混合動力礦用自卸車節油技術開發

高志廣

摘?要：采用混合動力的拓撲結構，在SKT150礦用自卸車和SET150礦用自卸車為例，分別采用并聯和串聯混合動力構型，開發混合動力控制程序，控制通過變速箱的控制以及整車控制策略可實現發動機轉速扭矩的雙解耦，盡量保證發動機處于較優的工作區間，實現較高的節油率。通過控制策略，實現電機智能助力模式，既可以調整發動機工作區間，又實現在極端工況電機全功率助力模式，又識別出電機合適充電的工況進行能量回充。仿真結果表明發動機可以工作在最佳經濟性曲線上，發動機比油耗明顯降低;實車現場驗證結果表明實際節油率高于計劃節油率，節油效果顯著。

關鍵詞：礦用自卸車 ;混合動力 ; 節油

Abstract：It features the topological structure of hybrid power. Take SKT150 Mining Dump Truck and SET150 Mining Dump Truck as examples. They feature parallel and series hybrid power configurations respectively， development of hybrid power control program， transmission control and machine control strategies for dual-decoupling of the engine speed torque， ensuring an optimized working space of the engine and higher fuel-saving rate. With the control strategy， it also realizes the intelligent assist mode of the motor for the adjustment of the working space of the engine， full-power assist mode of the motor under severe conditions， and identification of the applicable conditions for energy recharging of the motor. The simulation results indicate that the engine can be operated on the optimal economy curve with significantly lower fuel consumption. The on-site verification results show that the actual fuel-saving rate is higher than that as planned with an obvious fuel-saving effect.

Keyword：Mining Dump Truck?hybrid power?fuel-saving

引言

礦用自卸車包括寬體車在朝著大噸位的方向發展，但是動力配套一直是制約發展的主要因素。礦用自卸車主要部件和關鍵技術被國外壟斷，設備采購的成本很高，大型礦用自卸車采用的進口大功率發動機采購價超過整車成本的25%，導致成本過高，產品失去競爭力。同時國內代理商較少，采購無議價權，導致配件成本較高，并且進口的配件每年漲價，采購周期長達2-5個月，導致車輛出現故障后不能及時維修，后期維護成本高。由于露天礦坑運輸物料的特點，傳統配置大排量發動機油耗高，運營成本高。針對以上痛點，設計一種解決方案，采用發動機+電機/雙發動機+電池的方案，用中小功率發動機代替進口大功率發動機，在滿足動力性基礎上降低成本，并實現節能。同時開發一套混合動力控制程序，優化控制策略，保證混動產品相比于同款燃油車節油率在5%以上;開發電機助力模式與發電模式自動切換策略，保證SOC處于20%-85%。

混合動力礦用自卸車構型方案

額定載質量100T的SKT150礦用自卸車采用的是P3構型的并聯混合動力拓撲結構，其動力拓撲圖如圖1所示：

SKT150礦用自卸車的發動機摒棄同噸位燃油礦用自卸車的功率783KW的進口發動機，替代為565KW的國產發動機，同時采用2個250KW電機和2個2擋變速箱以及258KWh的動力電池。并聯式結構具有明顯的優點：可選用容量較低的電池組，相應的降低了動力電池的成本和質量;通過優化控制算法，發動機可以直接驅動礦用自卸車，減少能量轉換造成的損失;當礦用自卸車處于重載上坡等惡劣工況時，動力電池和電動機可以向礦用自卸車提供補充動力，使得發動機能夠穩定地工作在經濟區間內，避免了發動機在工作區間內的大幅波動。

并聯混合動力的工作模式可分為四種，其工況和特點見表1：

額定載質量136T的電動礦用自卸車SET150采用的串聯混合動力拓撲結構如圖2所示：

SET150礦用自卸車的發動機摒棄同噸位1119KW的進口發動機，替代為2個565KW的國產雙發動機，同時采用2個560/900KW的電動輪和200KWh的動力電池。串聯式結構優點在于：發動機從復雜的路面負荷中解耦出來，減少發動機頻繁地變換工作區間，更加容易的控制發動機的工作狀態，使其保持在穩定、高效、低污染的工作區間內。其缺點在于發動機輸出的機械能轉換為電能之后再由電動機將電能轉換為機械能的過程中，經歷的能量轉換會造成能量損失。

技術路線

根據整車動力特性（燃油動力總成和電驅動動力總成）和駕駛員加速度需求，建立整車駕駛員模型。在D擋建立并使用經濟驅動（EVT）、強制發電（Compel Discharge）、強制放電（Compel Charge）、滑行控制（Coast Brake）等4種模式，在R擋建立并使用經濟驅動、強制放電、滑行控制等三種控制模式。通過不同狀態機的切換，來控制和分配扭矩，完成發動機扭矩與電機扭矩的管理，實現SOC電平衡和提高發動機工作效率。以D擋為例，其工作模式狀態機切換圖如圖3所示：

整車控制策略

在經濟驅動模式中，混動模型首先通過駕駛員模型和當前的限速扭矩系數計算出當前整車驅動扭矩。同時根據SOC查表（發電查表）得到當前發動機額外用來發電的功率，兩者相加，得到發動機實際的扭矩輸出指令。再根據發動機實際的扭矩輸出反饋，計算電機的實際發電指令。在強制充電模式下，通過調整EVT模式中發電查表，來增加發電的比例，在整車可接受的動力性下降的前提下，優先保證SOC30%以下的充電。同時限制電機的扭矩輸出，雙管齊下進行電耗的。在強制放電模式下，通過優先讓電機進行持續的額定扭矩輸出，剩余的整車所需功率由發動機補齊的方法，來防止電池滿充。在滑行控制模式下，通過對當前車速進行查表來進行制動能量回收，增加能量利用率。

通過對整車需求的判斷，選擇不同的工作模式，合理分配發動機和電機的扭矩沒實現動力性與經濟型的雙優表現。在強制放電模式下，SOC的區間在85%-100%，優先使用電機持續扭矩輸出，發動機根據整車需求工作在0油耗或最低油耗狀態;在混動模式下，SOC的區間在20%-85%，計算出整車的功率需求，根據當前SOC和整車的功率需求，適當的調節發動機的工作點，根據整車扭矩的需求和扭矩反饋，得到電機的工作點，實現發動機與電機的扭矩耦合，實現最優的動力性與經濟性;在強制發電模式下，SOC的區間在0%-20%，其工作邏輯與混動模式基本相同，但是調節發動機工作點時，發動機功率更大，需要補充電量;在制動模式下，進行滑行能量回收和制動能量回收。

軟件架構和仿真

借鑒AutoSar的軟件架構，將軟件劃分為BSW（基礎軟件）、ASW（應用層軟件）、RTE（實時接口層）三部分。軟件功能設計有網絡管理功能、發動機管理、上下電管理、目標扭矩控制、電池控制、取力舉升控制、HMI信息交互、其他電氣控制、車身故障診斷、無人駕駛預留。網絡管理功能滿足動力、底盤、無人駕駛、HMI網絡交互需求規范;發動機管理功能設計有點火和勵磁信號;上下電管理設計有低壓上電初始化、整車高壓上電、遠程CCU喚醒功能、整車下電流程;目標扭矩控制設計有正負扭矩輸出、擋位信息轉發、無人駕駛控制預留;電池控制設計有充電控制、制動能量回收、電池制冷控制。該架構可實現平臺化、模塊化，軟件可以快速共享和移植，能夠快速應用到同平臺上的不同型譜車型，降低成本縮短開發周期。

以SKT150礦用自卸車和SET150礦用自卸車為例進行仿真，仿真結果如圖4所示：

SKT150礦用自卸車采用的是并聯混動構型，使用邏輯門限控制算法，基于SOC劃分不同的整車扭矩分配和發動機工作方式;其中發動機的工作調整包括通過優化變速箱換擋策略，調整工作點由A到B，在保持功率輸出的同時，比油耗降低5.1%;當電池SOC足夠時，調整工作點由V到U，電機提供額外的輸出功率，不但發動機比油耗降低2.7%，發動機總功率降低，進一步的降低了油耗。

SET150礦用自卸車采用的是串聯混動構型，使用恒溫器控制算法，將發動機工作點固定在最佳油耗點。在SOC超出設定的閾值后，使用功率跟隨控制算法讓控制發動機工作點在最佳經濟性曲線。

實車驗證

在保證了產品動力性能相當的情況下，大幅度的降低了產品的成本，提高了產品的競爭力。

以SKT150礦用自卸車為例，與95C礦用自卸車油耗進行對比驗證，運行一段時間的統計結果如圖5所示：

在某礦區進行實車驗證，累計運行522小時，行程為3615Km，計劃節油率為15%，實際節油率達到22%，節油效果明顯。匹配當時油價，估算出單車一年可節約油費22萬元。

結語

本文分別對并聯混合動力結構和串聯混合動力結構的礦用自卸車開發節油技術，通過仿真和實車驗證，可以得到，開發的混合動力礦用自卸車節油技術可以使得發動機工作在最佳經濟性曲線上，節油效果顯著。隨著國家日益增長的節能減排要求，新能源政策不斷出臺，礦用自卸車行業的新能源化是大勢所趨，該技術順應市場和政策需求，其實現節能、電平衡的混動策略是在市場中取勝的關鍵。