CN113946782A - 一种纯电动矿山车电量优化分析方法 - Google Patents

一种纯电动矿山车电量优化分析方法 Download PDF

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罗朋
冯永豪
赵行生
罗芳
张强
兰茜
吴志威
黄思良
邓福承
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Abstract

一种纯电动矿山车电量优化分析方法，包括以下步骤：(1)设定矿山车固定行驶线路的出发点A和终点B，从A点出发到B点，其中包括下坡路段S1、平道路段S2和山坡路段S3，(2)计算矿山车往返消耗的电能Q1和充电电能Q2；(3)统计计算整车耗电设备额定功率为P1’，则整车设备耗电Q3＝p1’*t0，t0为从A点到B点以及返回时车辆所用的时间；(4)矿山车单趟往返耗电总和：Q＝Q1‑Q2+Q3；(5)结合矿山车固定路线每班车辆运行趟数n，可得每班车辆带电量不少于Qw＝Q*n/80％。通过计算矿山车电机的牵引功率和车辆在不同路况下的阻力，利用能量守恒定律，计算出电量消耗和充电的总能耗，最终计算出矿山车电池最优带电量。

Description

一种纯电动矿山车电量优化分析方法
技术领域
本发明涉及矿山车，尤其是一种纯电动矿山车电量优化分析方法。
背景技术
近年来，纯电动技术发展迅速，乘用车纯电动化逐年增加，促进了动力电池技术的发展，目前磷酸铁锂电池以优异的安全性和高的性价比，成为动力电池的主角。电池供应商对电池管理系统已经进行了深入的开发，对电池的安全性进行了实时监控确保安全，因此对于整车主机厂更多注意力集中在如何使电量与车辆续航达到最优的状态。更多的电量将会产生更多的重量和更高的价格，对于矿用自卸车而言，更多的电量并不定是最优的，需要结合矿山车工作模式计算其最优带电量，既能保证矿山车的正常行驶和工作，又能降低电池重量和价格。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纯电动矿山车电量优化分析方法，既能保证矿山车的正常行驶和工作，又能降低电池的重量和价格。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种纯电动矿山车电量优化分析方法，所述纯电动矿山车底盘包括动力电池、牵引电机和逆变器，车辆正常行驶时能量传输为：动力电池的电能通过逆变器输送到牵引电机并驱动车轮，车辆制动时能量传输为：车轮带动牵引电机发出的电能通过逆变器回馈至动力电池；包括以下步骤：
(1)设定矿山车固定行驶线路的出发点A和终点B，从A点出发到B点，其中包括下坡路段S1、平道路段S2和山坡路段S3，
(2)计算矿山车往返消耗的电能Q1和充电电能Q2；
(3)统计计算整车耗电设备额定功率为P1’，则整车设备耗电Q3＝p1’*t0，t0为从A点到B点以及返回时车辆所用的时间；
(4)矿山车单趟往返耗电总和：Q＝Q1-Q2+Q3；
(5)结合矿山车固定路线每班车辆运行趟数n，可得每班车辆带电量不少于Qw＝Q*n/80％。
作为改进，计算电机额定功率、启动转矩、额定转速、最高转速参数：
车辆满载匀速行驶的阻力计算公式：
Fz＝m1×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150
车辆空载匀速行驶的阻力计算公式：
Fz＝m2×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150
车辆满载下坡的下滑力计算公式：
Fh＝m1×g×cos(arctan(i))×(i-μ)-CD×A×v2/21150
电机所需要的最大启动转矩：
Figure BDA0003380087110000021
车辆最高设计时速为v0，核算到牵引电机的转速：
Figure BDA0003380087110000022
平道空载时，最高设计时速v0此时车辆轮边需要提供的功率值为：
Figure BDA0003380087110000031
车辆满载情况下，在8％坡道上上坡时，具有不小于Vw的速度要求，此时车辆轮边需要提供的功率为：
Figure BDA0003380087110000032
车辆空载上坡限速40km/h，将此点设定为电机恒功输出终点，转速为：
Figure BDA0003380087110000033
作为改进，对于S1路段能耗计算其坡道阻力、滚动阻力、风阻力值：
F1′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ
F1″＝m1×g×cos(arctan(i))×i
Figure BDA0003380087110000034
F11′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ
F11″＝m1×g×cos(arctan(i))×i
式中，F1’为满载滚动阻力，F1”为满载坡道阻力，F1”’为风阻力，F11’为空载滚动阻力，F11”为空载坡道阻力；同理计算出S2路段满载的阻力F2’，F2”，F2”’，空载阻力为满载的阻力F22’，F22”，F22”’，以及S3路段的满载阻力F3’，F3”，F3”’，空载阻力F33’，F33”，F33”’。
作为改进，
消耗电能Q1＝((F2’+F2”+F2”’)*S2+(F3’+F3”+F3”’)*S3+(F22’+F22”+F22”’)*S2+(F11’+F11”+F11”’)*S1))*1000/(3600*η5)
充电电能Q2＝((F1’+F1”+F1”’)*S1+(F33’+F33”+F33”’)*S3)*1000/(3600*η6)。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
通过计算矿山车电机的牵引功率和车辆在不同路况下的阻力，利用能量守恒定律，计算出电量消耗和充电的总能耗，最终计算出矿山车电池最优带电量。
附图说明
图1为矿山车底盘局部示意图。
图2为矿山车行驶路况图。
图3为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种纯电动矿山车电量优化分析方法，如图1所示，所述纯电动矿山车底盘包括动力电池2、牵引电机1和逆变器3，车辆正常行驶时能量传输为：动力电池的电能通过逆变器输送到牵引电机并驱动车轮，车辆制动时能量传输为：车轮带动牵引电机发出的电能通过逆变器回馈至动力电池。车辆正常行驶消耗电池电量，车辆制动时回收电量，对于固定线路的矿山车，通过计算单趟车辆牵引消耗的电能和制动回收的电能，同时考虑车辆举升、转向、辅助系统用电，便能计算出单趟总耗能。
如图3所示，电量优化分析方法，包括以下步骤：
(1)设定矿山车固定行驶线路的出发点A和终点B，从A点出发到B点，其中包括下坡路段S1、平道路段S2和山坡路段S3，
(2)计算矿山车往返消耗的电能Q1和充电电能Q2；
(3)统计计算整车耗电设备额定功率为P1’，则整车设备耗电Q3＝p1’*t0，t0为从A点到B点以及返回时车辆所用的时间；
(4)矿山车单趟往返耗电总和：Q＝Q1-Q2+Q3；
(5)结合矿山车固定路线每班车辆运行趟数n，可得每班车辆带电量不少于Qw＝Q*n/80％。
纯电动矿用自卸车整车参数见下表所示，电量优化分析前需明确以下参数：
Figure BDA0003380087110000051
Figure BDA0003380087110000061
对车辆行驶过程中进行受力分析，主要有自身的驱动力和制动力，以及外界的阻力。其中根据工况不同，外界的阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力。滚动阻力是车辆行驶时与路面之间的摩擦阻力，其大小与车辆的质量大小、路面是否平整干燥等有关；空气阻力是车辆运行过程中，空气对车辆的阻力，其大小与车速有关；坡道阻力是车辆在有坡道路面行驶时车辆所受的力，其大小与坡度有关；加速阻力是车辆在加速时产生的车辆阻力，其大小与加速快慢有关。
车辆满载匀速行驶的阻力计算统一按照公式下式(1)进行：
Fz＝m1×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150；
车辆空载匀速行驶的阻力计算统一按照下式(2)进行：
Fz＝m2×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150；
车辆满载下坡的下滑力按照公式下式(3)进行计算：
Fh＝m1×g×cos(arctan(i))×(i-μ)-CD×A×v1/21150；
牵引电机启动转矩计算，根据式(1)计算值，可求得电机所需要的最大启动转矩：
Figure BDA0003380087110000062
试中：Fq为坡道上行车最大阻力，根据式(1)计算求得；
牵引电机最高转速计算，车辆最高设计时速为v0，核算到牵引电机的转速：
Figure BDA0003380087110000071
最高转速时功率计算，平道空载时，最高设计时速v0此时车辆轮边需要提供的功率值为：
Figure BDA0003380087110000072
试中Fz0为平道满载最高车速所受阻力，根据式(1)计算求得；
牵引电机额定功率计算，车辆满载情况下，在8％坡道上上坡时，具有不小于Vw的速度要求，此时车辆轮边需要提供的功率为：
Figure BDA0003380087110000073
根据式(1)计算的满载时8％坡道上时速Vw车辆所受阻力；
牵引工况设定，车辆空载上坡限速40km/h，将此点设定为电机恒功输出终点，转速为：
Figure BDA0003380087110000074
通过以上计算求得电机额定功率、启动转矩、额定转速、最高转速等参数，对下一步电池能耗计算具有一重要意义。
矿车载矿区运行通常往返于挖掘点与排矿点之间，线路固定。如图2所示，以下考虑一种典型工矿，A点为采矿点，B点为排矿点，矿车先重载下坡走完S1路程，再运行S2平路，最后通过S3的上坡达到排矿点，当矿车返回时走的路线完全重合。
对于S1段能耗通过下式(4)计算其坡道阻力、滚动阻力、风阻力值：
F1′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ；
F1″＝m1×g×cos(arctan(i))×i；
Figure BDA0003380087110000081
F11′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ；
F11″＝m1×g×cos(arctan(i))×i；
式中，F1’为满载滚动阻力，F1”为满载坡道阻力，F1”’为风阻力，F11’为空载滚动阻力，F11”为空载坡道阻力。同理可计算出S2阶段满载的阻力F2’，F2”，F2”’，空载阻力为满载的阻力F22’，F22”，F22”’，以及S3阶段的满载阻力F3’，F3”，F3”’，空载阻力F33’，F33”，F33”’。
矿车运行过程中，从A到B过程中S1段是势能转换为电能阶段，S2和S3是电能转换为动能和势能阶段。从B到A过程中S3段是势能转换为电能阶段，S2和S1是电能转换为动能和势能阶段。因此，全过程中：
消耗电能Q1＝((F2’+F2”+F2”’)*S2+(F3’+F3”+F3”’)*S3+(F22’+F22”+F22”’)*S2+(F11’+F11”+F11”’)*S1))*1000/(3600*η5)
充电电能Q2＝((F1’+F1”+F1”’)*S1+(F33’+F33”+F33”’)*S3)*1000/(3600*η6)。
上式F单位为KN，S单位为m，Q单位为kWh。
同时整车耗电的设备还包括电机、控制系统等辅助设备。统计计算整车耗电设备额定功率为P1’；
则整车设备耗电Q3＝p1’*t0，t0为从A点到B点以及返回时车辆所用的时间。
单趟(往返)耗电总和：Q＝Q1-Q2+Q3。
结合矿山车辆固定路线每班(7h)车辆运行趟数n，可得每班车辆带电量不少于Qw＝Q*n/80％。Qw即为自卸车最佳带电量，根据不同矿山的路况以及自卸车出勤情况，可计算出整车的最佳带电量。

Claims (4)

1.一种纯电动矿山车电量优化分析方法，所述纯电动矿山车底盘包括动力电池、牵引电机和逆变器，车辆正常行驶时能量传输为：动力电池的电能通过逆变器输送到牵引电机并驱动车轮，车辆制动时能量传输为：车轮带动牵引电机发出的电能通过逆变器回馈至动力电池；其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定矿山车固定行驶线路的出发点A和终点B，从A点出发到B点，其中包括下坡路段S1、平道路段S2和山坡路段S3，
(2)计算矿山车往返消耗的电能Q1和充电电能Q2；
(3)统计计算整车耗电设备额定功率为P1’，则整车设备耗电Q3＝p1’*t0，t0为从A点到B点以及返回时车辆所用的时间；
(4)矿山车单趟往返耗电总和：Q＝Q1-Q2+Q3；
(5)结合矿山车固定路线每班车辆运行趟数n，可得每班车辆带电量不少于Qw＝Q*n/80％。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动矿山车电量优化分析方法，其特征在于：计算电机额定功率、启动转矩、额定转速、最高转速参数；
车辆满载匀速行驶的阻力计算公式：
Fz＝m1×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150
车辆空载匀速行驶的阻力计算公式：
Fz＝m2×g×cos(arctan(i))×(i+μ)+CD×A×v2/21150
车辆满载下坡的下滑力计算公式：
Fh＝m1×g×cos(arctan(i))×(i-μ)-CD×A×v2/21150
电机所需要的最大启动转矩：
Figure FDA0003380087100000021
车辆最高设计时速为v0，核算到牵引电机的转速：
Figure FDA0003380087100000022
平道空载时，最高设计时速v0此时车辆轮边需要提供的功率值为：
Figure FDA0003380087100000023
车辆满载情况下，在8％坡道上上坡时，具有不小于Vw的速度要求，此时车辆轮边需要提供的功率为：
Figure FDA0003380087100000024
车辆空载上坡限速40km/h，将此点设定为电机恒功输出终点，转速为：
Figure FDA0003380087100000025
3.根据权利要求2所述的一种纯电动矿山车电量优化分析方法，其特征在于：
对于S1路段能耗计算其坡道阻力、滚动阻力、风阻力值：
F1′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ
F1″＝m1×g×cos(arctan(i))×i
Figure FDA0003380087100000026
F11′＝m1×g×cos(arctan(i))×μ
F11″＝m1×g×cos(arctan(i))×i
式中，F1’为满载滚动阻力，F1”为满载坡道阻力，F1”’为风阻力，F11’为空载滚动阻力，F11”为空载坡道阻力；同理计算出S2路段满载的阻力F2’，F2”，F2”’，空载阻力为满载的阻力F22’，F22”，F22”’，以及S3路段的满载阻力F3’，F3”，F3”’，空载阻力F33’，F33”，F33”’。
4.根据权利要求3所述的一种纯电动矿山车电量优化分析方法，其特征在于：
消耗电能Q1＝((F2’+F2”+F2”’)*S2+(F3’+F3”+F3”’)*S3+(F22’+F22”+F22”’)*S2+(F11’+F11”+F11”’)*S1))*1000/(3600*η5)充电电能Q2＝((F1’+F1”+F1”’)*S1+(F33’+F33”+F33”’)*S3)*1000/(3600*η6)。
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