擋位數設計對礦用純電動車輛經濟性的影響

王帆

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

由于礦用純電動防爆車輛的整體質量較大，需采用防爆電動機直接驅動或單級減速器傳動。為滿足車輛在整個運行過程中達到最高車速、最大爬坡度，該車輛主要通過裝機功率來適應低速大扭矩和高轉速的特性。這導致整車動力匹配后防爆電動機功率過剩，而電動機的高效區利用率偏低，續駛里程也偏短，同時防爆驅動電動機經常運行在高轉矩、大電流狀態，既增加了電動機繞組與電池內阻上的能耗，又使電池組的大電流放電縮短了電池使用壽命[1-2]。該車輛在常規固定速比變速的傳動路線上，配置一個2擋、3擋和4擋AMT換擋變速箱。

本文將基于標定工況和礦區工況，對不同擋位變速箱傳動系統的純電動防爆車輛進行能耗評估，并對各類傳動系統在特定工況條件下的換擋策略進行了優化，深入分析了傳動系統擋位數與礦用純電動防爆車輛經濟性的關系。

1 礦用純電動車輛模型與基本參數

車輛驅動系統結構如圖1所示，整車基本參數見表1。

1-2檔主動齒輪；2-1檔主動齒輪；3-1檔從動齒輪；4-同步器；5-2檔從動齒輪；6-主減速器；7-差速器；8-驅動輪。圖1 純電動防爆車輛傳動系統動力學模型

表1 整車的基本參數

2 仿真工況

1) 車輛動力學模型簡化為單質量點模型[3],即：

式中：v為車速；m0為車質量；mr為車輛等效慣性質量；Fd、Ff和Fw分別為驅動力、滾動阻力和風阻；f為滾動阻力系數；CD為風阻系數。

2) 為便于研究，本文列出了2種工況，見圖2和3。其中，標定工況主要用于模型的仿真分析與樣車試驗數據的驗證和標定；礦區工況主要用于分析設計運行信息的比對分析。在各工況條件下，車輛能耗值見表2。

3) 圖4、圖5和圖6列出了采用2、3、4擋傳動系統礦用純電動防爆車輛的驅動力-行駛阻力圖，各擋位速比均經過優化匹配計算，3種傳動系統速比匹配均能滿足最大爬坡度14 °，0～25 km/h加速時間20 s，以及最高車速40 km/h的設計要求。

圖2 標定工況

圖3 礦區工況

表2 工況信息與原車能耗

圖4 2擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

圖5 3擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

3 限制制動轉矩情況下能耗比較

為提高系統動力性和可靠性，把防爆驅動電動機的最大制動轉矩限制為350 N·m，制動功率限制為80 kW，在優化仿真時需要添加上述約束條件和邊界條件，車輛剩余不足的制動力矩由濕式機械制動裝置來提供。標定工況下優化前、后的防爆驅動電動機工作點分布如圖7和圖8所示。

圖6 4擋變速箱驅動力-行駛阻力曲線

圖7 標定工況優化前防爆電動機工作點

圖8 標定工況優化后防爆電動機工作點

由圖7與圖8對比可知，整車檔位優化后的防爆驅動電動機在標定工況下的工作點分布在高效率的區域面積增加，系統效率更高，整車經濟性更好[4-6]。

標定工況下2擋、3擋和4擋傳動系統車輛防爆驅動電動機在不同車速下的工作點分布圖分別如圖9、圖10和圖11所示，圖中傾斜粗實線可以作為升擋線，與之臨近的粗點劃線為降擋線。

礦區工況下2擋、3擋和4擋傳動系統車輛防爆驅動電機在不同車速下的工作點分布圖分別如圖12、圖13和圖14所示[7-8]。

圖9 標定工況下2擋傳動系統車輛

圖10 標定工況下3擋傳動系統車輛

圖11 標定工況下4擋傳動系統車輛

圖12 礦區工況下2擋傳動系統車輛

圖13 礦區工況下3擋傳動系統車輛

由圖9～14可以得出：

1) 2擋、3擋和4擋傳動系統純電動防爆車輛的擋位分布清晰可見，易得出對應換檔策略。

2) 對比不同工況下，相同擋位數傳動系統的純電動防爆車輛可知，雖工況不同，但最佳換擋分布規律一致。

圖14 礦區工況下4擋傳動系統車輛

3) 換擋規律體現了防爆驅動電動機在較低轉速升擋邏輯，且需求功率越小，升擋轉速越低，進一步體現了最優換擋規律的控制邏輯，同時也符合常規駕駛習慣。

應用優化后換擋策略對純電動防爆車輛進行動力學仿真，得到能耗數據如表3所示。

表3 優化后換檔策略能耗

由表3可知：

1) 基于礦用純電動防爆車輛樣車研究，采用優化后的換擋策略可實現經濟性提升6%～88%。

2) 換擋優化車輛后的經濟性在礦區工況下尤其明顯，配置3擋傳動系統車輛的能耗僅比配置4擋車輛的能耗增加1%左右；配置2擋傳動系統車輛的能耗則普遍要比配置4擋車輛的能耗增加約5%。

3) 優化后配置2擋傳動系統車輛的經濟性仍然比未優化配置4擋車輛的經濟性提升約3%。

4 結論

1) 建立了礦用純電動防爆車輛動力驅動系統仿真計算模型，分析了2擋、3擋、4擋3種AMT配置對整車經濟性的影響。

2) 按照標定工況和礦區工況分別提出了最優換擋控制，并求解出對應能耗。

3) 在采用優化換擋策略的情況下，配置3擋車輛比配置4擋車輛多消耗約1%的能耗，配置2擋車輛比配置4擋車輛多消耗約4%～5%的能耗。

4) 針對純電動防爆車輛，檔位數由3擋增加到4擋只能實現非常有限的經濟性提升，由此推出，采用更多擋位數反而會增加車輛傳動系統的復雜性，成本也會隨之增加。

5) 當前純電動防爆車輛設計考慮使用3擋AMT變速箱，以滿足要求。