CN105539121B - 压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车 - Google Patents

压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，包括减速器、电动机、驱动器、整流驱动器、发电机、分动箱、内燃机和空气压缩机，其中所述矿用汽车载重量为100吨至400吨；所述矿用汽车在长距离下坡工况时，减速器把势能转化为机械能1a、2a，传递给电动机，电动机把机械能1a、2a转化为电能3a、4a，输出至驱动器，驱动器把电能（3a、4a）经直流母线输出至整流驱动器，该整流驱动器输出三相交流电7a驱动发电机，使发电机处于电动机状态，把电能3a、4a转换成新的机械能，一方面驱动压缩机产生压缩气体，一方面为冷却提供动力，实现了矿用汽车长距离下坡时燃油零消耗及制动能量的有效回收与利用，降低了矿用汽车燃油消耗量和排放。

Description

压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车
技术领域
本发明涉及矿用机械技术领域，特别是指一种由压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车。
背景技术
电传动矿用汽车是指采用柴电动力，载重为100吨到400吨，内燃机功率在895Kw-2737Kw的大型非公路运输车辆，运输效率高，但燃油消耗量巨大。分析其运行工况，可概括为以下三个特点：一是行驶路线固定，二是长距离坡道，三是最佳经济行驶距离为2-5公里。由于长期以来采矿业利润较高，且缺乏节能技术研发动力，因此，自上世纪70年代电传动矿用汽车诞生以来，除了由交流传动技术取代直流传动技术之外，在节能技术上并没有重大的技术进步。随着采矿行业低迷，加上国内外矿用汽车市场竞争激烈，采用有效节能技术，降低运输成本势在必行。
电传动矿用汽车行驶路线为固定的长距离上下坡道，其制动时均采用电制动方式，制动功率是内燃机功率1.1-1.4倍。由于在下坡工况产生的势能巨大且时间较短，因此，还没有有效的能量回收技术。传统的矿用汽车采用制动电阻产热的方式把势能耗散掉，从而到达制动的目的，而制动电阻所占空间较大，不宜于其他部件的布置。
目前，电传动车辆能量回收的方式主要有蓄电池和超级电容。纯电动汽车EV与混合动力电动汽车HEV采用锂离子动力电池作为储能元件，相比于镍氢电池与铅酸电池，具有能量密度高，低温性能好等特点。电传动矿用汽车的最大经济运距为5公里，下坡运行时间为6-12分钟，而目前市场上的锂离子动力电池的充电倍率为1C，也就是说要一个小时的时间才能充满电能；另一个问题是循环寿命，矿用汽车每天下坡运行12次左右，每年按310天出勤率，一年要3720次，而锂离子动力电池的循环次数为1000次左右。输出功率为400Kw，连续放电时间为1小时的锂离子动力电池的重量为4.5吨，体积为3.2立方米，因此，无论从充电时间、寿命还是体积上锂离子电池都无法满足电传动矿用汽车的要求。
超级电容充电10分钟以内可达到其额定容量的95％以上，且循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，但超级电容与锂离子动力电池一样，价格昂贵且体积大，400Kw超级电容重量在5吨左右，作为储能元件，其节省的燃油与购买的成本相比，在车辆的整个寿命周期内，很难看到明显的经济效益。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，以解决矿用车长距离下坡时能量的有效回收与利用问题，降低矿用汽车燃油消耗量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，包括减速器、电动机、驱动器、整流驱动器、发电机、分动箱、内燃机和空气压缩机，其中所述矿用汽车载重量为100吨至400吨；所述车辆在长距离下坡工况时，减速器把势能转化为机械能，传递给电动机，当电动机反电动势高于正向电压时，电动机把机械能转化为电能，输出至驱动器，驱动器把电能3a、4a经直流母线输出至整流驱动器，该整流驱动器输出第一三相交流电驱动发电机，使发电机处于电动机状态，把电能转换成新的机械能，该新的机械能分为三部分输出，第一部分机械能输出到传动系的冷却系统，第二部分机械能通过所述分动箱反拖所述内燃机，第三部分机械能通过所述分动箱驱动所述空气压缩机；
进一步地，所述第一部分机械能输出到传动系的冷却系统，具体为所述发电机同轴风扇把该第一部分机械能转变为风能，其中一部分风能输入至所述发电机，对所述发电机定转子进行冷却，另一部分风能分别进入所述电动机，对所述电动机定转子进行冷却；
进一步地，所述第二部分机械能通过所述分动箱反拖所述内燃机，使所述内燃机达到额定转速，此时，所述内燃机一方面为机械制动、转向和弱电系统提供动力，另一方面为制动提供15％的阻力矩，且所述内燃机燃油消耗为零；
进一步地，所述第三部分机械能通过所述分动箱驱动所述空气压缩机，在所述整流驱动器的驱动下，所述第三部分机械能通过所述分动箱输出第一机械能，驱动所述空气压缩机，使空气压缩机产生30Mpa的高压气体，存储到压缩空气存储装置；
进一步地，所述压缩空气存储装置为所述矿用汽车车架矩形空腔，该车架矩形空腔由所述矿用汽车的左右两根车架组成，该车架作为承重部件其为纵向空心的梁，该梁的截面为矩形；
进一步地，在牵引工况时，所述压缩空气存储装置直接输出压缩空气至所述空气压缩机，使所述空气压缩机输出第二机械能，所述内燃机输出机械能，上述第二机械能和内燃机输出机械能在所述分动箱中耦合，驱使所述分动箱输出机械能驱动所述发电机；
进一步地，所述发电机输出第二三相交流电至所述整流驱动器，所述整流驱动器在所述牵引工况下起整流作用；
进一步地，所述整流驱动器输出直流电至直流母线，再通过所述驱动器逆变成三相交流电；
进一步地，所述驱动器通过所述三相交流电驱动所述电动机，所述电动机输出机械能至所述减速器。
有益效果
本发明的技术方案实现了矿用车长距离下坡时零燃油消耗，对下坡势能可以进行有效的回收，不再以热的形式耗散,一方面驱动压缩机产生压缩气体，一方面为冷却提供动力；在牵引工况，利用回收的能量与内燃机能量共同输出，从而有效解决了电传动矿用汽车能量回收与循环利用问题，降低了矿用汽车燃油消耗量及排放。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1为本发明一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车能量传递图；
图2为所述的能量分配图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如附图1-2所示，一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，所述矿用汽车在长距离下坡工况，轮边减速器1、2把势能转化为机械能1a、2a，传递给电动机1、2，当电动机1、2反电动势高于正向电压时，电动机1、2把机械能1a、2a转化为电能3a、4a，输出至驱动器1、2，驱动器1、2把电能输出至直流母线5a、6a，进入整流驱动器，此时，整流驱动器起驱动器功能，输出第一三相交流电7a驱动发电机，使发电机处于电动机状态，把电能3a、4a转换成新的机械能。
在下坡工况，该新的机械能分为三部分输出，第一部分机械能输出到传动系的冷却系统，发电机同轴风扇13把机械能转变为风能，其中，一部分风能14输入至发电机，对发电机定转子进行冷却，另一部分风能15分别进入电动机1、2，对电动机定转子进行冷却。在下坡工况时，在整流驱动器的驱动下，发电机输出的第二部分机械能通过分动箱反拖内燃机，使内燃机达到额定转速，此时，内燃机一方面为机械制动、冷却、转向和弱电系统提供动力，另一方面为制动提供15％的阻力矩，且内燃机燃油消耗为零。
在下坡工况，在整流驱动器的驱动下，发电机输出的第三部分能量通过分动箱输出第一机械能11a，驱动空气压缩机，使空气压缩机产生30Mpa的高压气体12a，存储到压缩空气存储装置中，该压缩空气存储装置为所述矿用汽车车架矩形空腔，该车架矩形空腔由所述矿用汽车的左右两根车架组成，该车架作为承重部件其为纵向空心的梁，该梁的截面为矩形；
在牵引工况，压缩空气12b从矿用汽车车架矩形空腔中输出，至空气压缩机，空气压缩机输出第二机械能11b进入分动箱。
在牵引工况，进一步地，内燃机输出机械能9b，至分动箱。
在牵引工况，进一步地，空气压缩机输出第二机械能11b与内燃机输出机械能9b，在分动箱耦合，驱动分动箱输出机械能8b，驱动发电机，此时，发电机处于发电状态。
在牵引工况，进一步地，发电机输出第二三相交流电7b至整流驱动器，此时，整流驱动器起整流作用。
在牵引工况下，进一步地，整流驱动器输出直流电至直流母线5b、6b，直流母线电能再通过驱动器1、2逆变成三相交流电3b、4b。
在牵引工况下，进一步地，驱动器1、2通过三相交流电3b、4b驱动电动机1、2，电动机1、2输出机械能1b、2b至轮边减速器1、2。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于：包括减速器(1，2)、电动机(1，2)、驱动器(1，2)、整流驱动器、发电机、分动箱、内燃机和空气压缩机，其中所述矿用汽车载重量为100吨至400吨；所述矿用汽车在长距离下坡工况时，减速器(1、2)把势能转化为机械能(1a、2a)，传递给电动机(1、2)，当电动机(1、2)反电动势高于正向电压时，电动机(1、2)把机械能(1a、2a)转化为电能(3a、4a)，输出至驱动器(1、2)，驱动器(1、2)把电能(3a、4a)经直流母线(5a、6a)输出至整流驱动器，该整流驱动器输出第一三相交流电(7a)驱动发电机，使发电机处于电动机状态，把电能(3a、4a)转换成新的机械能，该新的机械能分为三部分输出，第一部分机械能输出到传动系的冷却系统，第二部分机械能通过所述分动箱反拖所述内燃机，第三部分机械能通过所述分动箱驱动所述空气压缩机。
2.如权利要求1所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述第一部分机械能输出到传动系的冷却系统，具体为所述发电机同轴风扇(13)把该第一部分机械能转变为风能，其中一部分风能(14)输入至所述发电机，对所述发电机定转子进行冷却，另一部分风能(15)分别进入所述电动机(1、2)，对所述电动机定转子进行冷却。
3.如权利要求1所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述第二部分机械能通过所述分动箱反拖所述内燃机，使所述内燃机达到额定转速，此时，所述内燃机一方面为机械制动、转向和弱电系统提供动力，另一方面为制动提供15％的阻力矩，且所述内燃机燃油消耗为零。
4.如权利要求1所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述第三部分机械能通过所述分动箱驱动所述空气压缩机，在所述整流驱动器的驱动下，所述第三部分机械能通过所述分动箱输出第一机械能(11a)，驱动所述空气压缩机，使空气压缩机产生30Mpa的高压气体(12a)，存储到压缩空气存储装置。
5.如权利要求4所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述压缩空气存储装置为所述矿用汽车车架矩形空腔，该车架矩形空腔由所述矿用汽车的左右两根车架组成，该车架作为承重部件其为纵向空心的梁，该梁的截面为矩形。
6.如权利要求4所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，在牵引工况时，所述压缩空气存储装置直接输出压缩空气(12b)至所述空气压缩机，使所述空气压缩机输出第二机械能(11b)，所述内燃机输出机械能(9b)，上述第二机械能(11b)和内燃机输出机械能(9b)在所述分动箱中耦合，驱使所述分动箱输出机械能(8b)驱动所述发电机。
7.如权利要求6所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述发电机输出第二三相交流电(7b)至所述整流驱动器，所述整流驱动器在所述牵引工况下起整流作用。
8.如权利要求7所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述整流驱动器输出直流电至直流母线(5b、6b)，再通过所述驱动器(1、2)逆变成三相交流电(3b、4b)。
9.如权利要求8所述的压缩空气与内燃机混合动力电传动矿用汽车，其特征在于，所述驱动器(1、2)通过所述三相交流电(3b、4b)驱动所述电动机(1、2)，所述电动机(1、2)输出机械能(1b、2b)至所述减速器(1、2)。
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