煤礦用純電動(dòng)鉸接車輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

杜佳霖，胡 勇

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

以神東集團(tuán)為代表的大型煤炭集團(tuán)引進(jìn)使用了以鉛酸電池為動(dòng)力的鏟車、支架搬運(yùn)車、運(yùn)煤車等煤礦用作業(yè)車輛，引進(jìn)使用至今已接近20年[1]。我國(guó)的蓄電池特種車輛在引進(jìn)吸收國(guó)外技術(shù)的同時(shí)也有了一定的發(fā)展，研制了CLX3膠輪鏟車、WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)、WX45J蓄電池支架搬運(yùn)車、WX100J蓄電池支架搬運(yùn)車等多種車型，從之前的模仿到如今的自主創(chuàng)新取得了一定的成果。

目前煤礦所使用的礦用純電動(dòng)四驅(qū)鉸接式防爆車輛主要以鉛酸蓄電池為動(dòng)力源，依靠電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源為整車提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的“零排放”。采用純電動(dòng)車輛可有效改善煤礦井下工作環(huán)境，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)純電動(dòng)車輛將成為未來(lái)煤礦井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)車輛的核心，如何合理布置和高效控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是煤礦用純電動(dòng)車輛設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)力分配、車輛經(jīng)濟(jì)性以及分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛的動(dòng)力學(xué)控制方面做了不少研究，多集中在地面電動(dòng)車輛，車輛電壓等級(jí)以480V或640V居多。本文結(jié)合目前現(xiàn)有的煤礦用純電動(dòng)鉸接車輛對(duì)幾種典型的四輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析，為煤礦鉸接純電動(dòng)車輛的設(shè)計(jì)提供參考。

1 單電機(jī)集中四輪驅(qū)動(dòng)模式

單電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)如圖1所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、分動(dòng)箱、前后傳動(dòng)軸、前后車橋(主減速器、差速器、輪邊減速器)，其前后軸間動(dòng)力依靠分動(dòng)箱分配，該結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)四驅(qū)燃油車基本相同，唯一區(qū)別在于使用電動(dòng)機(jī)取代了發(fā)動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)的外特性曲線與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想供應(yīng)特性場(chǎng)比較接近，可以省去離合器，所以采用這種動(dòng)力布置方式的電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)四驅(qū)車相差不大。此種四驅(qū)布置方式在煤礦車輛應(yīng)用比較普遍。比如進(jìn)口488鏟車、818運(yùn)煤車，國(guó)產(chǎn)WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)車型均采用單電機(jī)集中四輪驅(qū)動(dòng)方式。在控制方面集中式四輪驅(qū)動(dòng)方式僅需利用單個(gè)變頻器控制行走電機(jī)，輪間差速由車橋的差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向通過(guò)液壓油缸轉(zhuǎn)向[2]。

1—蓄電池；2—后驅(qū)動(dòng)橋；3—防爆牽引電動(dòng)機(jī)；4—油泵電機(jī)；5—減速器；6—傳動(dòng)軸；7—電控箱；8—前驅(qū)動(dòng)橋圖1 單電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)

以WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)為例，單電機(jī)集中四輪驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由大容量防爆鉛酸蓄電池、一臺(tái)防爆行走變頻調(diào)速裝置、一臺(tái)油泵調(diào)速裝置、一臺(tái)防爆牽引交流變頻電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)油泵交流變頻電動(dòng)機(jī)、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成[2]。防爆特殊型鉛酸蓄電池為整機(jī)提供動(dòng)力輸出，同時(shí)作為整車配重，電壓一般采用128V或240V居多。其電控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)

2 雙電機(jī)雙橋驅(qū)動(dòng)模式

由于單電機(jī)的功率逐漸不能滿足使用的需求，井下純電動(dòng)車輛需要更大功率的電動(dòng)機(jī)為整車提供動(dòng)力，而整車的布置空間是非常有限的，由于大功率電機(jī)的體積和重量的原因，造成整機(jī)布置困難。因此就需要將整機(jī)功率進(jìn)行分解，減小大功率電機(jī)的布置難度，優(yōu)化整機(jī)的重量分配，采用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后橋是比較理想的選擇[3，4]。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)如圖3所示，前后橋分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，車輛的前后車橋的差速由前后橋自帶的差速器完成。這種布置方式與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式相比，縮短了動(dòng)力傳動(dòng)路線，提高傳動(dòng)效率，主要適用于中厚煤層鉸接車輛的驅(qū)動(dòng)布置。

1—蓄電池；2—后驅(qū)動(dòng)橋；3—電控箱；4—后減速器；5—后電機(jī)；6—油泵電動(dòng)機(jī)；7—前電機(jī)；8—前減速器；9—傳動(dòng)軸；10—前驅(qū)動(dòng)橋圖3 雙電機(jī)雙橋驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)

與地面電動(dòng)車輛采用的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式不同，地面雙電機(jī)之間布置有機(jī)械耦合器，鉸接車輛雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)由于受到鉸接車輛形式的限制，采用兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后橋，通過(guò)軸重傳感器對(duì)車輛前后輪承載進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)行動(dòng)力耦合分配，保證車輛的最佳滑轉(zhuǎn)率，保證整機(jī)具有的牽引性能[5，6]。

雙橋雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與集中式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于采用兩臺(tái)防爆行走變頻調(diào)速裝置、兩臺(tái)防爆牽引交流變頻電動(dòng)機(jī)，前后兩臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)分別由不同的行走變頻器控制。防爆特殊型鉛酸蓄電池電壓一般也采用128V或240V居多。

此種控制方式采用兩個(gè)變頻器分別控制前后兩個(gè)電機(jī)，存在的問(wèn)題是前后橋載荷不同時(shí)如何合理分配兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力使能發(fā)揮最大的牽引力是考慮的關(guān)鍵。

以WX45J支架搬運(yùn)車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為例，其電氣控制主要包括大容量防爆鉛酸蓄電池、兩臺(tái)防爆行走變頻調(diào)速裝置、一臺(tái)油泵調(diào)速裝置、兩臺(tái)防爆牽引交流變頻電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)油泵交流變頻電動(dòng)機(jī)、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成[7]。各系統(tǒng)由PLC控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)，內(nèi)部采用CAN總線通信，PLC作為整機(jī)的總控單元通過(guò)CAN總線對(duì)三臺(tái)逆變器控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖4所示[8，9]。

圖4 雙電機(jī)雙橋驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)圖

3 分布式輪邊四輪驅(qū)動(dòng)模式

分布式四輪驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)如圖5所示，是利用四個(gè)獨(dú)立控制的防爆電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)井下作業(yè)車輛的四個(gè)車輪，四個(gè)車輪之間沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。牽引電機(jī)與輪轂可以是軸式連接，也可以將電機(jī)直接嵌入車輪做成電動(dòng)輪。分布式驅(qū)動(dòng)沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，而且動(dòng)力直接由電動(dòng)機(jī)經(jīng)花鍵軸直接輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)控制，操作更簡(jiǎn)單；振動(dòng)和噪聲也大大減少；可以有效利用車輛的空間，降低整車布置難度，提高了車輛的整體性能[10]。所采用的防爆特殊型鉛酸蓄電池電壓一般采用240V或480V。其控制方式的關(guān)鍵在于電子差速控制、橫擺力矩控制、車輪載荷控制等。

1—蓄電池；2—牽引防爆電動(dòng)機(jī)；3—減速器；4—電控箱；5—油泵電機(jī)圖5 四電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式布置結(jié)構(gòu)

分布式輪邊電控四驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)需要根據(jù)各輪的轉(zhuǎn)速等信息，保證各輪的最佳滑轉(zhuǎn)率來(lái)控制并分配各輪的驅(qū)動(dòng)力，使車輛具有防滑能力、良好的加速性能、爬坡性能和行駛穩(wěn)定性[11，12]。

且轉(zhuǎn)向過(guò)程中，鉸接轉(zhuǎn)向油缸可作為輔助電子轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向，而橋驅(qū)電動(dòng)鉸接車輛需完全依靠轉(zhuǎn)向油缸的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。因此在設(shè)計(jì)中，在電子差速轉(zhuǎn)向可靠的前提下，可適當(dāng)將轉(zhuǎn)向油缸的設(shè)計(jì)裕量減小[13]。分布式輪邊驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 分布式輪邊驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以WX100J蓄電池支架搬運(yùn)車為例，整車電控系統(tǒng)包含：大容量防爆鉛酸蓄電池、四臺(tái)防爆行走調(diào)速裝置、一臺(tái)油泵調(diào)速裝置、四臺(tái)防爆牽引開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)油泵開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成。PLC控制箱與調(diào)速裝置通過(guò)CAN總線通信連接，實(shí)現(xiàn)油泵啟停、車輛前進(jìn)后退、燈光等操作[14-18]。

4 各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較

1)單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以沿用柴油機(jī)車輛的部分傳動(dòng)裝置，繼承性好，便于處理電機(jī)冷卻，隔振以及電磁干擾等問(wèn)題，可以采用減速器來(lái)改變傳動(dòng)比，可以獲得較理想的動(dòng)力性能，同時(shí)降低對(duì)電機(jī)的性能要求，但是單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低，不能對(duì)前后驅(qū)動(dòng)橋的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行單獨(dú)控制，容易造成寄生功率的產(chǎn)生[19-22]。

2)雙電機(jī)雙橋驅(qū)動(dòng)可解決單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)由于電動(dòng)機(jī)功率大導(dǎo)致的布置困難，使空載時(shí)整車布置更加協(xié)調(diào)，通過(guò)對(duì)前后電機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立的控制，但不能對(duì)左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行單獨(dú)控制，使車輛的操縱穩(wěn)定性受到了限制。

3)分布式四輪驅(qū)動(dòng)相比前兩種布置方式更加簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，減少單個(gè)電機(jī)的電流和額定功率，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；四個(gè)輪邊電機(jī)均可單獨(dú)控制，容易實(shí)現(xiàn)車輛底盤的集成化、主動(dòng)控制性能，極大地改善鉸接車輛的驅(qū)動(dòng)性能和轉(zhuǎn)向性能。在制動(dòng)能量回收方面，與前兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，分布式四輪驅(qū)動(dòng)可提高車輛能量回收利用效率，對(duì)于井下電動(dòng)車輛提高續(xù)航里程有很重要的影響。

但是分布式四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在著電機(jī)布置空間緊張、安裝困難；電機(jī)的安裝位置偏低，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)密封難度增加，使整車的涉水能力減弱；整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制復(fù)雜，不可靠環(huán)節(jié)增多的等缺點(diǎn)。

三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各自特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié) 論

目前煤礦井下使用的純電動(dòng)車輛的設(shè)計(jì)中，采用單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)或者雙電機(jī)雙橋驅(qū)動(dòng)仍然是鉸接式電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)方式的首選。隨著煤礦開(kāi)采趨于向薄煤層開(kāi)采，以上兩種驅(qū)動(dòng)方式逐漸難以滿足車輛布置的要求，分布式四輪驅(qū)動(dòng)憑借高效率、緊湊型、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)將是未來(lái)煤礦井下純電動(dòng)鉸接作業(yè)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

分布式輪邊驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于未來(lái)煤礦井下無(wú)人駕駛運(yùn)輸車輛的研究也有積極的促進(jìn)作用，通過(guò)附加的轉(zhuǎn)速傳感器、車輪載荷傳感器、陀螺儀、傾角傳感器等儀器的反饋信息實(shí)時(shí)控制車輛的轉(zhuǎn)向角度、動(dòng)力輸出具有重要的意義。

針對(duì)煤礦電動(dòng)車輛目前分布式四輪驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀需要提升以下幾點(diǎn)：

1)研制調(diào)速范圍寬，額定功率為50kW左右，開(kāi)發(fā)出高效、高比功率/高比轉(zhuǎn)矩且結(jié)構(gòu)緊湊的井下作業(yè)車輛用防爆電機(jī)。

2)解決電動(dòng)機(jī)和控制器的冷卻，密封和抗振動(dòng)技術(shù)。

3)提高鉸接車輛的電子差速和防滑控制技術(shù)，尤其是應(yīng)對(duì)車輛滿載上坡的極限狀況下的控制技術(shù)，改善車輛的整體性能。