CN114537242B - 一种100吨级纯电驱动矿用自卸车 - Google Patents

Abstract

一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，包括车架、走台、设在走台上的驾驶室、动力***和冷却***；动力***包括动力电池组、变流器柜、牵引电机、转向电机、转向泵、举升电机和举升泵，动力电经高压箱和变流器柜分别供电给牵引电机、转向电机和举升电机，动力电池组包括第一电池箱组和第二电池箱组，第一电池箱组通过机械支架安装在车架中间且于龙门的前方；第二电池箱组安装在车架中部的外侧位置；驾驶室设在走台的左侧，变流器柜设在走台的右侧，牵引电机安装在车架中间且于龙门的后方，转向电机、转向泵、举升电机和举升泵安装在龙门内侧。配置大功率牵引电机直驱***，采用大扭矩牵引电机，减去了变速箱传动带来的能量损耗，避免了变速箱需要定期维护保养的问题，整车布局受力均匀。

Description

一种100吨级纯电驱动矿用自卸车

技术领域

本发明涉及自卸车，尤其是一种100吨级纯电驱动矿用自卸车。

背景技术

100吨级矿用自卸车是一种应用于露天矿山、大型工程施工现场的一种非公路车辆，目前矿用车基本是采用柴油机作为动力驱动车辆运行的。随着动力电池能量密度的提高，单位成本的降低，动力电池***可靠性的提升，同时随着国家2020年碳达峰、碳中和政策的提出，矿用自卸车电动化已成为趋势。

100吨级矿用自卸车目前根据传动形式不同，主要有两类：

一种是机械传动，整车由柴油机加变速箱驱动，柴油机通过变速箱、传动轴、差速器及轮边减速器给车轮传递动力。机械传动矿车：燃油车油耗费用较高，运行成本高，发动机、变速箱检修成本高。

一种是电传动，柴油机带动发电机发电，再通过变流器将交流电传递给电动轮，电动轮将电能转变为驱动力传递给车轮。电传动矿车：油耗费用较高，运行成本高，电动轮造价成本高，电动轮拆装不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，配置大功率牵引电机直驱***，采用大扭矩牵引电机，减去了变速箱传动带来的能量损耗，避免了变速箱需要定期维护保养的问题，同时，整车运行过程中无需换挡，动力输出更加线性，避免了变速箱换挡产生的顿挫；牵引电机采用车架中置式，结构简单，安装方便。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，包括车架、走台、设在走台上的驾驶室、动力***和冷却***；

所述动力***包括动力电池组、变流器柜、牵引电机、转向电机、转向泵、举升电机和举升泵，所述动力电经高压箱和变流器柜分别供电给牵引电机、转向电机和举升电机，所述牵引电机通过传动轴和驱动桥驱动后轮，所述转向电机驱动转向泵，所述举升电机驱动举升泵；

所述动力电池组包括第一电池箱组和第二电池箱组，所述第一电池箱组通过机械支架安装在车架中间且于龙门的前方；所述第二电池箱组安装在车架中部的外侧位置；所述驾驶室设在走台的左侧，所述变流器柜设在走台的右侧，所述走台的左右两侧分别设有爬梯；所述牵引电机安装在车架中间且于龙门的后方，所述转向电机、转向泵、举升电机和举升泵安装在龙门内侧。

所述冷却***包括电池水冷***、电机风冷***、制动冷却***和空调供暖及液压油热管理***；所述电池水冷***包括若干水冷机组，所述水冷机组通过循环水管路给电池箱冷却；所述风冷***包括设在牵引电机上方的冷却风机，所述冷却风机通过分别风管与牵引电机的散热风道连接和与变流器柜连接；所述制动冷却***包括举升电机、举升泵、举升油箱、分冷却器、分配阀组、车载计算机和温度传感器，在车辆不举升工作时，车辆车载计算机发出指令给举升电机，举升电机驱动举升泵运转，举升泵从举升油箱吸油，并泵送至分配阀组，进入风冷却器散热冷却，冷却后的冷却油分别进入左、右后桥湿盘制动器，将湿盘制动器的热量带走到举升油箱，然后又进入下一轮冷却循环；所述空调供暖及液压油热管理***包括安装在驾驶室的室内机、水加热器、散热器总成、液压***和油水换热器，所述液压***与散热器总成组成第一循环管路，所述油水换热器与液压***组成第二循环管路，所述油水换热器、水加热器和室内机组成第三循环管路，第一循环管路中的液压油通过散热器总成散热，所述第二循环管路中的液压油与第三循环管路中的水通过油水换热器换热。

作为改进，所述变流器柜为集成主变流器和辅助变流器的一体式变流器柜；所述走台上于变流器柜位置设有镂空孔，变流器柜通过所述镂空孔引出线缆。

作为改进，所述变流器柜中，动力电池作为变流器柜的电源输入，通过内部的预充回路，对主逆变器单元和降压模块供电；主逆变器将直流电变换为VVVF的交流电后驱动牵引电机；降压模块将输入的500～1000VDC电压降压到500～700VDC后分三路输出，一路输出给辅助逆变器，经逆变后的三相交流电为转向电机和举升电机供电；一路直接给高压直流负载供电；一路经DC/DC变换成24VDC给蓄电池和低压负载供电。

作为改进，所述第一电池箱组包括第一电池柜体和第二电池柜体，第一电池柜体与第二电池柜体采用刚性连接，组成一个整体后通过减震器与车架连接；所述第二电池箱组包括第三电池柜体，第三电池柜体与车架之间采用挂式连接。

作为改进，液压***的输出端通过第一三通阀分别于散热器总成的输入端和油水换热器的第一换热管的输入端连接；散热器总成的输出端通过第二三通阀分别与液压***的输入端和油水换热器的第一换热管的输出端连接；油水换热器的第二换热管的输出端与水加热器的输入端连接，水加热器的输出端与室内机的输入端连接，室内机的输出端与油水换热器的第二换热管的输入端连接；所述水加热器与室内机之间的管路上设有电控水阀。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、配置大功率牵引电机直驱***，采用大扭矩牵引电机，减去了变速箱传动带来的能量损耗，避免了变速箱需要定期维护保养的问题，同时，整车运行过程中无需换挡，动力输出更加线性，避免了变速箱换挡产生的顿挫；牵引电机采用车架中置式，结构简单，安装方便；

2、动力电池、走台、驾驶室、变流器柜、牵引电机布局合理，整车受力均匀，空车轴荷比接近1：1；

3、驾驶室设在走台的左侧，变流器柜设在走台右侧，驾驶室视野更宽阔；

4、由于车辆举升时间短，举升时湿盘制动器不产生热量，而在车辆行驶时举升泵不起作用，因此在车辆不举升卸料时，可利用举升泵兼做冷却泵，为湿盘制动器提供循环冷却油，整体简化湿盘制动器冷却***的配置，降低设备成本，节省空间，减轻重量，减少能耗；

5、在空调采暖***和液压油热管理***中增加一个油水换热器，实现液压***和空调采暖***的热传递，使两个***温度均衡节能，降低空调采暖功率损耗，降低液压油散热能耗，在环境温度很低的地方，不需要通过外部加热就可以实现给液压油预热，增加安全性。

附图说明

图1为自卸车侧面示意图。

图2为无货箱自卸车示意图。

图3为自卸车车架立体图。

图4为自卸车车架立体图。

图5为自卸车动力***框图。

图6为自卸车风冷***示意图。

图7为自卸车制动冷却***示意图。

图8自卸车空调供暖及液压油热管理***示意图。

图9为自卸车主电路原理图。

实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，包括车架1、走台2、设在走台2上的驾驶室3、动力***和冷却***。

如图2至5所示，动力***包括动力电池、高压箱、变流器柜7、交流负载、直流负载和DC24V负载，所述动力电经高压箱和变流器柜7供电给交流负载、直流负载和DC24V负载。所述交流负载包括牵引电机4、转向电机和举升电机，所述牵引电机4通过传动轴和驱动桥驱动后轮，所述转向电机驱动转向泵，所述举升电机驱动举升泵。所述直流负载包括PTC加热器、空调压缩机和电池水冷机组，电池水冷机组分四路，分别对应四组电池组。所述DC24V负载包括冷却风机。所述变流器柜7为集成主变流器和辅助变流器的一体式变流器柜7，所述走台2上于变流器柜7位置设有镂空孔，变流器柜7通过所述镂空孔引出线缆，所述变流器柜7中，动力电池作为变流器柜7的电源输入，通过内部的预充回路，对主逆变器单元和降压模块供电；主逆变器将直流电变换为VVVF的交流电后驱动牵引电机4；降压模块将输入的500～1000VDC电压降压到500～700VDC后分三路输出，一路输出给辅助逆变器，经逆变后的三相交流电为转向电机和举升电机供电；一路直接给高压直流负载供电；一路经DC/DC变换成24VDC给蓄电池和低压负载供电。整车传动***纯电改造采用集中驱动形式，与传统内燃机汽车的驱动结构布置方式相似，用牵引电机4+变流器替换原车柴油机+变速箱***，用动力电池***取代原车燃油***。通过传动轴、减速器等机械传动装置，将牵引电机4输出力矩，传递到左右车轮驱动车辆行驶。同时，原车由柴油机提供动力的转向泵、举升泵、空调压缩机全部改由不同的电动机提供动力，电动机由变流器提供电能和控制。动力电池是整套交流传动***的动力源，牵引工况下给变流器供电，变流器将电能转换，分送给牵引电机4、辅机***和24V控制电***，动力电池电量不足时，可通过地面充电站补充能量；制动工况下，牵引电机4制动能量通过主逆变器反馈至动力电池，给动力电池充电。

如图2至4所示，所述动力电池组包括第一电池箱组5和第二电池箱组6，所述第一电池箱组5通过机械支架安装在车架1中间且于龙门的前方；所述第二电池箱组6安装在车架1中部的外侧位置；所述驾驶室3设在走台2的左侧，所述变流器柜7设在走台2的右侧，所述走台2的左右两侧分别设有爬梯8；所述牵引电机4安装在车架1中间且于龙门10的后方，所述转向电机、转向泵、举升电机和举升泵安装在龙门10内侧。动力电池、走台2、驾驶室3、变流器柜7、牵引电机4布局合理，整车受力均匀，空车轴荷比接近1：1。所述第一电池箱组5包括第一电池柜体51和第二电池柜体52，第一电池柜体51与第二电池柜体52采用刚性连接，组成一个整体后通过减震器与车架1连接；所述第二电池箱组6包括第三电池柜体61，第三电池柜体61与车架1之间采用挂式连接。

所述冷却***包括电池水冷***、电机风冷***、制动冷却***和空调供暖及液压油热管理***。

所述电池水冷***包括若干水冷机组，所述水冷机组通过循环水管路给电池箱冷却。

如图6所示，所述风冷***包括设在牵引电机4上方的冷却风机12，所述冷却风机12通过分别风管11与牵引电机4的散热风道连接和与变流器柜7连接。所述变流器柜7的正面顶部设有进风口，冷却风从该进风口进入，经变流器柜、风管11、冷却风机12、牵引电机4后从出风口排出，从而将变流器柜和牵引电机的热量带走。

如图7所示，所述制动冷却***包括举升电机、举升泵、举升油箱、分冷却器、分配阀组、车载计算机和温度传感器。在车辆不举升工作时，车辆车载计算机发出指令给举升电机，举升电机驱动举升泵运转，举升泵从举升油箱吸油，并泵送至分配阀组，进入风冷却器散热冷却，冷却后的冷却油分别进入左、右后桥湿盘制动器，将湿盘制动器的热量带走到举升油箱，然后又进入下一轮冷却循环。在冷却油回举升油箱的管路上设置一个温度传感器，用于实时检测循环冷却油的温度，并将检测数据传送至车载计算机，用与车载计算机对举升电机和风冷却器的实时控制，以便在线实现对湿盘制动器冷却***温升的实时控制。车辆不举升工作时，举升泵行使冷却泵的功能，为车辆湿盘制动器提供循环冷却油。通过温度传感器实时监控循环冷却油的温度，跟距冷却油温来控制举升泵驱动电机的高、低转换运行，以及冷却风扇的启、停运行状态。当油温大于等于80℃时，车载计算机发出指令，风冷却器启动，为循环冷却油散热，同时举升电机以2000r/min的高转速驱动举升泵运转，举升泵为湿盘制动器提供大流量冷却油，以便单位时间内带走更多的热量，加大冷却功率。当油温小于等于60℃时，车载计算机发出指令，风冷却器停止散热，同时举升电机以750r/min的低转速驱动举升泵运转，举升泵只为湿盘制动器提供小流量冷却油，并维持湿盘制动器的润滑作用，降低了冷却功率，由于冷却油流量的减小，相应冷却油管路的压力损失也减小了，从而进一步降低了举升电机的驱动功率，减小能耗。

如图8所示，空调供暖及液压油热管理***包括安装在驾驶室3的室内机17、水加热器16、散热器总成14、液压***13和油水换热器15。所述水加热器16、散热器总成14和油水换热器15均安装在自卸车上，所述室内机17的换热媒介是水，所述水加热器16包含膨胀水箱和水泵，通过水泵实现介质水的循环输送，所述油水换热器15包括第一换热管和第二换热管，第一换热管能与第二换热管进行换热，所述散热器总成14包括弯管和散热风扇。所述液压***13与散热器总成14组成第一循环管路，所述油水换热器15与液压***13组成第二循环管路，所述油水换热器15、水加热器16和室内机17组成第三循环管路，第一循环管路中的液压油通过散热器总成14散热，所述第二循环管路中的液压油与第三循环管路中的水通过油水换热器15换热。液压***13的输出端通过第一三通阀分别于散热器总成14的输入端和油水换热器15的第一换热管的输入端连接；散热器总成14的输出端通过第二三通阀分别与液压***13的输入端和油水换热器15的第一换热管的输出端连接；油水换热器15的第二换热管的输出端与水加热器16的输入端连接，水加热器16的输出端与室内机17的输入端连接，室内机17的输出端与油水换热器15的第二换热管的输入端连接。所述水加热器16与室内机17之间的管路上设有电控水阀。控制策略：当环境温度≥20℃时，空调不制热，散热器总成14工作对液压油进行冷却；当环境温度＜20℃，液压油温T＞90℃时，空调制热与散热器总成14同时工作；当环境温度＜20℃，液压油温T（60℃≤T≤90℃）时，空调制热，散热器总成14不工作；当环境温度＜20℃，液压油温T（T＜60℃）时，空调制热，空调制热效果不佳可开启水加热器16辅助加热，散热器总成14不工作；环境温度很低，水加热器16全功率运行，给液压油加热及空调制热。

如图9所示，纯电动矿用自卸车高电压平台驱动与充电一体式主电路包括车载牵引***电路和地面配电箱电路。

所述车载牵引***电路包括牵引电机M1、牵引电机M2、与牵引电机M1对应的逆变/整流模块G1、与牵引电机M2对应的逆变/整流模块G2、常闭型三相交流接触器KM1、常闭型三相交流接触器KM2、常开型三相交流接触器KM3、常开型三相交流接触器KM4、动力电池、控制连接器X1、控制连接器X3、用于给逆变/整流模块G1充电的高压三相交流充电连接器X2和用于给逆变/整流模块G2充电的高压三相交流充电连接器X4。所述逆变/整流模块G1与牵引电机M1之间设有第一三相供电线路，高压三相交流充电连接器X2与逆变/整流模块G1之间设有第一三相充电线路，所述逆变/整流模块G2与牵引电机M2之间设有第二三相供电线路，高压三相交流充电连接器X4与逆变/整流模块G2之间设有第二三相充电线路，所述逆变/整流模块G1与逆变/整流模块G2通过充放电线路与动力电池连接。所述第一三相供电线路上设有三相常闭触点KM1，所述第二三相供电线路上设有三相常闭触点KM2，所述第一三相充电线路上设有三相常开触点KM3，所述第二三相充电线路上设有三相常开触点KM4。所述控制连接器X1的2号连接点与3号连接点之间的连线设有三相常开触点KM1和三相交流接触器KM3线圈，所述控制连接器X1的4号连接点与5号连接点之间的连线设有三相交流接触器KM1线圈，所述控制连接器X3的2号连接点与3号连接点之间的连线设有三相常开触点KM2和三相交流接触器KM4线圈，所述控制连接器X3的4号连接点与5号连接点之间的连线设有三相交流接触器KM2线圈。所述充放电线路与动力电池正极端连接相互并联的开关K1和K2；所述充放电线路与动力电池负极端连接开关K3。所述牵引电机M1的L1相连接交流电流传感器P1，所述牵引电机M1的L3相连接交流电流传感器P5，所述第一三相供电线路的L1相与L2相之间连接交流电压传感器P3；所述牵引电机M2的L1相连接交流电流传感器P2，所述牵引电机M2的L3相连接交流电流传感器P6，所述第二三相供电线路的L1相与L2相之间连接交流电压传感器P4。

所述地面配电箱电路包括单相交流变压器T1、单相交流变压器T2、单相交流变压器T3、单相交流变压器T4、三相交流变压器R2、三相交流变压器R3和控制器。动力电池充电时：单相交流变压器T1通过常开触点KA1与控制连接器X1的2号连接点接通，控制连接器X1的3号连接点接地，单相交流变压器T2通过常开触点KA2与控制连接器X1的4号连接点接通，控制连接器X1的5号连接点接地；单相交流变压器T3通过常开触点KB1与控制连接器X3的2号连接点接通，控制连接器X3的3号连接点接地，单相交流变压器T4通过常开触点KB2与控制连接器X3的4号连接点接通，控制连接器X3的5号连接点接地；控制连接器X1的1号点和控制连接器X3的1号点同时向控制器发送确认信号，控制器控制常开触点KA2、KB2对应的接触器线圈得电，常开触点KA2、KB2闭合后，常开触点KA1、KB1对应的接触器线圈得电。

主电路控制逻辑：

车辆运行状态时，三相交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4不动作，此时牵引电机M1、M2正常工作，可做牵引电机4或发电机使用。

车辆处于充电状态时，三相交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4得电，此时电机端处于断开状态，地面充电箱将变压器降压后的1140V～1375V三相交流电输送到车辆交流母线上，经变流器整流成1550V～1800V直流电给动力电池***充电，详细工作逻辑如下：

1）将控制连接器X1、X2、X3、X4连接器插头与车载插座对接，然后按下充电按钮；

2）车载牵引***中变流器以及动力电池***自检无误后通过控制连接器X1、X3的1号连接点位发送充电确认信号，地面配电箱接收充电确认信号后，控制器控制常开触点KA2、KB2对应的接触器线圈得电，常开触点KA2、KB2闭合后，常开触点KA1、KB1对应的接触器线圈得电，三相交流接触器KM1、KM2线圈得电，三相交流接触器KM1、KM2三相常闭触点断开切断牵引电机4输入，同时辅助常开触点闭合， 三相交流接触器KM3、KM4线圈得电，三相交流接触器KM1、KM2三相常开触点闭合，这样地面充电箱将变压器降压后的1140V～1375V三相交流电输送到车辆交流母线上经变流器整流成1550V～1800V直流电给动力电池***充电。

为防止交流充电过程中，交流电施加到牵引电机4绕组端，导致牵引电机4运转从而导致车辆失控，此电路中的具备逻辑保护：

1）常开触点KA1和KA2对应的接触器之间， 常开触点KB1和KB2对应的接触器之间有电气联锁保护；

2）三相交流接触器KM1和KM3之间，三相交流接触器KM2和KM4之间有电气联锁保护；

3）变流器通过安装于牵引电机4端的电流传感器检测实际电流值，如果充电过程中存在电流将立刻停止充电，断开三相交流接触器KM2和KM4的三相交流触点。

主电路优点如下：

1、通过改变主电路结构形式首次将1800V高电压平台在纯电动矿用自卸车上实现，相对于现有800V电压平台能够有效降低电气损耗（降低50%以上），提高充电效率（充电时间缩短42%），动力电缆材料下降50%，功率模块价格降低不小于20%；

2、有效利用车载变流器双向工作特性，减少地面充电设备部件投入，极大提高产品性价比；

3、首次在纯电动矿用自卸车产品上使用大功率高压交流充电，从而可以将动力电源***高压盒集成到车载变流器中，提高产品集成度，有效减少动力线缆长度。

Claims (4)

1.一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，包括车架、走台、设在走台上的驾驶室、动力***和冷却***；其特征在于：

所述动力***包括动力电池组、变流器柜、牵引电机、转向电机、转向泵、举升电机和举升泵，所述动力电经高压箱和变流器柜分别供电给牵引电机、转向电机和举升电机，所述牵引电机通过传动轴和驱动桥驱动后轮，所述转向电机驱动转向泵，所述举升电机驱动举升泵；

所述动力电池组包括第一电池箱组和第二电池箱组，所述第一电池箱组通过机械支架安装在车架中间且于龙门的前方；所述第二电池箱组安装在车架中部的外侧位置；所述驾驶室设在走台的左侧，所述变流器柜设在走台的右侧，所述走台的左右两侧分别设有爬梯；所述牵引电机安装在车架中间且于龙门的后方，所述转向电机、转向泵、举升电机和举升泵安装在龙门内侧；

所述冷却***包括电池水冷***、电机风冷***、制动冷却***和空调供暖及液压油热管理***；所述电池水冷***包括若干水冷机组，所述水冷机组通过循环水管路给电池箱冷却；所述风冷***包括设在牵引电机上方的冷却风机，所述冷却风机通过分别风管与牵引电机的散热风道连接和与变流器柜连接；所述制动冷却***包括举升电机、举升泵、举升油箱、分冷却器、分配阀组、车载计算机和温度传感器，在车辆不举升工作时，车辆车载计算机发出指令给举升电机，举升电机驱动举升泵运转，举升泵从举升油箱吸油，并泵送至分配阀组，进入风冷却器散热冷却，冷却后的冷却油分别进入左、右后桥湿盘制动器，将湿盘制动器的热量带走到举升油箱，然后又进入下一轮冷却循环；所述空调供暖及液压油热管理***包括安装在驾驶室的室内机、水加热器、散热器总成、液压***和油水换热器，所述液压***与散热器总成组成第一循环管路，所述油水换热器与液压***组成第二循环管路，所述油水换热器、水加热器和室内机组成第三循环管路，第一循环管路中的液压油通过散热器总成散热，所述第二循环管路中的液压油与第三循环管路中的水通过油水换热器换热；

液压***的输出端通过第一三通阀分别于散热器总成的输入端和油水换热器的第一换热管的输入端连接；散热器总成的输出端通过第二三通阀分别与液压***的输入端和油水换热器的第一换热管的输出端连接；油水换热器的第二换热管的输出端与水加热器的输入端连接，水加热器的输出端与室内机的输入端连接，室内机的输出端与油水换热器的第二换热管的输入端连接；所述水加热器与室内机之间的管路上设有电控水阀。

2.根据权利要求1所述的一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，其特征在于：所述变流器柜为集成主变流器和辅助变流器的一体式变流器柜；所述走台上于变流器柜位置设有镂空孔，变流器柜通过所述镂空孔引出线缆。

3.根据权利要求2所述的一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，其特征在于：所述变流器柜中，动力电池作为变流器柜的电源输入，通过内部的预充回路，对主逆变器单元和降压模块供电；主逆变器将直流电变换为VVVF的交流电后驱动牵引电机；降压模块将输入的500～1000VDC电压降压到500～700VDC后分三路输出，一路输出给辅助逆变器，经逆变后的三相交流电为转向电机和举升电机供电；一路直接给高压直流负载供电；一路经DC/DC变换成24VDC给蓄电池和低压负载供电。

4.根据权利要求1所述的一种100吨级纯电驱动矿用自卸车，其特征在于：所述第一电池箱组包括第一电池柜体和第二电池柜体，第一电池柜体与第二电池柜体采用刚性连接，组成一个整体后通过减震器与车架连接；所述第二电池箱组包括第三电池柜体，第三电池柜体与车架之间采用挂式连接。