驱动设备工作，同时多余的电能用于给动力电池充电。增程器输出功率控制的基本工作方式有 2 种：一种是以单点（多点）恒功率方式工作，另一种是沿最低燃油消耗曲线工作。采用单点（多点）恒功率方式（即开关模式）工作的增程器只有稳定工作在某燃油耗和排放量都很低的工况点，以及停机 2种状态，车辆的动态负载完全由动力电池平衡。该工作方式下，发动机的排放量和燃油耗都很低，但不利于电池寿命。采用沿最低燃油消耗曲线工作时，增程器可以跟踪车辆实际负荷的变化，有效降低车辆行驶对动力电池输出容量和功率的要求，电池也可以以较小的功率循环工作，有利于延长电池的使用寿命和选择较小功率的电池，但是频繁变换发动机转速，不利于降低发动机的燃油耗及排放量。本项目标定采用三点恒功率方案，使发动机转速工作在 1 300 r/min 和 1 700 r/min 两个区域附近，不会频繁变动，有利于发动机燃油耗与排放量的降低。3.4增程器匹配标定增程器标定的原则为：RCU 请求功率等于实际发电功率；RCU 请求功率及其对应转速的工况需满足最优油电转换率。根据以上标定原则，对 CA6DM3 柴油增程器进行万有特性扫点试验，扫点工况包含请求功率5280 kW、转速 8001 900 r/min，试验结果如图 9所示。由图 9可以看出：当发动机转速为 1 500 r/min、功率为 220 kW 时，CA6DM3柴油机配 300 kW 发电机的增程器最大油电转换率达到4.2 kW h/L。4结语根据整车需求，开发了满足 95 t矿用自卸整车的 增 程 器，该 增 程 器 实 测 最 大 油 电 转 换 率 达 到4.2 kWh/L（在发动机转速为 1 500 r/min、功率为220 kW 时），处于行业领先水平。搭载该增程器的矿用自卸整车比传统柴油整车节油约 8%，是目前矿用自卸整车重载上坡性价比较高的开发方案。参考文献1 侯钰,姚栋伟,吴峰,等.混合励磁电机的电动汽车增程器控制策略J.上海交通大学学报,2021,55(2):206-212.2 姜攀登,刘明库.电动汽车增程器燃油效率优化控制J.内燃机与配件,2022(13):52-54.图 9实际油电转化脉谱图36