礦用自卸整車增程器的開發設計

尤麗艷　湯潔　沈玲　熊杰

關鍵詞：發動機；發電機；增程器；節油率；最大油電比

0 前言

國家對礦山開采的生態要求越來越高，各地方也出臺了相關政策，明確了礦山用車的使用標準與規范。在此大背景下，一批綠色環保的新能源工程機械應時而生。目前，電動礦用自卸整車成為了各大礦山、砂石骨料場越來越常見的產品。由于礦用自卸整車特殊的作業工況（重載下坡、重載上坡及復合工況），增程式礦用自卸整車（以下簡稱“增程整車”）通過車載燃油發電裝置——增程器為電機驅動系統提供電能以達到長續航里程，因而被市場廣泛接受。本文根據礦用自卸整車仿真計算，得出匹配的發動機和電機，并自主開發了一款適配于礦用自卸整車的增程器，以實現該車的長續航里程。

1 增程器

增程式電動汽車在純電動汽車上增加了增程器，增程器能夠為純電動汽車續航、為動力電池荷電狀態提供充電功率，保障電動汽車峰值電功率。

增程式電動汽車示意圖如圖1 所示。增程器由發電機與發動機通過花鍵剛性連接，發動機運行在一個或幾個經濟工況點上，并帶動發電機發電，所發的電能可為驅動電機供電或給動力電池充電。而增程器控制器（RCU）與整車控制器（VCU）通過整車層控制器局域網絡（CAN）進行信息交互，與發動機控制器（ECU）、發電機控制器（MCU）通過內部CAN 進行通信［1］。增程器不直接參與驅動，而是在整車動力電池電量不足時發電以提供額外電量，延長續航里程，避免電池過放電［2］。

2 增程器整車仿真分析

根據某款95 t 礦用自卸整車的關鍵參數及典型路譜，匹配合適的增程器，對增程整車進行動力性及經濟性仿真計算。整車參數見表1。

2. 1 增程器整車模型搭建

采用AVL Cruise 軟件搭建增程整車仿真模型，如圖2所示。該模型主要由驅動電機1、增程發電機2、電池、齒輪箱、后橋、制動器、車輪等模塊組成。

增程發電機2 和6DM3 發動機組成了增程器，給電池充電。同時，在模型中增加了增程器的控制策略。

2. 2 增程發電機選型

基于礦用自卸整車在各大礦山、砂石骨料場的使用場景，一般常見道路的坡度為5%～8%，車速≤10 km/h。當坡度為5%、車速為10 km/h 時，滿載爬坡驅動電機功率約為220 kW，如圖3 所示。當坡度為8%、車速為10 km/h 時，滿載爬坡驅動電機功率約為300 kW，如圖4 所示。

為了在大部分運行工況中，能夠保證驅動電機運行所需的能耗，減少電池充放電損耗，在現有成熟產品中選擇增程發電機的額定功率為300 kW，峰值功率為360 kW。

2. 3 增程器控制策略

根據電池充電狀態的不同，增程器選擇用燃油耗點較好的高、中、低功率進行充電，有利于延長電池的壽命。同時，在仿真計算中不考慮電池的壽命。為了計算的簡便，選取增程發電機功率為300 kW 的單一工作點進行計算。

增程器的控制策略為：① 增程器啟動。當電量低于35% 時，增程器啟動，進行充電。② 增程器停機。當電量高于80% 時，增程器停止工作。

2. 4 增程器仿真結果

根據實際路譜，分成6 種使用場景對礦用自卸整車進行了燃油耗仿真計算，具體結果見表2。由表2 可以看出：在5% 坡度且10 km/h 車速的路況下，增程整車燃油耗比傳統柴油整車燃油耗低9.53%，而在10% 坡度且5 km/h 車速的路況下，增程整車燃油耗比傳統柴油整車燃油耗低5.80%。綜合各種工況，增程整車燃油耗比傳統柴油整車平均降低8% 左右。

3 增程器匹配標定

3. 1 增程整車動力總成系統

增程整車動力總成系統如圖5 所示，其中左側為增程器總成，包含6DM3 發動機、增程發電機、MCU 及RCU。增程器總成主要以RCU 為主控制器，VCU根據當前電池荷電狀態及車況等信息計算出需求功率發送給RCU，RCU 接收到來自VCU 的需求功率信息，將其轉換成對應的發動機轉速指令與發電機轉矩指令，對發動機與發電機進行協調控制。

在控制運行中，RCU 和VCU、ECU、MCU 通過CAN 報文相互通信，實現對整個增程器的控制。各控制器之間交互報文如圖6 所示。

3. 2 增程發動機標定

增程器是由發動機和發電機匹配工作的，發動機的最優效率區間需要和發電機的最優效率區間相匹配，才能實現增程器的最優油電比。由于發電機選擇現成產品，因此需要優化發動機性能特性，使發動機在發電機高效區間內滿足最佳經濟性。經過標定，發動機外特性如圖7所示。

把發動機萬有特性曲線與發電機效率脈譜圖進行匹配并計算，得出增程器理論最大油電比為4.2 kW·h/L，如圖8 所示。

3. 3 增程器策略

當VCU 對增程器輸入的功率需求為輸出功率時，增程器工作在發電模式。此模式下，柴油發動機作為源動機，發動機輸出動力帶動發電機發電，增程器以電能的形式輸出到整車高壓母線，供驅動電機等高壓驅動設備工作，同時多余的電能用于給動力電池充電。

增程器輸出功率控制的基本工作方式有2 種：一種是以單點（多點）恒功率方式工作，另一種是沿最低燃油消耗曲線工作。采用單點（多點）恒功率方式（即開關模式）工作的增程器只有穩定工作在某燃油耗和排放量都很低的工況點，以及停機2 種狀態，車輛的動態負載完全由動力電池平衡。該工作方式下，發動機的排放量和燃油耗都很低，但不利于電池壽命。采用沿最低燃油消耗曲線工作時，增程器可以跟蹤車輛實際負荷的變化，有效降低車輛行駛對動力電池輸出容量和功率的要求，電池也可以以較小的功率循環工作，有利于延長電池的使用壽命和選擇較小功率的電池，但是頻繁變換發動機轉速，不利于降低發動機的燃油耗及排放量。

本項目標定采用三點恒功率方案，使發動機轉速工作在1 300 r/min 和1 700 r/min 兩個區域附近，不會頻繁變動，有利于發動機燃油耗與排放量的降低。

3. 4 增程器匹配標定

增程器標定的原則為：RCU 請求功率等于實際發電功率；RCU 請求功率及其對應轉速的工況需滿足最優油電轉換率。

根據以上標定原則，對CA6DM3 柴油增程器進行萬有特性掃點試驗，掃點工況包含請求功率5～280 kW、轉速800～1 900 r/min，試驗結果如圖9所示。

由圖9 可以看出：當發動機轉速為1 500 r/min、功率為220 kW 時，CA6DM3 柴油機配300 kW 發電機的增程器最大油電轉換率達到4.2 kW·h/L。

4 結語

根據整車需求，開發了滿足95 t 礦用自卸整車的增程器，該增程器實測最大油電轉換率達到4.2 kW·h/L（在發動機轉速為1 500 r/min、功率為220 kW 時），處于行業領先水平。搭載該增程器的礦用自卸整車比傳統柴油整車節油約8%，是目前礦用自卸整車重載上坡性價比較高的開發方案。