CN110304176A - 一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，包括如下步骤：S1、拆除燃油相关部件；S2、安装电动相关部件；安装整车控制器、电子式加速踏板、电子式行车制动踏板、档位按钮、驻车制动按钮、仪表/控制模块、电机控制器，驱动电机、自动变速箱、第一电池箱、第二电池箱、电池管理系统、充电装置、高压配电箱、电附件控制器、DC/DC模块、绝缘检测模块、电动机驱动气泵、电动机驱动液压油泵、电动机驱动水泵、电空调。本发明对现有矿用燃油宽体自卸车的纯电动化改造，降低运营费用、延长运行寿命，实现了节能降耗、绿色环保可持续发展。

Description

一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案
技术领域
本发明涉及矿用燃油宽体自卸车的技术改造领域，更具体地说，涉及一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案。
背景技术
矿用宽体自卸车是近十多年在国内矿山蓬勃发展起来的一种全新车型。一进入市场就以采购价格低廉、适应性强、结构简单可靠的特点迅速成为露天矿剥离工程的主流运输工具，目前使用量巨大。矿用宽体自卸车与大吨位的矿用电动轮自卸车不同，它是由公路用重型自卸车衍变出的一种车型。技术门槛较低，这也导致市场中不同厂家的产品差异性很小。绝大多数车型都是按照“空载下坡-等待装载-重载上坡-卸载”的常规工况设计而成，动力系统需具有足够的余量满足用户对宽体自卸车重载爬坡的要求。宽体自卸车对制动系统的要求相对不高，但当这些宽体自卸车工作在“空载上坡-等待装载-重载下坡-卸载”的工况时，产品就会出现动力过剩，而摩擦片磨损严重，个别工况还会出现制动力不足的问题。宽体自卸车在这样的工况下运行，使用寿命和可靠性都会大幅缩短和降低。常规矿用燃油宽体自卸车动力总成由发动机、离合器、手动变速箱、万向传动装置、驱动桥等组成。空调系统、举升系统、转向系统、制动系统均由发动机直接或间接驱动，并在驾驶室内进行操作和控制。作为运营设备，经济性是每个矿用宽体自卸车使用者最为关心的问题。除了采购成本之外，其经济性主要包括两方面：采购的经济性和使用的经济性。
矿用宽体自卸车在实际作业中普遍存在运营时间长、经常超载的情况。另外矿区的路况恶劣，宽体自卸车一直运行在严重的颠簸、摇摆状态下。这都会大大缩短宽体自卸车的使用寿命、增大故障率和维护成本。据统计，矿用宽体自卸车的使用寿命仅为三至五年。影响矿用宽体自卸车使用寿命的最主要因素是发动机和变速箱。其作为宽体自卸车的“心脏”直接决定着该宽体自卸车的寿命。如果发动机或变速箱出现故障或损坏，宽体自卸车将无法正常运行。而且发动机和变速箱在矿用宽体自卸车整车成本中也占有较大比重，如果发动机或变速箱无法修复，整车就将报废，就需要采购新车。这不仅增加了运营成本，而且每年还将产生大量报废宽体自卸车。
综上，针对目前矿山剥离工程运输行业普遍存在的运营费用高的现状和宽体自卸车使用工况与宽体自卸车特性不匹配、运行寿命短、报废量大、再利用率低等诸多问题，如何制定行之有效的方案，通过对现有报废宽体自卸车再次改造的方法实现宽体自卸车的再次利用，并且针对不同的使用工况，开发不同运行的宽体自卸车，最终提升行业的经济效益。这是直接影响该行业能否继续发展的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，本发明提供一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，包括如下步骤：
S1、拆除燃油相关部件；
拆除发动机、离合器、手动变速箱、储油箱、发动机驱动气泵、发动机驱动液压油泵、机械式加速踏板、机械式刹车踏板、机械式离合踏板、手动换挡机构；
保留驾驶室、气罐、驱动装置、转向装置、车架、悬架、车厢、轮胎、举升装置；所述驱动装置包括行车制动器、驻车制动器、万向传动装置和驱动桥；
S2、安装电动相关部件；
S21、在S1所述驾驶室内安装整车控制器、电子式加速踏板、电子式行车制动踏板、档位按钮、驻车制动按钮及仪表/控制模块；
所述整车控制器与所述电子式加速踏板、所述电子式行车制动踏板、所述档位按钮、所述驻车制动按钮分别通过低压连接；所述整车控制器与所述仪表/控制模块通过通讯连接；整车控制器还低压连接有为其供电的24v电源；
S22、在S1所述驾驶室下部的车架下部安装电机控制器，在S1所述发动机的位置安装驱动电机，在S1所述手动变速箱的位置安装自动变速箱；
所述电机控制器与S21所述整车控制器通讯连接，所述电机控制器与所述驱动电机高压连接；
所述驱动电机与所述自动变速箱机械连接，所述自动变速箱与所述驱动装置机械连接；
S23、在S1所述车厢下侧的车架两侧分别安装第一电池箱4-6、第二电池箱4-7；
S24、在S23所述的车架下部安装电池管理系统、充电装置、高压配电箱、电附件控制器、DC/DC模块，以及绝缘检测模块；
所述电池管理系统分别与S23所述的第一电池箱4-6、第二电池箱4-7通讯连接；所述电池管理系统还与所述充电装置通讯连接；所述充电装置与所述高压配电箱高压连接；
其中，所述高压配电箱还分别与S23所述的第一电池箱4-6和第二电池箱4-7、S22所述的电机控制器高压连接；所述电附件控制器、所述DC/DC模块分别高压连接在所述高压配电箱上；
S21所述的整车控制器分别通讯连接并控制所述电池管理系统、所述电附件控制器、所述DC/DC模块及所述绝缘检测模块以及所述高压配电箱；
所述电附件控制器由气泵控制器、液压油泵控制器、水泵控制器、电空调控制器组成；
所述DC/DC模块分别与所述绝缘检测模块、所述电附件控制器、S21所述的24V电源低压连接；
S25、在S1所述的发动机驱动气泵和发动机驱动液压油泵的位置分别安装电动机驱动气泵和电动机驱动液压油泵，并且在S1所述的车架下部安装电动机驱动水泵，在S1所述的车架上部安装电空调；
S24所述的气泵控制器与所述电动机驱动气泵高压连接，S24所述的液压油泵控制器与液压油泵高压连接，S24所述的水泵控制器与水泵高压连接，S24所述的电空调控制器与所述电空调高压连接；
所述电动机驱动气泵与S1所述的气罐连接；
所述水泵冷却所述电机控制器和S1所述的驱动电机。
优选的是，所述电池管理系统和所述充电装置设置在所述第一电池箱4-6中，并且所述充电装置的充电接口在所述第一电池箱4-6的外部。
优选的是，所述高压配电箱、所述电附件控制器、所述DC/DC模块、所述绝缘检测模块集成在一起成为四合一控制器。
本发明通过对现有矿用燃油宽体自卸车的纯电动化改造，降低了宽体自卸车的运营费用、延长了宽体自卸车运行寿命，将已报废的矿用燃油宽体自卸车重复利用，提升宽体自卸车的经济性和市场竞争力，实现了节能降耗、绿色环保可持续发展。
附图说明
图1是本发明的改造方案的控制原理图。
图2是本发明中所述改造后的矿用宽体自卸车储存和使用电能的原理图。
图3是本发明中所述改造后的矿用宽体自卸车的立体结构示意图。
图4是本发明中所述改造后的矿用宽体自卸车的侧视结构示意图。
图5是本发明中所述改造后的矿用宽体自卸车拆除部分零件后的俯视结构示意图。
图6是本发明中所述改造后的矿用宽体自卸车的仰视结构示意图。
其中：3-1、驾驶室；3-3、中桥；3-4、后桥；3-5、车架；3-6、悬架；3-7、车厢；3-8、轮胎；3-9、举升装置；4-1、电动机驱动气泵；4-2、电机控制器；4-3、电空调；4-4、四合一控制器；4-5、气罐；4-6、第一电池箱；4-7、第二电池箱；4-8、液压油箱；4-9、充电装置；5-1、驱动电机；5-2、自动变速箱；5-3、转向装置；5-4、电动机驱动液压油泵；5-5、电动机驱动水泵；5-6、驱动装置。
具体实施方式
实施例：
一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，如图3～6所示，包括如下步骤：
S1、拆除燃油相关部件；
拆除发动机、离合器、手动变速箱、储油箱、发动机驱动气泵、发动机驱动液压油泵、机械式加速踏板、机械式刹车踏板、机械式离合踏板、机械式离合踏板、手动换挡机构；
保留驾驶室、气罐、驱动装置、转向装置、车架、悬架、车厢、轮胎、举升装置；所述驱动装置包括行车制动器、驻车制动器、万向传动装置和驱动桥；
S2、安装电动相关部件；如图1所示，根据本发明改造方案的原理图进行改造。
S21、在S1所述驾驶室内安装整车控制器、电子式加速踏板、电子式行车制动踏板、档位按钮、驻车制动按钮及仪表/控制模块；
所述整车控制器与所述电子式加速踏板、所述电子式行车制动踏板、所述档位按钮、所述驻车制动按钮分别通过低压连接；所述整车控制器与所述仪表/控制模块通过通讯连接；整车控制器还低压连接有为其供电的24v电源；
S22、在S1所述驾驶室下部的车架下部安装电机控制器，在S1所述发动机的位置安装驱动电机，在S1所述手动变速箱的位置安装自动变速箱；
所述电机控制器与S21所述整车控制器通讯连接，所述电机控制器与所述驱动电机高压连接；
所述驱动电机与所述自动变速箱机械连接，所述自动变速箱与所述驱动装置机械连接；
S23、在S1所述车厢下侧的车架两侧分别安装第一电池箱4-6、第二电池箱4-7；
S24、在S23所述的车架3-5下部安装电池管理系统、充电装置、高压配电箱、电附件控制器、DC/DC模块，以及绝缘检测模块；
所述电池管理系统分别与S23所述的第一电池箱4-6、第二电池箱4-7通讯连接；所述电池管理系统还与所述充电装置通讯连接；所述充电装置与所述高压配电箱高压连接；所述电池管理系统和所述充电装置设置在所述第一电池箱4-6中，并且所述充电装置的充电接口在所述第一电池箱4-6的外部。
其中，所述高压配电箱还分别与S23所述的第一电池箱4-6和第二电池箱4-7、S22所述的电机控制器高压连接；所述电附件控制器、所述DC/DC模块分别高压连接在所述高压配电箱上；
S21所述的整车控制器分别通讯连接并控制所述电池管理系统、所述电附件控制器、所述DC/DC模块及所述绝缘检测模块以及所述高压配电箱；
所述电附件控制器由气泵控制器、液压油泵控制器、水泵控制器、电空调控制器组成；
所述DC/DC模块分别与所述绝缘检测模块、所述电附件控制器、S21所述的24V电源低压连接；所述高压配电箱、所述电附件控制器、所述DC/DC模块、所述绝缘检测模块集成在一起成为四合一控制器4-4。
S25、在S1所述的发动机驱动气泵和发动机驱动液压油泵的位置分别安装电动机驱动气泵和电动机驱动液压油泵，并且在S1所述的车架3-5下部安装电动机驱动水泵，在S1所述的车架3-5的上部安装电空调；
S24所述的气泵控制器与所述电动机驱动气泵高压连接，S24所述的液压油泵控制器与液压油泵高压连接，S24所述的水泵控制器与水泵高压连接，S24所述的电空调控制器与所述电空调高压连接；所述电动机驱动气泵与S1所述的气罐连接；所述水泵冷却所述电机控制器和S1所述的驱动电机。
本发明中的整车控制器是宽体自卸车的大脑，其根据图1所示的原理图设置宽体自卸车所需要的控制功能模块和对应的接口(包括档位、驻车制动、加速、行车制动、仪表/控制等功能模块等)，主要负责将驾驶员操控加速踏板、行车制动踏板、档位按钮、驻车制动按钮、仪表/控制模块时触发的电信号转化成指令下达给各个相关功能控制器，由每个控制器驱动对应的执行部件完成工作。其中，加速踏板、行车制动踏板将驾驶员踩踏踏板的行程量转化为幅值不同的电压信号，输送给整车控制器。档位按钮、驻车制动按钮安装在驾驶室的控制台，通过按按钮将驾驶员的指令传送整车控制器。
当驾驶员驾驶宽体自卸车时，先通过档位按钮选择D档(前进)或R档(后退)，整车控制器接受到电信号后，撤除宽体自卸车的驻车制动，并通过通讯连接将前进或后退信号转达给电机控制器，预先准备控制电机正向旋转或反向旋转。
当驾驶员踏动加速踏板时，由踏板传感器发出的电压信号传送给整车控制器，此信号通过通讯连接传达给电机控制器，操控电机运行在电动机状态，加速旋转，驱动宽体自卸车向前或向后行驶。
当驾驶员踏动行车制动踏板时，由踏板传感器发出的电压信号传送给整车控制器，此信号通过通讯连接传达给电机控制器，操控电机运行在发电机状态，发电制动，使宽体自卸车减速。当宽体自卸车遇到紧急情况，驾驶员快速踩踏行车制动踏板时，整车控制器除了会通过电机控制器控制电机发电制动外，还会同时通过通讯连接给电附件控制器中的气泵控制器发送信号。气泵控制器使用气罐中的高压气驱动原宽体自卸车保留的、位于中桥和后桥两侧车轮处的行车制动装置，刹车制动。两套制动系统同时工作，使宽体自卸车快速制动。
当宽体自卸车停止，驾驶员启动驻车制动按钮时，整车控制器接受到电信号后，通过通讯连接通知电机控制器停止工作，并给电附件控制器中的气泵发送信号，使用气缸中的高压气体驱动原宽体自卸车保留的驻车制动装置，保证宽体自卸车长时安全停靠。
另外，气泵控制器用于控制电动机驱动气泵4-1。电动机驱动气泵4-1用来给安装于驾驶室后侧的气罐4-5充气，气罐4-5驱动行车制动器和驻车制动器。气罐4-5、行车制动器、驻车制动器均使用原部件。液压油泵控制器用于控制电动机驱动液压油泵5-4。液压油泵的液压油来自液压油箱4-8用于驱动位于宽体自卸车前桥前轮的转向装置5-3和车厢3-7卸货时所用的举升装置3-9。电动机驱动水泵5-5驱动用于冷却电机控制器和驱动电机的循环冷却水系统，其中，电机控制器和驱动电机均根据宽体自卸车情况在现有的设备中进行选择。电机控制器和驱动电机的冷却方式均为水冷。在宽体自卸车启动后即开始工作，宽体自卸车熄火后停止工作。电空调4-3由电空调控制器控制，由驾驶室内的仪表/控制模块按钮直接控制启停。
DC/DC模块的作用是将高压电变为低压电为电附件控制器和绝缘检测供电，并可在24V电源电量不足时为其充电，24V电源为整车控制器供电。
绝缘检测模块由DC/DC模块供电，时时监测车体绝缘情况，如检测到车体带高压电，将通过通信连接通知整车控制器，整车控制器将切断第一电池箱4-6和第二电池箱4-7与高压配电箱的高压连接，并通过驾驶室控制台的仪表提示驾驶员出现高压漏电故障。
电机控制器根据电机的功率、电压、电流及宽体自卸车的安装空间、自身所需的防护等级、冷却方式等参数进行选型。所选的电机控制器除了具有变频牵引和制动馈电的功能外，还应具有保护电机和电机控制器的功能，避免发生因过热、过流、过压、欠压等现象而造成的损坏。
驱动电机5-1是宽体自卸车动力的全部来源，驱动电机5-1分别与自动变速箱5-2、驱动装置5-6、中桥3-3、后桥3-4依次相联。根据宽体自卸车所需的性能不同，配套选择相应的驱动电机。
本发明中各新部件的固定孔均根据实际位置配作即可；
根据体积大小和模块间的联结关系，将高压配电箱、电附件控制系统、DC/DC模块、绝缘检测模块合在一起设计成四合一控制器4-4。
电附件控制器内部包括气泵控制器、液压油泵控制器、水泵控制器、电空调控制器。其中，气泵控制器连接电动机驱动气泵4-1，液压油泵控制器连接电动机驱动液压油泵5-5，水泵控制单元连接电动机驱动水泵5-5，电空调控制单元连接电空调4-3。
电池箱选用动力型磷酸铁锂动力电池，由第一电池箱4-6和第二电池箱4-7两部分组成，电池箱符合动力电池管理系统标准。根据宽体自卸车在矿区作业时的循环里程、单程耗电量和电池箱的经济性指标选择电池箱的总容量。矿用纯电动宽体自卸车的动力来源全部来自电池箱。电池箱可通过充电桩充电，也可以在宽体自卸车减速或下坡时将宽体自卸车的动能通过驱动电机制动发电转化为电能，储存于电池箱中，这些电能再用于宽体自卸车的牵引。
如图2所示，驱动电机在宽体自卸车运行在“空载下坡-等待装载-重载上坡-卸载”的工况时，根据能量守恒定律，且在能量转化时不计效率损失的情况下，以下列两种运行状态下的能量转化简图。
1、驱动电机外部接入电能时，可运行在电动机状态，驱动宽体自卸车行驶。
重载上坡时，驱动电机运行在电动机状态，电池箱中的电能通过电动机转化为机械能驱动宽体自卸车行驶，使宽体自卸车及物料获得动能。
2、外力拖动电机转轴旋转时，可运行在发电机状态，产生电能。宽体自卸车空载下坡电制动时，此时驱动电机运行在发电机状态，宽体自卸车的重力势能转化为宽体自卸车行驶的动能，宽体自卸车的动能再传递给驱动电机的转轴，拖动驱动电机转动发电，并产生制动转矩使宽体自卸车减速，通过驱动电机制动发电将宽体自卸车的动能转化为电能储存于电池箱中。根据能量守恒定律，爬坡结束后，宽体自卸车和物料的动能转化为宽体自卸车和物料的重力势能。在一个循环周期中，电池箱消耗的电能用于增加为物料的重力势能和抵消宽体自卸车的行驶阻力。相比燃油车，下坡时既可以回收由于宽体自卸车自身重力势能减小而转化的电能，又可以减少刹车片的消耗，有一定的节能效果。
对本发明改装后的宽体自卸车进行实验，当宽体自卸车运行在“空载上坡-等待装载-重载下坡-卸载”工况时，宽体自卸车满载下坡电制动发电产生的电能存储于电池箱中。根据能量守恒定律，且在能量转化时不计效率损失的情况下，宽体自卸车和物料的重力势能转化为电能，存储于电池箱中。除去宽体自卸车空载上坡时由于重力势能增加和宽体自卸车自身行驶阻力消耗的电能。一个循环周期结束后，电池箱内的电能消耗较少，相比于燃油车节能效果显著。从上面的对比可以看出，与燃油车相比，纯电动宽体自卸车无论在何种工况下，都有显著的节能效果。特别是在高海拔的地区，运行工况为“空载上坡-等待装载-重载下坡-卸载”的矿区，电驱动宽体自卸车的优势得到更好的发挥。
另外，采用电机驱动不会出现燃油车在高海拔地区发动机输出功率损失的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，其特征在于，包括如下步骤：
S1、拆除燃油相关部件；
拆除发动机、离合器、手动变速箱、储油箱、发动机驱动气泵、发动机驱动液压油泵、机械式加速踏板、机械式刹车踏板、机械式离合踏板、手动换挡机构；
保留驾驶室(3-1)、气罐(4-5)、驱动装置(5-6)、转向装置(5-3)、车架(3-5)、悬架(3-6)、车厢(3-7)、轮胎(3-8)、举升装置(3-9)；所述驱动装置(5-6)包括行车制动器、驻车制动器、万向传动装置和驱动桥；
S2、安装电动相关部件；
S21、在S1所述驾驶室(3-1)内安装整车控制器、电子式加速踏板、电子式行车制动踏板、档位按钮、驻车制动按钮及仪表/控制模块；
所述整车控制器与所述电子式加速踏板、所述电子式行车制动踏板、所述档位按钮、所述驻车制动按钮分别通过低压连接；所述整车控制器与所述仪表/控制模块通过通讯连接；整车控制器还低压连接有为其供电的24v电源；
S22、在S1所述驾驶室(3-1)下部的车架(3-5)下部安装电机控制器(4-2)，在S1所述发动机的位置安装驱动电机(5-1)，在S1所述手动变速箱的位置安装自动变速箱(5-2)；
所述电机控制器(4-2)与S21所述整车控制器通讯连接，所述电机控制器(4-2)与所述驱动电机(5-1)高压连接；
所述驱动电机(5-1)与所述自动变速箱(5-2)机械连接，所述自动变速箱(5-2)与所述驱动装置(5-6)机械连接；
S23、在S1所述车厢(3-7)下侧的车架(3-5)两侧分别安装第一电池箱(4-6)、第二电池箱(4-7)；
S24、在S23所述的车架(3-5)下部安装电池管理系统、充电装置(4-9)、高压配电箱、电附件控制器、DC/DC模块，以及绝缘检测模块；
所述电池管理系统分别与S23所述的第一电池箱(4-6)、第二电池箱(4-7)通讯连接；所述电池管理系统还与所述充电装置(4-9)通讯连接；所述充电装置(4-9)与所述高压配电箱高压连接；
其中，所述高压配电箱还分别与S23所述的第一电池箱4-6和第二电池箱(4-7)、S22所述的电机控制器(4-2)高压连接；所述电附件控制器、所述DC/DC模块分别高压连接在所述高压配电箱上；
S21所述的整车控制器分别通讯连接并控制所述电池管理系统、所述电附件控制器、所述DC/DC模块及所述绝缘检测模块以及所述高压配电箱；
所述电附件控制器由气泵控制器、液压油泵控制器、水泵控制器、电空调控制器组成；
所述DC/DC模块分别与所述绝缘检测模块、所述电附件控制器、S21所述的24V电源低压连接；
S25、在S1所述的发动机驱动气泵和发动机驱动液压油泵的位置分别安装电动机驱动气泵(4-1)和电动机驱动液压油泵(5-4)，并且在S1所述的车架(3-5)下部安装电动机驱动水泵(5-5)，在S1所述的车架(3-5)的上部安装电空调(4-3)；
S24所述的气泵控制器与所述电动机驱动气泵(4-1)高压连接，S24所述的液压油泵控制器与液压油泵(5-4)高压连接，S24所述的水泵控制器与水泵(5-5)高压连接，S24所述的电空调控制器与所述电空调(4-3)高压连接；
所述电动机驱动气泵(4-1)与S1所述的气罐(4-5)连接；
所述水泵(5-5)冷却所述电机控制器和S1所述的驱动电机。
2.根据权利要求1所述的矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，其特征在于，所述电池管理系统和所述充电装置(4-9)设置在所述第一电池箱(4-6)中，并且所述充电装置(4-9)的充电接口在所述第一电池箱(4-6)的外部。
3.根据权利要求1所述的矿用燃油宽体自卸车纯电动化的改造方案，其特征在于，所述高压配电箱、所述电附件控制器、所述DC/DC模块、所述绝缘检测模块集成在一起成为四合一控制器。
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