一种纯电动矿用卡车双源供电系统、矿用卡车及应用方法与流程

1.本发明涉及新能源汽车技术，具体涉及一种纯电动矿用卡车双源供电系统及其应用方法。


背景技术：

2.在推进绿色矿山建设的路上，治理雾霾pm2.5成为汽车电动化的强劲动力与压力，解决零污染零排放是唯一的选择。因此，采用纯电动矿用卡车来进行矿用运输，实现矿用卡车的去燃油电动化是不可逆转之势。但是，纯电动矿用卡车受蓄电池储能限制，如何减少作业期间充电次数，完成生产任务，提升车辆的续航里程已成为矿山电动化推广的瓶颈。现阶段主要采用增加电池组的方式解决，但由于电池组质量重、成本高、体积大，电池组的机械累加堆砌存在很多安全隐患，不利于车辆长期稳定运行。因此，提供一种自动化程度高、工作效率高、易操作的双源供电方法及系统是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种纯电动矿用卡车双源供电系统、矿用卡车及应用方法，本发明旨在解决解决现有纯电动矿用卡车续航里程短，运输效率不足的技术问题，能够提升矿山纯电动矿用卡车的续航能力、提高生产效率，达到绿色零排放，全天候、不间断作业。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种纯电动矿用卡车双源供电系统，包括弓网受电模块、dc/ac模块、能量回收模块、第一充/断电控制模块、充电模块、动力电池组以及第二充/断电控制模块，所述弓网受电模块用于与外部的接触网相连以获取外部供电并通过 dc/ac模块作为第一路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，所述动力电池组用于作为第二路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，所述能量回收模块与纯电动矿用卡车的电机m相连且输出端通过第一充/断电控制模块、充电模块、动力电池组相连以用于利用回收的能量为动力电池组充电，所述弓网受电模块的输出端还通过第二充/断电控制模块与充电模块相连以用于利用电网为动力电池组充电。
6.可选地，所述弓网受电模块包括集电杆、集电头、碳刷和升降驱动机构，所述集电杆、包括两段铰接连接的连接杆，所述升降驱动机构连接在两端连接杆之间，所述集电头安装在集电杆的顶端，所述碳刷安装在集电头的顶部以用于和接触网接触以获取电网的电源。
7.此外，本发明还提供一种纯电动矿用卡车，包括带有电机m的纯电动矿用卡车本体，所述纯电动矿用卡车本体中设有前文所述的纯电动矿用卡车双源供电系统。
8.此外，本发明还提供一种前文所述的纯电动矿用卡车的应用方法，包括：在纯电动矿用卡车重载上坡时，将弓网受电模块与外部的接触网相连以获取外部供电并通过dc/ac模块作为第一路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，同时还通过第二充/断电控制模块与
充电模块相连以用于利用电网为动力电池组充电；在纯电动矿用卡车轻载下坡时，所述能量回收模块将来自纯电动矿用卡车的电机m的回收能量通过第一充/断电控制模块、充电模块为动力电池组充电；在纯电动矿用卡车位于上坡和下坡以外的无接触网区域时，利用动力电池组为纯电动矿用卡车的电机m供电以驱动纯电动矿用卡车。
9.可选地，还包括确定纯电动矿用卡车的电机m的参数的步骤，所述纯电动矿用卡车的电机m的参数包括最大扭矩或者额定扭矩，且确定最大扭矩或者额定扭矩的步骤包括：基于纯电动矿用卡车的最大爬坡角度或者矿区实际爬坡角度，根据下式确定纯电动矿用卡车的电机m的最大扭矩或者额定扭矩：
[0010][0011]
上式中，α为纯电动矿用卡车的最大爬坡角度或者矿区实际爬坡角度，当α为纯电动矿用卡车的最大爬坡角度时，t
tq
为纯电动矿用卡车的电机m的最大扭矩；当α为纯电动矿用卡车的矿区实际爬坡角度时，t
tq
为纯电动矿用卡车的电机m的额定扭矩；ig为纯电动矿用卡车的变速箱速比，i0为纯电动矿用卡车的主减速比，ηd为纯电动矿用卡车的传动效率，m为纯电动矿用卡车的整车质量，g 为重力加速度，r为纯电动矿用卡车的轮胎半径，f为坡道阻力。
[0012]
可选地，所述纯电动矿用卡车的电机m的参数包括最大转速或者额定转速，且确定最大转速或者额定转速的步骤包括：基于纯电动矿用卡车的最大行驶速度或者额定行驶速度，根据下式确定纯电动矿用卡车的电机m的最大转速或者额定转速：
[0013][0014]
上式中，v为纯电动矿用卡车的最大行驶速度或者额定行驶速度，当v为纯电动矿用卡车的最大行驶速度时，n为纯电动矿用卡车的电机m的最大转速；当v为纯电动矿用卡车的额定行驶速度时，n为纯电动矿用卡车的电机m的额定转速；r为纯电动矿用卡车的轮胎半径，ig为纯电动矿用卡车的变速箱速比， i0为纯电动矿用卡车的主减速比。
[0015]
可选地，还包括确定动力电池组的参数的步骤，所述动力电池组的参数包括满足纯电动矿用卡车的电机m最大输出功率需求所需的电池容量n
bat
，其计算函数表达式为：
[0016][0017]
上式中，p为电池的输出功率，p
bdmax
为最小允许荷电状态下动力电池组提供的功率，η
mc
为纯电动矿用卡车的电机m及其控制器的效率。
[0018]
可选地，最小允许荷电状态下动力电池组提供的功率的计算函数表达式为：
[0019][0020]
上式中，e
bat
为动力电池组的电动势，r
bat0
为动力电池组的等效内阻。
[0021]
可选地，还包括确定dc/ac模块的功率参数的步骤，所述dc/ac模块的输出功率不小于纯电动矿用卡车行驶时的功率需求p1和动力电池组充电时的功率需求p2两者之和，且功率需求p1的计算函数表达式为：
[0022][0023]
上式中，η为整车动力传动系统效率，m为纯电动矿用卡车的整车质量，g 为重力加速度，cr为滚动阻力系数，v
max
为纯电动矿用卡车的最大行驶速度，a 为电动矿用卡车的迎风面积(m2)，cd为空气阻力系数。
[0024]
可选地，所述功率需求p2的计算函数表达式为：
[0025][0026]
上式中，ηc为充电效率，qa为动力电池的额定容量，s
t
为输出电容量，v
average
为纯电动矿用卡车的平均行驶速度，sz为输入电容量。
[0027]
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明将弓网受电模块用于作为第一路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，动力电池组用于作为第二路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，能量回收模块、弓网受电模块均可用于为动力电池组充电，可实现纯电动矿用卡车在不同路况下采用不同的动力源驱动，既可以通过受电弓搭载接触网充电及供电行驶，又能通过动力电池组系统供电，还能通过下坡滑行、刹车制动时进行能量回收反向充电，从而能够解决矿山纯电动矿用卡车使用续航能力不足、生产效率低的问题，能够提升矿山纯电动矿用卡车的续航能力、提高生产效率，可达到绿色零排放、全天候不间断作业的目的。本发明大大的提升了电车在矿山运输领域的适应能力，为矿山开采彻底的去石油化，全面电动化、智能化铺平道路，实现受电弓取电系统首次走向重型卡车，接触网供电系统首次走向矿山，实现矿山开采走向绿色智能化，将引领整个行业的发展方向，有巨大的示范意义。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例中纯电动矿用卡车双源供电系统的结构示意图。
[0029]
图2为本发明实施例中弓网受电模块的结构示意图。
[0030]
图3为本发明实施例双源供电系统应用方法的基本原理示意图。
具体实施方式
[0031]
如图1所示，本实施例纯电动矿用卡车双源供电系统包括弓网受电模块1、 dc/ac模块2、能量回收模块3、第一充/断电控制模块4、充电模块5、动力电池组6以及第二充/断电控制模块7，弓网受电模块1用于与外部的接触网相连以获取外部供电并通过dc/ac模块2作为第一路电源为纯电动矿用卡车的电机 m供电，动力电池组6用于作为第二路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，能量回收模块3与纯电动矿用卡车的电机m相连且输出端通过第一充/断电控制模块4、充电模块5、动力电池组6相连以用于利用回收的能量为动力电池组6 充电，弓网受电模块1的输出端还通过第二充/断电控制模块7与充电模块5相连以用于利用电网为动力电池组6充电。
[0032]
本实施例中还包括综合电源柜，第一充/断电控制模块4和第二充/断电控制模块7均布置于综合电源柜中，使得综合电源柜作为整车供电控制中心；动力电池组6存放于综合电源柜中，弓网受电模块1和能量回收模块3分别与综合电源柜相连并由充/断电系统根据
需要自由切换。例如：重载及上坡工况下，可利用弓网受电模块1和接触网供电，解决爬坡电能消耗大、动力不足问题；转弯及停车场地，由动力电池组6供电，降低电网布设难度，实现机动灵活；弓网受电模块1和接触网供电期间兼具向动力电池组6充电功能，消除纯电矿车充电等待时间，提升设备出勤率；下坡制动时则通过能量回收模块3进行能量回收，提升整体经济效益。
[0033]
弓网受电是轨道式列车的常用电气接触部件。本实施例中针对纯电动矿用卡车的特点进行了改造，如图2所示，本实施例中的弓网受电模块1包括集电杆11、集电头12、碳刷13和升降驱动机构14，集电杆11、包括两段铰接连接的连接杆，升降驱动机构14连接在两端连接杆之间，集电头12安装在集电杆 11的顶端，碳刷13安装在集电头12的顶部以用于和接触网接触以获取电网的电源，通过碳刷13压在架空线网上与直流电网相连，即可将架空线网上的直流电通过高压线连通到dc/ac模块2，实现给整车供电。
[0034]
dc/ac模块2用于实现直流、交流变换，以将架空线网上的直流电转换为交流电后给纯电动矿用卡车供电。dc/ac模块2需同时满足车辆行驶的功率需求和动力电池的充电的功率需求。除dc/ac模块2外，所有动力部件在动力电池组6下游，受到电池钳压保护。
[0035]
能量回收模块3为用于实现再生制动能量回收的已有设备。
[0036]
第一充/断电控制模块4用于实现充/断电控制。
[0037]
充电模块5用于为动力电池组6充电。
[0038]
本实施例中，动力电池组6采用磷酸铁锂电池，该类型的电池具有能量密度高，可短时2c倍率充/放电，能够满足车辆在脱网时动力性和续驶里程要求。
[0039]
第二充/断电控制模块7用于实现充/断电控制。
[0040]
本实施例全功率制动，直流母线上不需集成斩波制动器，搭网时仅dc/ac 模块2存在输入电涌，且可以通过预充电电路避免电涌。
[0041]
此外，本实施例还提供一种纯电动矿用卡车，包括带有电机m的纯电动矿用卡车本体，纯电动矿用卡车本体中设有本实施例前文的纯电动矿用卡车双源供电系统，从而可为电机m实现双源供电。电机m的核心参数指标是扭矩和转速，电机的额定和峰值扭矩要满足车辆最大爬坡和持续最大爬坡的动力性要求，具体地本实施例中电机m的额定扭矩不应低于1382n.m、额定转速为1682rpm。
[0042]
如图3所示，本实施例还提供一种前述纯电动矿用卡车的应用方法，包括：在纯电动矿用卡车重载上坡时，将弓网受电模块1与外部的接触网相连以获取外部供电并通过dc/ac模块2作为第一路电源为纯电动矿用卡车的电机m供电，同时还通过第二充/断电控制模块7与充电模块5相连以用于利用电网为动力电池组6充电；在纯电动矿用卡车轻载下坡时，能量回收模块3将来自纯电动矿用卡车的电机m的回收能量通过第一充/断电控制模块4、充电模块5为动力电池组6充电；在纯电动矿用卡车位于上坡和下坡以外的无接触网区域时，利用动力电池组6为纯电动矿用卡车的电机m供电以驱动纯电动矿用卡车。
[0043]
本实施例中，电机m和控制器以纯电动矿用卡车整车参数为基础，进行匹配计算。因架空线网的功率有限制，整车的驱动和充电模块5可和dc/ac模块 2协同控制，保证架空线网的安全性，避免在同一段线网上功率需求过大，导致架空线网电压过低。
[0044]
本实施例中还包括确定纯电动矿用卡车的电机m的参数的步骤，纯电动矿用卡车的电机m的参数包括最大扭矩或者额定扭矩，且确定最大扭矩或者额定扭矩的步骤包括：基
于纯电动矿用卡车的最大爬坡角度或者矿区实际爬坡角度，根据下式确定纯电动矿用卡车的电机m的最大扭矩或者额定扭矩：
[0045][0046]
上式中，α为纯电动矿用卡车的最大爬坡角度或者矿区实际爬坡角度，当α为纯电动矿用卡车的最大爬坡角度时，t
tq
为纯电动矿用卡车的电机m的最大扭矩；当α为纯电动矿用卡车的矿区实际爬坡角度时，t
tq
为纯电动矿用卡车的电机m的额定扭矩；ig为纯电动矿用卡车的变速箱速比，i0为纯电动矿用卡车的主减速比，ηd为纯电动矿用卡车的传动效率，m为纯电动矿用卡车的整车质量，g 为重力加速度，r为纯电动矿用卡车的轮胎半径，f为坡道阻力。具体地，本实施例中根据整车参数表中最大爬坡度和实际工况的持续爬坡度要求，按照上述公式计算得出电机的额定扭矩不应低于1382n.m。
[0047]
电机m的额定和峰值转速要满足最高车速和持续最高车速要求。本实施例中纯电动矿用卡车的电机m的参数包括最大转速或者额定转速，且确定最大转速或者额定转速的步骤包括：基于纯电动矿用卡车的最大行驶速度或者额定行驶速度，根据下式确定纯电动矿用卡车的电机m的最大转速或者额定转速：
[0048][0049]
上式中，v为纯电动矿用卡车的最大行驶速度或者额定行驶速度，当v为纯电动矿用卡车的最大行驶速度时，n为纯电动矿用卡车的电机m的最大转速；当v为纯电动矿用卡车的额定行驶速度时，n为纯电动矿用卡车的电机m的额定转速；r为纯电动矿用卡车的轮胎半径，ig为纯电动矿用卡车的变速箱速比， i0为纯电动矿用卡车的主减速比。具体地，本实施例中根据整车参数表中最高车速要求和实际工况的持续最高车速要求，按照上述公式计算得出电机的额定转速为1682rpm。参照市场电机型谱进行匹配，确定最终的电机m的参数如下表：
[0050]
表1：电机m的参数表。
[0051]
序号项目参数1额定/最大扭矩(n.m)1330/28002额定/峰值转速(rpm)1700/35003额定/最大功率(kw)250/350
[0052]
电池数量的选择需满足矿卡行驶的功率要求，并且还需保证矿卡在电池放电达到一定深度的情况下还能为矿卡提供加速或爬坡的功率要求。因此，本实施例还包括确定动力电池组6的参数的步骤，动力电池组6的参数包括满足纯电动矿用卡车的电机m最大输出功率需求所需的电池容量n
bat
，其计算函数表达式为：
[0053][0054]
上式中，p为电池的输出功率，p
bdmax
为最小允许荷电状态下动力电池组6 提供的功率，η
mc
为纯电动矿用卡车的电机m及其控制器的效率。
[0055]
磷酸锂铁蓄电池的电压特性可表示为：
[0056]ebat
＝u
bat
r
bat0
.i
bat
[0057]
上式中，e
bat
为动力电池组6的电动势(v)，u
bat
为动力电池组6的工作电压(v)，r
bat0
为动力电池组6的等效内阻(ω)，i
bat
为动力电池组6的工作电流(a)。通常，e
bat
、r
bat0
均是工作电流i
bat
以及电流电量状态值soc(stateofcharge)的函数，进行电池计算时，要考虑电池工作最差的工作状态。假设soc为其设定的最小允许工作状态值(soclow)，对应的电动势e
bat
和电池等效内阻r
bat0
来计算电池放电的最大功率。磷酸锂铁蓄电池的放电效率为：
[0058][0059]
从磷酸锂铁蓄电池的放电效率来看也可保证蓄电池具有较高的工作效率。因此，在实际应用中，磷酸锂铁蓄电池的最大输出功率应限制为：
[0060][0061]
在进行单个电池的输出最大功率计算时，应选择蓄电池在soc最差的情况下，即一般取soc＝0.1时，来计算其输出的最大功率。因此，最小允许荷电状态下动力电池组6提供的功率的计算函数表达式为：
[0062][0063]
上式中，e
bat
为动力电池组6的电动势，r
bat0
为动力电池组6的等效内阻。
[0064]
因此，满足电动机的最大输出功率需求所需的电池容量，可通过下式计算得到：
[0065][0066]
上式中，p为电池的输出功率，p
bdmax
为最小允许荷电状态下动力电池组6提供的功率，η
mc
为纯电动矿用卡车的电机m及其控制器的效率。本实施例中，经计算并且参照市场产品型谱进行匹配，确定动力电池组6的电池参数如下表：
[0067]
表2：动力电池组6的电池参数。
[0068]
序号指标参数1类型磷酸铁锂2电压平台(范围)(v)5763电池容量(kwh)105
[0069]
dc/ac模块2需同时满足车辆行驶的功率需求和动力电池组6的充电功率需求。本实施例中还包括确定dc/ac模块2的功率参数的步骤，dc/ac模块2的输出功率不小于纯电动矿用卡车行驶时的功率需求p1和动力电池组6充电时的功率需求p2两者之和，且功率需求p1的计算函数表达式为：
[0070][0071]
上式中，η为整车动力传动系统效率，m为纯电动矿用卡车的整车质量，g为重力加速度，cr为滚动阻力系数，v
max
为纯电动矿用卡车的最大行驶速度，a为电动矿用卡车的迎
风面积(m2)，cd为空气阻力系数。
[0072]
本实施例中，功率需求p2的计算函数表达式为：
[0073][0074]
上式中，ηc为充电效率，qa为动力电池的额定容量，s
t
为输出电容量，v
average
为纯电动矿用卡车的平均行驶速度，sz为输入电容量。经计算，并且参照市场产品型谱进行匹配，最终选择的dc/ac模块2的产品参数如下表：
[0075]
表3：dc/ac模块2的产品参数表。
[0076][0077]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，可以理解在不脱离本发明原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。