基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究.pdf
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1、第 卷第期有色金属(矿山部分)年月犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究李松阳,战凯,隋长江,汪彦青,郭鑫,苑昆,陈圣杰(矿冶科技集团有限公司,北京 ;北京矿冶研究总院,北京 ;北京安期生技术有限公司,北京 ;新疆亚克斯资源开发股份有限公司,新疆 哈密 )摘要:能量流分析是一种分析车辆能量消耗的重要手段,是车辆能耗优化的基础。新能源电池地下铲运机是新型地下矿用设备,对其能量流动与各部件能耗效率研究较少。探究其井下作业的能量损耗是延长其续航时间的研究重点。首次将能量流分析方法应用于新能源铲运机的能耗分析,建立了能量流模型,根据电池温度与铲运机工况设计试验分组
2、并进行工况测试,采集测试数据并基于能量流分析方法对测试结果进行研究。结果表明,新能源铲运机较大的能量损失集中于牵引系统与电池系统。其中驾驶员不适应电驱动操作造成的无效操作与牵引系统控制策略不完善,是导致牵引系统的高能耗的主要因素;电池系统快速充电造成的积温会影响铲运机的能量分配,降低其续航时间。通过对牵引系统与电池系统的优化,实现了新能源铲运机的能耗降低。研究结果表明,对新能源铲运机进行能量流分析能够直观了解其能量流动与能耗情况,有助于发现高能耗问题并提出优化方向,从而降低能耗,改善能量利用效率,延长续航时间。关键词:新能源车辆;地下铲运机;能量流分析;能量损耗;磷酸铁锂电池;牵引系统中图分类
3、号:文献标志码:文章编号:()犈 狀 犲 狉 犵 狔犮 狅 狀 狊 狌 犿 狆 狋 犻 狅 狀狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狀 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔狌 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犔 犎 犇犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犲 狀 犲 狉 犵 狔犳 犾 狅 狑犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 ,(,;,;,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,(),收稿日期:基金项目:矿冶科技集团有限公司科研基金双碳专项()作者简介:李松阳(),男,硕士研究生,机械设计及理论 专 业,主 要 研究 方 向 为 能 量 分析 与 能 量 管 理、车辆 智 能控 制 技术,:。通信作
4、者:苑昆(),男,博士,工程师,车辆工程专业,主要研究方向为新能源采矿装备,:。有色金属(矿山部分)第 卷 ,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;地下铲运机是专门为地下作业而设计的一种矮车身、中央铰接、前端装载的装、运、卸联合作业设备,广泛用于采场出矿、卸矿、运输设备与道路修铺。以纯电力为动力的施工机械,是以电机代替柴油机,并由蓄电池提供动力。纯电动工程机械的排放接近于零。发展纯电装备工业逐渐成为全球解决能源短缺和减少环境污染的首要选择。纯电动汽车是由电动机驱动的汽车,能够改善传统燃油车辆的燃油经济性与废气排放问题。纯电动汽车方案已在汽车领域占领一席之地,并在工程车辆领域得到了广泛关注 。当前,电
5、池续航能力不足是限制纯电动车辆发展的关键因素,能量管理策略可以针对能耗损失高的区域,提出优化方案,降低整车的能耗损失,提高能量的利用率,增加续驶时间,实现整车综合性能目标 。开展基于能量流分析的车辆能耗因素研究有助于改善电动车辆的能量管理策略,通过能量流分析可以直观地了解到车辆各系统之间的能量流动,各部件与元器件的能量消耗情况 。刘?等 建立了能量流分析模型,定量分析了低温条件下整车能耗和动力电池等主要部件的效率及能耗特性;于凤珠 选取了目标车进行能量流测试和阻力分解测试,得到了能量流向差异,为能耗优化提供方向,为标准仿真模型的搭建提供数据支撑;李敏等 基于 工况对某纯电动汽车进行能量流测试,
6、确认能量流数学模型可以从整车、系统和部件层面分析特定能量流的效率,实现对纯电动汽车经济性的评价。新能源电池铲运机是采用磷酸铁锂电池作为能量源并使用电机驱动的地下铲运机。地下铲运机作业环境恶劣,不同工况下能耗差别大,同时其能耗远大于其他工程车辆。同时针对新能源地下铲运机的能量分析较少,对其能耗情况并不了解。本文对新能源铲运机进行现场工况实验并采集数据,建立能量流模型并针对能量流动与能耗情况进行能量流分析,查明新能源电池地下铲运机的能量流动与能耗情况,并针对高能耗问题进行优化。研究对象本文的研究对象为北京安期生技术有限公司的 三立方新能源电池地下铲运机,车辆如图所示。表为研究对象的主要技术参数。图
7、新能源电池地下铲运机犉 犻 犵 犖 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔犫 犪 狋 狋 犲 狉 狔狌 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犔 犎 犇表新能源铲运机实验主要技术参数犜 犪 犫 犾 犲犕 犪 犻 狀狋 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳狀 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔犔 犎 犇犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋技术内容参数(空载)质量 (满载)质量 牵引电机峰值功率 液压电机峰值功率 电池类型磷酸铁锂额定储存电量()系统标称电压 新能源铲运机能量源为磷酸铁锂电池系统,电能从电池流出后经过高压配电单元与逆变器流向牵引电机与液压电机,分别提供铲运机
8、工作所需的牵引力与液压压力,至此铲运机就可以实现行走和转向、铲取、卸载等作业。传统柴油机铲运机与新能源铲运机动力传递过程如图所示。新能源铲运机电池、电机的能量消耗可以通过电压电流计算,使得能量流动与消耗可精确记录。因此可根据其系统组成与数据记录建立能量流数学模型,定量分析新能源铲运机的能量流动与能耗情况。第期李松阳等:基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究图动力传递过程示意图犉 犻 犵 犘 狅 狑 犲 狉 狋 狉 犪 狀 狊 犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 能量流分析 能量流分析方法能量流分析是研究新能源汽车能量消耗的一种重要的分析手段。通
9、过能量流测试可全面了解车辆电耗的分布情况,根据能量流测试得到的数据,搭建、校准整车仿真模型,能够预测不同改进措施对整车电耗的影响程度,从而大幅减少验证的周期和成本。能量流分析需要全面了解车辆能量传递过程:不仅要对主要能量消耗系统进行监控,还需要对低压用电设备进行分析,更加全面地对车辆各系统的能量消耗情况和能量转化效率进行深度分析。现阶段比较成熟的能量流分析主要包括以下几个步骤:根据试验车辆建立能量流模型;对车辆进行工况测试;采集动力电池、电机控制器、等电器元件输入输出的电压电流值;根据数据对整车行驶过程中各零件的效能进行分析。能量流模型本文根据新能源铲运机系统组成建立能量流模型,新能源铲运机作
10、业过程中电能的流动情况如图所示。由图可知,新能源铲运机作业时能量流动主要有五条传递路径。为了定量研究新能源铲运机行驶与作业能耗以及主要部件的能耗和工作效率,本文建立了电能传递过程中的能量流分析模型,铲运图电能传递路径示意犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 犲 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮犲 狀 犲 狉 犵 狔 狋 狉 犪 狀 狊 犳 犲 狉狆 犪 狋 犺有色金属(矿山部分)第 卷机每小时耗电量犆、牵引系统能耗占比犇、液压系统能耗占比犎、电池热管理系统能耗占比犈 分别为:犆犈犜()犇(犈 犈 )犈()犎犈 犈()犈 犈 犈()式中,犈为单次实验耗电量;犜
11、为单次实验时间;犈 为牵引电机逆变器能耗;犈 为变速箱逆变器能耗;犈 为液压电机逆变器能耗;犈 为电池热管理系统能耗。能耗测试 测试工况与环境介绍车辆测试工况使用较多的为全球轻型汽车测试循环、中国轻型汽车测试循环等,对于新能源铲运机并不适用。铲运机作业工况为复杂的“”型工况,联合铲装是其中耗能最大、各系统配合最为复杂的一环。本文测试工况采用实地实验的方式进行。实验于黄山铜镍矿地下巷道进行,路况为不平整泥土路面并嵌杂碎石,环境温度为 ,铲装的料堆为重量体积较大的堆积碎石块。矿山地下开采测试环境如图所示。根据矿山实测生产情况与驾驶员疲劳程度,完整的一次测试时长设定为连续工作。新能源铲运机充满电后开
12、至矿山生产面,记录总电量。之后进行“”型工况循环测试,完成后记录总电量。图矿山地下开采测试环境犉 犻 犵 犝 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犿 犻 狀 犻 狀 犵 狋 犲 狊 狋 犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 铲运机能耗分析本文根据能耗测试数据计算得出:新能源铲运机平均每小时耗电约,消耗总电池能量的 。其中牵引系统约消耗,占整车能耗的;液压系统消耗,占整车能耗的;电路系统(包括 与电池热管理系统)能耗为 ,占整车能耗的 。值得注意的是:电池热管理系统在开启状态下,每小时消耗电能约为 ,占整车能耗的。为详细了解新能源铲运机各部件能耗情况,绘制其能量流图如图所示。图新能源铲运
13、机各系统能耗与能量流示意图犉 犻 犵 犈 狀 犲 狉 犵 狔犮 狅 狀 狊 狌 犿 狆 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犲 狀 犲 狉 犵 狔犳 犾 狅 狑犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 犲 犪 犮 犺狊 狔 狊 狋 犲 犿狅 犳狀 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔犔 犎 犇第期李松阳等:基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究根据新能源铲运机的技术参数与能量模型,能够估算出新能源铲运机完成一次“”型工况的能耗。图为新能源铲运机一次“”型工况预计能耗与实际能耗功率对比图。图新能源铲运机预计与实际功率对比犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉 犻 狊 狅 狀狅 犳 犲 狓 狆 犲 犮 狋 犲 犱狆 狅 狑
14、 犲 狉犪 狀 犱犪 犮 狋 狌 犪 犾 狆 狅 狑 犲 狉狅 犳狀 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔犔 犎 犇根据图分析可以得出牵引系统功耗比预估功率高出约,液压系统能耗相近,总功率差异主要由牵引系统能耗差异造成。为进一步研究新能源铲运机的能耗情况,本文将分工况进行能耗数据的进一步分析,深度探究新能源铲运机各系统与部件的工作效率。数据分析 不同充电状态单次班组电能消耗与续航分析电池温度是影响电池热管理系统能耗的主要因素。新能源铲运机根据充电情况设计为充电完成后静置以上与充电完成后直接投入使用两种充电状态进行工况测试。根据测试结果,本文首先分析不同充电完成状态下的能量消耗情况,考虑到每次作业工况(
15、铲装强度与运距)稍有差别,取十次以上测试结果平均化对比。目的是从动力电池高温角度探究其对新能源地下铲运机续航时间的影响。两种测试条件下新能源铲运机的电量消耗与完成工况情况如表所示。表新能源铲运机单次班组能耗测试结果犜 犪 犫 犾 犲犜 犲 狊 狋 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 犲 狀 犲 狉 犵 狔犮 狅 狀 狊 狌 犿 狆 狋 犻 狅 狀狅 犳狀 犲 狑犲 狀 犲 狉 犵 狔犔 犎 犇犻 狀犪狊 犻 狀 犵 犾 犲 狊 犺 犻 犳 狋 犵 狉 狅 狌 狆测试条件测试时长犜每小时能耗犆()电池热管理系统能耗犈 ()电池热管理系统能耗占比犈 静置以上 立即开始工况测试 根据表可以看出,充电后
16、铲运机直接进行作业会消耗 的电能用于电池散热,同等电量下续航时间衰减。电池热管理系统的高能耗成为严重影响新能源铲运机续航时间的因素。电 池 热 管 理 系 统(,)的作用是根据温度对电池性能的影响,解决电池在温度过高或过低情况下工作而引发的热散逸或热失控问题。通过结合电池的电化学特性与产热机理,控制电池处于最佳充放电温度区间。新能源铲运机现阶段的启动条件是:最高温度达到,平均温度达到。图为新能源铲运机充电过程中电池温度与功率的变化。根据图可以看出,新能源铲运机电池系统在充电过程中温升快,积热严重。内就会到达 启动温度,在充电过程中系统持续工作,可以将电池温度维持在,但并不能将其降低到 停机温度
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