一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统、方法及防爆轻卡车与流程

1.本发明涉及一种混合动力系统能量匹配技术领域，特别涉及一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统、方法及防爆轻卡车。


背景技术：

2.节能和环保是当前煤矿业发展的两大突出问题，发展新能源是当前趋势，混合动力由于兼顾传统燃油的长续驶里程及纯电动低能耗、低排放的特点，是目前新能源中的研究重点。在当前的混合动力汽车研究中，方向大多都集中在乘用车领域，混合动力矿用车未被重视，众所周知，矿区基本无平路，一个运输循环大约30％是上坡，30％是下坡，对于混合动力系统而言，有1/3回收能量的机会，在节能与减排方面更能够体现混合动力系统的优势。此外，传统矿用车在矿区所遇到的持续制动、连续高效作业等，恰恰成为混合动力系统回收能量、提高节能成果可利用的资源。
3.在矿用混合动力车型中，能量匹配策略的设计对于车辆各项性能的发挥有着极大影响，因此对于混合动力能量匹配策略研究，对于提高车辆在不同工况下的经济性具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提供一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统、方法及防爆轻卡车。
5.本发明采取以下技术方案：一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统，包括串联的防爆发动机和防爆电机mg1，防爆电机mg1通过离合器驱动行星架转动，行星架分别与太阳轮和齿圈啮合，所述太阳轮与车体连接，所述齿圈一方面和防爆电机mg2相互连接，另一方面通过主减速器和车轮相连接；所述防爆电机mg1与变频器电气连接，变频器分别与防爆蓄电池、汽车附件以及防爆电机mg2电气连接。
6.一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配方法，通过矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统实施，具体方法为：1）当驾驶员脚踩制动踏板或车辆处于滑行状态时，防爆电机mg2在外界惯性力矩的作用下开始倒拖进行制动回馈，将车辆运行的动能转化为电能并最终存储在防爆蓄电池中；2）当车辆爬坡或地面时，根据轮边功率需求大小，车辆由防爆发动机驱动或者与防爆电机mg2并联驱动，同时bms采集防爆蓄电池荷电状态soc，整车控制器结合soc最佳区间，控制防爆蓄电池充放电，实时调解soc。
7.实时调解soc的规则为：a.当防爆蓄电池soc达到预设的最大值时，不进行防爆蓄电池充电；b.当防爆蓄电池soc达到预设的最小值时，防爆发动机通过防爆电机给蓄电池充
电。
8.防爆电池的荷电状态soc值达到预设的最小值为0.3；防爆电池的荷电状态soc值达到预设的最大值为1-a0+0.3，其中a0为纯电动模型行走时的防爆电池的荷电状态soc值。
9.步骤2中，车辆在升井，轮边功率需求较高时，防爆发动机提供主要动力，离合器闭合，防爆发动机一方面带动防爆电机mg1给防爆蓄电池充电，另一方面其扭矩和防爆电机mg2的扭矩经过齿圈合成以后共同经过主减速器输到车轮，以满足爬坡功率需求；当车辆在地面，轮边功率较小时，由防爆发动机单独驱动车辆，离合器断开，防爆电机mg1在防爆发动机的带动下作为发电机开始工作，向动力电池充电，防爆电机mg2利用动力电池的能量作为电动机驱动车辆，通过带动齿圈最终向车轮输出动力；防爆发动机产生的能量除了提供驱动能量外，最终也维持了防爆蓄电池soc 在目标区间内波动。
10.一种矿用混联式混合动力防爆轻卡车，所述矿用混联式混合动力防爆轻卡车以轻卡车结构为基础，其上安装变速箱、防爆电气控制系统、车架系统、悬架系统、转向系统、制动系统、液压系统以及车身系统，所述矿用混联式混合动力防爆轻卡车应用矿用混联式混合动力系统能量匹配系统。
11.矿用混联式混合动力防爆轻卡车应用矿用混联式混合动力能量匹配方法。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）因不会深度放电，可以延长电池寿命。
13.2）井下巷道通风性差，车辆在井下巷道为纯电动，可以改善环境，实现“零”排放。
14.3）再生制动时，电动机工作在发电状态把车辆的动能转化为电能给电池充电。
附图说明
15.图1为混联式混合动力结构示意图；图2为混联式混合动力轻卡车主视图；图3为混联式混合动力轻卡车侧视图；图4为混联式混合动力轻卡车俯视图；图中1-防爆发动机，2-防爆电机mg1，3-防爆电机mg2，4-防爆蓄电池，5-变频器，6-车轮，7-太阳轮，8-行星轮，9-齿圈，10-行星架，11-主减速器，12-汽车附件，13-离合器，15—变速箱，16—防爆电气控制系统，17—车架系统，18—悬架系统，19—转向系统，20—制动系统，21—液压系统，22—车身系统。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.动力结构是由防爆发动机、防爆电机mg1、防爆电机mg2、行星齿轮减速机构四部分组成，车辆在井下巷道时，关闭防爆发动机，由防爆电池组来单独驱动，为纯电动运行，同时将惯导和扭矩传感器安装在变速箱输出轴端，测转速与扭矩，从而采集车辆在井下巷道的
功率需求，通过计算得出防爆蓄电池最佳soc区间。
18.当驾驶员脚踩制动踏板或车辆处于滑行状态时，防爆电机mg2在外界惯性力矩的作用下开始倒拖进行制动回馈，将车辆运行的动能转化为电能并最终存储在防爆电池中。当车辆爬坡或地面时，根据轮边功率需求大小，车辆由防爆发动机驱动或者与防爆电机mg2并联驱动，同时bms采集防爆蓄电池荷电状态（soc），将信息发送到显示器，通过can总线接口与整车控制系统进行通信，整车控制器再结合soc最佳区间，控制防爆蓄电池充放电，实时调解soc,规则如下：a.当防爆蓄电池soc达到预设的最大值时，不进行防爆蓄电池充电。
19.b.当防爆蓄电池soc达到预设的最小值时，防爆发动机通过防爆电机给蓄电池充电。
20.图1为混联式混合动力结构示意图，图中虚线为电气连接，实线为机械连接。其中太阳轮7与车体连接，防爆发动机1和防爆电机mg1串联与行星架10和相连接，齿圈9一方面和防爆电机mg2相互连接，另一方面通过主减速器3和车轮6相连接，防爆发动机1和防爆电机mg1的转动会分别带动行星架转动。
21.pb表示防爆蓄电池4的输出功率（放电时为正，充电时为负），pr 表示车轮6的需求功率（驱动时为正，制动时为负），pe表示汽车附件12（比如，车灯等）消耗的功率。
22.车辆在井下巷道时，为纯电动模式，第一次在进入井下巷道时保证防爆蓄电池4soc 值为1，当车辆在巷道往返一次时，安装在变速箱输出轴端的惯导和扭矩传感器测转速与扭矩，从而采集功率需求，通过计算得出防爆蓄电池4soc值，记为a0。功率平衡关系可用如下公式表示：pb(t)=pr(t)+pe(t)其中，pr(t)+pe(t)由惯导和扭矩传感器采集巷道信息计算得到，即 pr(t)+pe(t)值是已知的。防爆蓄电池（4）的输出功率 pb(t)还应满足下面的公式：pb,min≤pb≤pb,max另外，为了保证防爆蓄电池4的正常工作，在soc =0.3时，pb为最大输出功率，即pb,max，则 pb,min时，soc=1-a0+0.3，令其值为a1。这样就可以计算出防爆蓄电池（4）soc需求区间，即0.3≤soc≤a1，当soc 达到上限时不再充电，当soc 达到下限时不再放电，保证防爆蓄电池4工作在设定的区间。同时可以实时调解soc范围，适应不同的井下巷道。
23.车辆在升井时，轮边功率需求较高，需要防爆发动机1提供主要动力，离合器13闭合，防爆发动机1一方面带动防爆电机mg1给防爆蓄电池4充电，另一方面其扭矩和防爆电机mg2的扭矩经过齿圈9合成以后共同经过主减速器输到车轮6，以满足爬坡功率需求。当车辆在地面时，轮边功率较小，由防爆发动机1单独驱动车辆，离合器13断开，防爆电机mg1在防爆发动机1的带动下作为发电机开始工作，向动力电池充电，防爆电机mg2利用动力电池的能量作为电动机驱动车辆，通过带动齿圈9最终向车轮6输出动力。防爆发动机1产生的能量除了提供驱动能量外，最终也维持了防爆蓄电池4soc 在目标区间内波动。
24.车辆在下井时，为再生制动模式，利用防爆电机mg2（3）实现制动，给防爆蓄电池（4）充电，保证车辆在进入巷道时，防爆蓄电池4soc值满足要求。但是当防爆电机mg2制动力不足以满足制动力需求，必须采用部分机械制动，同时也要考虑防爆蓄电池4的 soc，当防
爆蓄电池4soc已经达到预设值时，不能继续充电时，只能采用机械制动。
25.一种矿用混联式混合动力防爆轻卡车。该车型是以轻卡车结构为基础，通过布置安装防爆发动机、防爆电机mg1、变速箱、防爆电机mg2、防爆电气控制系统、车架系统、悬架系统、转向系统、制动系统、液压系统、车身系统组成，并对其中车架、驾驶室重新进行设计改造的防爆轻卡车。
26.防爆发动机：主要提供动能,以单独输出，也可以通过转矩分配器与防爆驱动电机进行扭矩和功率的互相叠加输出。
27.防爆电机mg1：防爆电机mg1电机置于变速箱的输入端，在离合器之前，与发动机曲轴连接在一起，只要发动机在运转，转子就跟着旋转，可用于发动机启动。
28.变速箱：变速箱采用单排行星齿轮机构，与传统齿轮不同，其具有多输入的特性,实现动力耦合，此外行星排结构紧凑，集成度高，有利于实现整车轻量化，并且可以高效分配动力能量。
29.单排行星齿轮机构主要由太阳轮、行星架和齿圈三部分组成。其太阳轮与车体连接，防爆电机mg1与行星架相连接，齿圈和防爆电机mg2相连接。
30.防爆电机mg2：防爆电机mg2置于变速箱的输出端，纯电驱动更为直接，更高效、动能回收的效率高，因电机不与发动机连接，不用于启动发动机。
31.防爆电气控制系统：主要包括控制器、本安电路、本安仪表、安全监测保护等装置。发动机控制器、电机mg1控制器和电机mg2控制器结构形式为矿用隔爆型。本安电路主要作用是为本安型电气件（如灯具 、传感器等）提供电源和隔离大功率大能量器件，以使整车控制线路的电流不足以达到点燃危险气体的级别。本安仪表为驾驶员提供清晰的行车信号。安全监测保护系统由防爆传感器 、整车检测装置等组成，检测轻卡车状态，实现安全保护功能。
32.车架系统：车架由轻卡车大梁专用钢材制造而成，并经过局部加强。
33.悬架系统：悬架系统包括前、后减震器和板簧，其中板簧为片式，结构简单，成本低，承载能力强。
34.转向系统：转向系统包括全液压转向桥、转向器和方向盘等。转向桥为全液压式，转向灵活、省力，提高了轻卡车在巷道转弯和调头的安全性，增强了驾驶舒适度。
35.制动系统：采用安全失效型湿式制动系统，它主要由制动阀、湿式多盘制动器及制动管路组成，系统可保证一个回路失效后，另一个回路仍能正常制动，整个系统符合防爆要求，制动灵敏、安全可靠。
36.液压系统：
液压系统包括防爆液压马达、液压油箱、蓄能器和相关管路等，此套装置主要为转向和制动提供动力 。
37.车身系统组成：车身系统包括驾驶室真皮座椅和其他一些附件等。
38.矿用并联式混合动力防爆轻卡的最大特点是防爆发动机和防爆驱动电机通过转矩分配器可共同驱动防爆轻卡。在混合动力模式下，输出功率高，具有非常好的加速性能和出色的起步扭矩；在纯电模式下，具有电动轻卡安静、环保、使用成本低的优点。
39.矿用混联式混合动力防爆轻卡车动力系统：混联式动力系统由防爆发动机、防爆电机mg1、转矩分配器、防爆电机mg2和防爆电池组组成。与串联式相同的特点是防爆发动机可以给防爆电池组充电，不同的是防爆发动机可以直接驱动防爆轻卡；与并联式的差异在于防爆发电机可以在防爆驱动电机工作时给防爆电池组充电。
40.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统，其特征在于：包括串联的防爆发动机（1）和防爆电机mg1（2），防爆电机mg1（2）通过离合器（13）驱动行星架（10）转动，行星架（10）分别与太阳轮（7）和齿圈（9）啮合，所述太阳轮（7）与车体连接，所述齿圈（9）一方面和防爆电机mg2（3）相互连接，另一方面通过主减速器（11）和车轮（6）相连接；所述防爆电机mg1（2）与变频器（5）电气连接，变频器（5）分别与防爆蓄电池（4）、汽车附件（12）以及防爆电机mg2（3）电气连接。2.一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配方法，其特征在于：通过如权利要求1所述的矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统实施，具体方法为：1）当驾驶员脚踩制动踏板或车辆处于滑行状态时，防爆电机mg2（3）在外界惯性力矩的作用下开始倒拖进行制动回馈，将车辆运行的动能转化为电能并最终存储在防爆蓄电池（4）中；2）当车辆爬坡或地面时，根据轮边功率需求大小，车辆由防爆发动机（1）驱动或者与防爆电机mg2（3）并联驱动，同时bms采集防爆蓄电池荷电状态soc，整车控制器结合soc最佳区间，控制防爆蓄电池充放电，实时调解soc。3.根据权利要求2所述的矿用混联式混合动力系统能量自动分配方法，其特征在于：所述实时调解soc的规则为：a.当防爆蓄电池soc达到预设的最大值时，不进行防爆蓄电池充电；b.当防爆蓄电池soc达到预设的最小值时，防爆发动机通过防爆电机给蓄电池充电。4.根据权利要求3所述的矿用混联式混合动力系统能量自动分配方法，其特征在于：所述防爆电池的荷电状态soc值达到预设的最小值为0.3；防爆电池的荷电状态soc值达到预设的最大值为1-a0+0.3，其中a0为纯电动模型行走时的防爆电池的荷电状态soc值。5.根据权利要求2所述的矿用混联式混合动力系统能量自动分配方法，其特征在于：所述步骤2中，车辆在升井，轮边功率需求较高时，防爆发动机（1）提供主要动力，离合器（13）闭合，防爆发动机（1）一方面带动防爆电机mg1（2）给防爆蓄电池（4）充电，另一方面其扭矩和防爆电机mg2（3）的扭矩经过齿圈（9）合成以后共同经过主减速器输到车轮（6），以满足爬坡功率需求；当车辆在地面，轮边功率较小时，由防爆发动机（1）单独驱动车辆，离合器（13）断开，防爆电机mg1（2）在防爆发动机（1）的带动下作为发电机开始工作，向动力电池充电，防爆电机mg2（3）利用动力电池的能量作为电动机驱动车辆，通过带动齿圈（9）最终向车轮（6）输出动力；防爆发动机（1）产生的能量除了提供驱动能量外，最终也维持了防爆蓄电池（4）soc 在目标区间内波动。6.一种矿用混联式混合动力防爆轻卡车，其特征在于：所述矿用混联式混合动力防爆轻卡车以轻卡车结构为基础，其上安装变速箱、防爆电气控制系统、车架系统、悬架系统、转向系统、制动系统、液压系统以及车身系统，所述矿用混联式混合动力防爆轻卡车应用如权利要求1所述的矿用混联式混合动力系统能量匹配系统。7.根据权利要求6所述的矿用串联式混合动力防爆轻卡车，其特征在于：所述矿用混联式混合动力防爆轻卡车应用如权利要求2所述的矿用混联式混合动力能量匹配方法。

技术总结
本发明涉及一种混合动力系统能量匹配技术领域，特别涉及一种矿用混联式混合动力系统能量自动分配系统、方法及防爆轻卡车。包括串联的防爆发动机和防爆电机MG1，防爆电机MG1通过离合器驱动行星架转动，行星架分别与太阳轮和齿圈啮合，所述太阳轮与车体连接，所述齿圈一方面和防爆电机MG2相互连接，另一方面通过主减速器和车轮相连接；所述防爆电机MG1与变频器电气连接，变频器分别与防爆蓄电池、汽车附件以及防爆电机MG2电气连接。本发明因不会深度放电，可以延长电池寿命。可以延长电池寿命。可以延长电池寿命。


技术研发人员：冀鹏飞 周锋涛 常映辉 李建厂 侯伟 张彦军 黄帅 叶竹刚 张立平 刘万宏 车利明 宋慧峰 金旭东 韩雪松 王伟
受保护的技术使用者：山西天地煤机装备有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/6/28