基于混合動力變速箱的礦用車傳動系統特性分析*

徐濤 申焱華 張文明 高玉

(北京科技大學 機械工程學院， 北京 100083)

基于混合動力變速箱的礦用車傳動系統特性分析*

徐濤 申焱華 張文明 高玉

(北京科技大學 機械工程學院， 北京 100083)

基于傳統的液力機械變速箱結構，提出了一種適用于百噸級以下礦用車的混合動力變速箱傳動系統，使礦用車實現純電、純機械及混合動力等16種不同工作模式的切換.利用模擬杠桿法分析混合動力變速箱系統在不同工作模式下的動力傳動特點;對兩種不同傳動方式下的礦用車整車結構進行仿真建模，并利用實際礦山道路循環工況實驗數據對其進行仿真分析.結果表明:與傳統的液力機械傳動方式相比，混合動力變速箱傳動方式下的整車驅動性能提高了7.3%;礦山道路單循環工況中，整車經濟性能提高了15.5%，其中54%是由于電機對發動機工作點的主動調節，46%來自于電機對制動能量的回收利用．

混合動力變速箱;礦用車;傳動系統；工作模式;整車性能

礦用自卸車是礦山作業的主要運輸設備，其性能的好壞決定著采礦成本的高低.隨著采礦條件的日益復雜，特別是露天礦山的深挖深采，螺旋大回轉的礦山道路使得礦用車輛基本行駛在長上坡與長下坡工況下，如何結合實際的礦山環境進行高效采礦，提高礦用車作業效率是礦山企業面臨的重要問題[1].目前，百噸級以上的礦用電動輪車輛，如通用電氣(GE)生產的重型混合動力電動輪礦用汽車[2]，可通過超級電容組調節發動機與發電機的工作狀態并能有效回收制動能量，整車動力性及經濟性較好.而對于百噸級以下的礦用車，一般采用液力機械傳動并通過增加電緩行器或液壓制動裝置來實現車輛的驅動及制動[3- 4]，發動機工作點不可調且無法回收存儲制動能量，整車動力性及經濟性難以達到最優，驅動及節能潛力亟待進一步提高.

目前，混合動力傳動技術是改善車輛經濟性、提高動力性的最有效方式[5]，其中串聯式、并聯式及混聯式混合動力系統較為普遍[6].此外，隨著混合動力傳動技術的發展，混合動力變速箱作為一種新型混合動力裝置也得到了廣泛的應用[7].代表產品有:雙電機混合動力變速箱傳動系統，如豐田PRIUS的THS系統[8]、通用的AHS系統[9]等;單電機混合動力變速箱系統，如采埃孚的ZF-8HP70H系統[10]、單電機多模式變速箱系統[11]等.以上各混合動力傳動技術及相應的變速箱設計與控制策略的制定主要面向載質量較小的公路行駛汽車，而對于非公路的重型礦用車，如何在現有結構特點及獨特的礦用道路環境基礎上，利用混合動力傳動技術提高整車經濟性及動力性是其未來的主要研究方向.

在礦用車液力機械變速箱結構的基礎上，文中提出了一種單電機礦用四檔混合動力變速箱傳動系統，利用模擬杠桿法分析了其在不同工作模式下的動力傳動特點，并與液力機械傳動系統在整車驅動及匹配方面進行理論對比分析.同時，利用MATLAB/Simulink軟件建立液力機械傳動方式及混合動力變速箱傳動方式下的礦用車整車仿真模型，在實際露天礦山道路循環工況實驗數據的基礎上，對兩者的經濟性進行仿真對比驗證，分析混合動力變速箱在露天礦山運輸上的應用前景.

1 變速箱結構及工作模式分析

混合動力變速箱實現了機械變速箱與電機的一體化設計，具有混合動力系統多動力耦合的特點.其結構主要由行星齒輪排、離合器及電機組成，以四檔混合動力變速箱為例，其結構如圖1所示.

圖1 四檔混合動力變速箱結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of structure of the four-speed hybrid transmission system

由圖1可以看出，混合動力變速箱動力源包括發動機與電機.在實際的工作過程中可通過控制兩者的工作狀態及離合器的結合形式來實現不同工作模式之間的切換，主要包括兩檔純電模式、四檔純機械模式、四檔混合動力模式等.現結合變速箱能量流圖及模擬杠桿法對其在不同工作模式下的動力傳動特點進行具體分析[12].

1.1 兩檔純電模式

純電工作模式下，離合器a、b分離，切斷發動機動力傳輸，離合器c或d結合，通過低速級行星齒輪排的作用，輸出電機動力.當離合器d結合時，內齒圈固定，動力由太陽輪輸入，行星架輸出，傳動比為i1;當離合器c結合時，行星齒輪排中太陽輪與內齒圈相連作為輸入端，行星架輸出，傳動比為1.利用能量傳遞流圖及模擬杠桿法對純電模式下變速箱的動力傳動特點進行對比分析，結果如圖2所示.圖中A1/B1/C1及A2/B2/C2分別為高速級和低速級行星齒輪排的太陽輪/內齒圈/行星架;ρ1/ρ2為高速級及低速級內齒圈與太陽輪的齒數比(ZB1/ZA1，ZB2/ZA2);ωkj(k為齒輪A1-C2，j為不同傳動比)為各齒輪轉速;Fij為各齒輪所受的外界反作用力．

圖2 純電模式不同檔位下能量傳遞流圖及模擬杠桿圖

Fig.2 Diagrams of energy transfer and lever analogy for motor-only mode at different gears

在Ⅱ檔檔位下，太陽輪與內齒圈相連，傳動比為1，為行星齒輪傳動的極限情況，不可以采用模擬杠桿法進行分析．

由以上分析可知，純電驅動模式不同檔位下，混合動力變速箱的輸入、輸出端轉速及驅動力、各齒輪轉速及所受外部反作用力關系如下:

在檔位I下，

(1)

在檔位Ⅱ下，

(2)

式中，Fm、ωm分別為電機的驅動力和轉速，Fs、ωs分別為變速箱的輸出力和輸出轉速.

1.2 四檔純機械模式

純機械驅動模式下，電動機停止工作，發動機進行動力供應.通過控制離合器a/b/c/d的不同工作狀態，可以改變變速箱的傳動比大小，使其實現傳統機械變速傳動的功能，不同檔位下的能量傳遞流圖如圖3所示.

圖3 純機械驅動模式不同檔位下能量傳遞流圖

Fig.3 Diagram of energy transfer for engine-only mode at different gears

由于在純機械驅動模式下，高速級或低速級行星齒輪排中存在行星齒輪傳動的極限情況，傳動比為1，不可以采用模擬杠桿圖進行分析，故只分析純機械驅動模式下部分檔位的轉速及驅動力特點，如圖4所示.動力傳動特點如下：

在檔位Ⅰ下，

(3)

在檔位Ⅱ下，

(4)

在檔位Ⅲ下，

(5)

在檔位Ⅳ下，

(6)

式中，Fe和ωe分別為發動機的驅動力和轉速.

圖4 純機械驅動模式下模擬杠桿圖

1.3 四檔混合動力模式

混合動力模式與純機械驅動模式相似，包含4個檔位，在每個檔位下，電動機根據高速級行星齒輪排的輸出轉速進行自適應調節，變速箱輸出耦合動力.與純機械驅動模式相比，混合動力模式下變速箱的輸出轉速相同而驅動力變大，結合前面的分析可得，混合動力模式下變速箱的輸出驅動力與發動機及電機的驅動力大小關系為

(7)

式中，Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ檔所對應的離合器工作狀態與純機械驅動模式相同.

除上述工作模式外，由于電機的存在，混合動力變速箱還可以實現兩檔倒車模式、兩檔制動能量回收模式、兩檔駐車發電模式等.現將各工作模式下離合器、電機、發動機的工作狀態及所適用的運行工況進行整理，如表1所示.

2 礦用車驅動及匹配特性分析

車輛在一定行駛工況下，驅動系統的性能優劣可通過驅動輪處的理想驅動特性場進行評判.理想驅動特性場是指， 路面所決定的， 由車速、功率、驅動力或驅動扭矩組成的驅動特性曲線[13]，如圖5所示.理想驅動特性場包含3方面的內容:

(1)車輛最高車速或者系統最高轉速限制(L1);

(2)驅動系統的最高功率對轉速及驅動力或轉矩的限制(L2)，即

(8)

式中，Pe,max和Pm,max分別為發動機和電機的最高功率，F和v分別為整車的驅動力和車速.

(3)附著力對整車驅動力的限制(L3)(在此以一定爬坡度要求對驅動力進行限制).

評價和對比汽車驅動性能的指標可選為整車在驅動輪處實際的輸出驅動特性場占理想驅動特性場的百分比，該值越大，動力性能越佳[14- 15].而對于裝配有液力機械傳動系統或者混合動力變速箱傳動系統的礦用車而言，傳動系統輸出轉速或驅動力大小決定著整車傳動系統的性能，進而決定整車的驅動特性.因此，對于整車傳動系統性能的評價可轉化為對整車驅動特性的研究.文中以裝配有液力機械傳動系統的某礦用車結構參數(滿載質量為84 t，空載質量為45 t，四檔變速箱傳動比為(1,0.736)·(2,1)，輪減及主傳動比為20，車輪滾動半徑為0.955 m，機械傳動效率為0.89，柴油發動機最大功率為417.7 kW、最高轉速為2 100 r/min、最大轉矩為2 440 Nm，透過性液力變矩器的液壓油密度為860 kg/m3、有效直徑為0.5 m、轉速比為[0∶0.1∶1]、轉矩比(K×10-6)為[2.70，2.60，2.47，2.26，2.05，1.79，1.55，1.30，1.00，0.50，0.00]、轉矩系數為[2.60，2.55，2.50，2.42，2.30，2.20，2.10，2.00，1.80，1.60，1.40])為基礎，以理想驅動特性場為參考，研究將液力變矩器改裝為混合動力變速箱時整車的驅動性能.為提高兩者在整車驅動及匹配特性方面的可比性，混合動力變速箱中電機參數的選取以液力機械傳動礦用車整車最高爬坡度為標準:額定轉速nm=600 r/min，額定轉矩Tm=2 600 Nm，額定功率Pm=160 kW，最高轉速nm，max=3 000 r/min，電機質量mm=400 kg.整車驅動特性及匹配特性如圖5所示.其中，Lmn中，m(m=1，2，3)表示理想驅動特性場的不同曲線，n(n=1，2)表示液力機械傳動系統與混合動力變速箱傳動系統;vf，max和vm，max分別為純機械驅動和純電機驅動時整車所能達到的最大車速;理想驅動特性場L1n為最高車速，即兩種傳動系統所能達到的最高車速;L2n為最大功率，最大功率值與電機及液力變矩器特性有關;L3n為滿載最大爬坡度，取30%爬坡度下的整車需求驅動力.分析圖5可知，裝配有液力機械傳動系統與裝配有混合動力變速箱傳動系統的整車驅動特性分別為82%、88%．

表1 基于混合動力變速箱的礦用車工作模式分析1)

1)E為發動機，M為電動機，◆為工作，◇為未工作.

在基于理想驅動特性場的整車驅動特性分析中，除驅動力及轉速限制外，功率特性決定的能量場大小與傳動構型相關，且相同構型之間差別不大，因此針對以上分析結果可得到如下結論:

(1)裝配有混合動力變速箱的礦用車較裝配有液力機械傳動系統礦用車的驅動性能提升了7.3%，且中高速區優勢更為明顯;

(2)混合動力變速箱可通過控制電機的工作特性來調節傳動系統換檔過程的動力輸出，使其在一定程度上達到與液力變矩器相同的換檔平順性;

(3)混合動力變速箱傳動系統可通過切換礦用車工作模式來改善動力輸出特性，滿足其高速行駛需求，如圖5中vf，max及vm，max大小所示.

圖5 兩種傳動系統的動力匹配特性圖

3 礦用車節能特性仿真分析

以第2部分給出的礦用車整車參數及電機參數為參考，在相同的整車結構基礎上，分別建立基于液力機械傳動系統及混合動力變速箱系統的礦用車整車仿真模型.將特定的礦用循環工況實驗數據作為輸入，對兩種傳動系統下的整車工作狀態及節能特性進行仿真對比分析.

3.1 礦用車特定循環工況

與傳統的城市道路循環工況不同，礦山道路具有斷面形狀復雜、路面坡度大、轉彎多的特點.因此，礦用車仿真模型所用的仿真循環工況應當結合實際礦山道路，符合真實的道路環境.內蒙古鄂爾多斯市魏家峁露天煤礦道路是典型的礦山道路，道路俯視圖及路面實景圖如圖6所示.

圖6 內蒙古鄂爾多斯市魏家峁煤礦道路

圖6所示的露天煤礦道路中，上下坡度大小在±5%～±10%之間，其具體坡度大小可由道路海拔高度(h)實驗數據獲得，如圖7(a)所示.礦用車工作過程中，需在圖6(a)所示的A點裝載，沿固定路線滿載運輸到B點，B點卸載完成后空載原路返回到A點，單個循環過程中車速變化如圖7(b)所示.由圖7可以看出:礦車滿載運輸過程中，海拔高度總體處于上升狀態，最大海拔高度在60 m左右，平均車速為20～25 km/h，用時為495 s;卸載時，平均海拔高度不變，車速處于震蕩狀態，平均車速為0.3 km/h，用時為105 s;空載運行過程中，海拔高度變化與滿載運輸時相反，平均車速為25～30 km/h，用時為400 s.相對于礦用車的運行道路環境而言，此實驗循環工況符合礦用車的實際運行過程，可用于其在礦山道路下的仿真研究.

圖7 礦山道路海拔高度和車速實驗值

Fig.7 Experimental data of the altitude of mine road and the vehicle speed

3.2 仿真結果及分析

由于混合動力變速箱傳動系統的礦用車模型省去了液力變矩器而增加了電動機及動力電池，為提高與液力機械傳動礦用車模型的可比性，其整車整備質量應當進行適當的調整，所選取的動力電池參數及由此造成的整車質量變化如下:鋰電池單體電池容量為200 Ah、單體電池數量為160、單體電池質量為5.8 kg，由此考慮電機及電池時的整車空載質量為46.2 t、滿載質量為85.2 t.

基于以上結構參數及循環工況，兩種不同傳動形式的礦用車仿真模型車速仿真結果如圖8所示.通過對圖8中各車速進行積分，可得液力機械及混合動力變速箱傳動系統條件下的車輛總行駛里程分別為5.96 km及6.12 km(理論總里程為6.25 km).車輛行駛里程仿真值與理論值對比，可用于說明整車實際動力對需求動力的跟隨特性.因此，由仿真結果可以看出，混合動力變速箱傳動系統下的整車驅動性能優于液力機械傳動系統下的整車驅動性能．

圖8 礦用循環工況下車速仿真結果

Fig.8 Simulation results of the vehicle speed under mining drive cycle case

3.3 整車經濟性能分析

當礦用車在礦山道路中滿載上坡、卸載以及空載下坡循環結束時，混合動力變速箱傳動系統中動力電池剩余電量的百分比(SOC，電池初始SOC為0.7)分別為0.669、0.666、0.675，等效能量變化分別為-7.740 MJ(放電)、-0.641 MJ(放電)、3.126 MJ(充電)，兩種傳動系統下的發動機燃油消耗量分別如表2所示.

表2 兩種傳動系統下發動機的燃油消耗量

基于混合動力變速箱傳動系統的整車模型中， 控制策略可根據需求動力的大小調節電機的工作狀態，使電池充電或放電.因此，就整車而言，電池能量變化也應考慮到其經濟性的分析中.其中，電池能量與發動機油耗關系為

(9)

式中:Ec為電池能量等效發動機油耗，L;Q為電池能量，kJ;q為燃料熱值，取值46.04 kJ/g;ρfc為燃料密度，取值840 g/L;η′為等效轉換效率，取值0.9.

由式(9)可計算得到電池放電5.255 MJ，相當于消耗燃油0.14 L.結合表2可知，在礦用車專用循環工況中，混合動力變速箱傳動系統下的礦用車單個循環總油耗為6.053 L，與傳統的液力機械傳動系統的礦用車油耗7.160 L相比，經濟性提高了15.52%.具體分析混合動力變速箱礦用車傳動系統可以看出，其原因主要在于可調發動機工作點及回收制動能量兩方面．

3.3.1 電機對發動機工作點的調節

在礦用循環工況中，不同傳動系統下發動機的工作點如圖9所示.

與液力機械傳動系統相比，混合動力變速箱傳動系統的發動機工作點可通過電機進行調節，整車經濟性能較容易被控制.結合圖9，對擁有混合動力傳動系統的整車在整個礦用循環工況中的不同工作狀態的頻率進行統計，結果如下:制動回收，21%;低速純電動，15%;純機械+發電，14%;混合動力驅動+工作點調節，19%;混合動力驅動，32%.

由此可知，在整個礦用循環工況中，電機一直參與整車驅動及制動過程，相對于液力機械傳動系統的固定工作狀態而言，整車動力性及經濟性的提高是必然的.

圖9 兩種傳動系統的發動機工作點

3.3.2 電機對制動能量的回收

混合動力變速箱對整車制動能量的回收儲存是通過機械傳動軸反拖電機實現的.在制動過程中，發動機處于怠速狀態，電動機作為發電機工作，其回收能量大小可由電池能量變化來衡量.

縱觀整個循環工況，電池充放電的能量變化如下:制動回收，19.75 MJ(充電);低速純電動，-3.33 MJ(放電);純機械+發電，10.97 MJ(充電);混合動力驅動+工作點調節，-17.52 MJ(放電);混合動力驅動，-15.12 MJ(放電).

由此可知:在整個循環工況下，電機回收制動能量為19.75 MJ，低速行駛時消耗3.33 MJ，低扭矩需求條件下調節發動機工作點而回收的發動機能量為10.97 MJ，調節發動機工作點以提高整車動力輸出而消耗17.52 MJ，為提高整車動力與發動機共同工作而消耗15.12 MJ.

由式(9)可知，回收的19.75 MJ制動能量可等效為0.511 L燃油消耗量，與1.107 L整車節能特性相比，其通過制動能量回收方式實現的占46%，通過調節發動機工作點方式實現的占54%.

4 結論

文中提出的適用于百噸級以下礦用車的四檔混合動力變速箱系統可滿足礦用車16種不同工作模式之間的切換要求，在系統結構特性及使用性能方面存在以下優勢:

(1)混合動力變速箱傳動系統實現了電機與變速箱結構的耦合設計，省去了傳統的液力變矩器及其附件結構，可通過多個離合器的配合來實現不同工況下礦用車的混合動力需求．

(2)與液力機械傳動系統相比，混合動力變速箱系統實現了礦用車發動機工作點的主動調節及制動能量的有效回收利用，經濟性可提高15.52%;在相同換檔平順性的條件下，整車驅動性能可提高7.3%．

雖然目前國內百噸級以下的重型礦用車以液力機械自動變速箱為主，但隨著重型混合動力變速箱的開發及其在礦山開采運輸中表現出的適應性，混合動力變速箱技術的應用必定會成為礦用車傳動系統未來的主要發展方向．

[1] 李來平，劉曉莉，張文瑞.露天礦開采工藝發展以及對礦用車需求的影響 [J].露天采礦技術，2015，3(11):7- 10. LI Lai-ping，LIU Xiao-li，ZHANG Wen-rui.Effect of mi-ning process development on mining truck demand in open-pit mine [J].Opencast Mining Technology，2015，3(11):7- 10．

[2] TIM R，LEE S，CHRIS J，et al.Advanced hybrid propulsion and energy management system for high efficiency，off highway，240 ton class，diesel electric haul trucks [R].Niskayuna:GE Global Research，2008．

[3] 趙鑫鑫，張文明，馮雅麗.重型礦用汽車多參數動力性換檔規律 [J].東北大學學報(自然科學版)，2014，35(1):101- 106. ZHAO Xin-xin，ZHANG Wen-ming，FENG Ya-li.Powerful shifting strategy and multi-parameters considered for hea-vy-duty mining truck [J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2014，35(1):101- 106.

[4] 賈云海，張文明，楊玨.液力緩速器制動過程動態仿真研究 [J].汽車技術，2009(7):26- 30. JIA Yun-hai，ZHANG Wen-ming，YANG Jue.Dynamic simulation research of hydrodynamic retarder in brake process [J].Automobile Technology，2009(7):26- 30．

[5] CHAN C C.The state of the art of electric，hybrid，and fuel cell vehicles [J].Proceedings of the IEEE，2007，95(4):704- 718．

[6] PRAJAPATI K C，PATEL R，SAGAR R.Hybrid vehicle：a study on technology [J].International Journal of Engineering Research & Technology，2014，3(12):1072- 1082.

[7] 楊陽，趙新富，秦大同，等.新型混合動力汽車傳動系統設計與工作模式耦合特性分析[J].汽車工程，2012，34(11):968- 975． YANG Yang，ZHAO Xin-fu，QIN Da-tong，et al.Design and operation mode coupling characteristics analysis on the new transmission system of hybrid electric vehicle[J].Automotive Engineering，2012，34(11):968- 975．

[8] HIROSE K，UEDA T，TAKAOKA T，et al.The high-expansion-ratio gasoline engine for the hybrid passenger car [J].JSAE Review，1999，20(1):13- 21．

[9] GREWE T M，CONLON B M，HOLMES A G.Defining the general motors 2-mode hybrid transmission [R].Warrendale:SAE International，2007．

[10] KUBALCZYK R，GALL R，LIANG Zhong.采埃孚混合動力變速箱模塊 [J].傳動技術，2013，27(3):3- 12． KUBALCZYK R，GALL R，LIANG Zhong.Instant analysis on automatic transmission planetary gear system [J].Drive System Technique，2013，27(3):3- 12．

[11] ZHU Futang，CHEN Li，YEN Chengliang.Design and analysis of a novel multimode transmission for a HEV using a single electric machine [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(3):1097- 1110．

[12] 尤明福，李志偉，甘偉.基于杠桿法的8速自動變速器傳動方案的設計 [J].中國機械工程，2012，23(23):2801- 2804． YOU Ming-fu，LI Zhi-wei，GAN Wei.Design of transmission scheme for 8-speed AT based on lever method [J].China Mechanical Engineering，2012，23(23):2801- 2804．

[13] 米奇克M，瓦倫托維茲.汽車系統動力學 [M].陳蔭三，余強，譯.北京:清華大學出版社，2009．

[14] 何洪文.混合動力車輛驅動系統研究和控制策略分析 [D].北京:北京理工大學，2003．

[15] 何洪文，余曉江，孫逢春，等.電動汽車電機驅動系統動力特性分析 [J].中國電機工程學報，2006，26(6):136- 140． HE Hong-wen，YU Xiao-jiang，SUN Feng-chun，et al.Study on power performance of traction motor system for electric vehicle [J].Proceedings of the CSEE，2006，26(6):136- 140．

Performance Analysis of Drive System of Mine Trucks Based on Hybrid Transmission System

XUTaoSHENYan-huaZHANGWen-mingGAOYu

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Proposed is a hybrid transmission system (HBTS) on the basis of traditional hydraulic transmission systems (HDTS), which is appropriate for the heavy-duty mine trucks (HDMT) with a load capacity below 100 t. In HBTS, sixteen operation modes including motor-only mode, engine-only mode and hybrid driving mode can be rea-lized. In the investigation, firstly, power transmission features of the HDTS in different operation modes are analyzed by means of lever analogy method. Then, the complete structures of mine trucks respectively with HBTS and HDTS are modeled by simulation and are analyzed with the experimental data of the trucks running in real mine road. The results show that the power performance of the truck with HDMT is 7.3% higher than that with HBTS; and that the vehicle economic performance improves by 15.5% in real mine road. In addition, 54% of the economic improvement is arrived at thanks to the active adjustment of engine operation points by the motor and the rest is reached thanks to the recycle of braking energy.

hybrid transmission system; mine trucks; drive system; operation mode; vehicle performance

2016- 07- 22

國家科技支撐計劃項目(2013BAB02B07);國家重點研發計劃項目(2016YFC0600805) Foundation items: Supported by the National Key Technology Support Program of China(2013BAB02B07) and the National Key Research and Development Planning Project(2016YFC0600805)

徐濤(1990-),男,博士生,主要從事非公路車輛的結構設計與研究.E-mail:ustb_xt@163.com

1000- 565X(2017)05- 0059- 09

TD 561

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.009