煤矿用纯电动铰接车辆驱动控制系统研究

杜佳霖，胡 勇

(1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

以神东集团为代表的大型煤炭集团引进使用了以铅酸电池为动力的铲车、支架搬运车、运煤车等煤矿用作业车辆，引进使用至今已接近20年[1]。我国的蓄电池特种车辆在引进吸收国外技术的同时也有了一定的发展，研制了CLX3胶轮铲车、WJX-10FB防爆铅酸蓄电池铲运机、WX45J蓄电池支架搬运车、WX100J蓄电池支架搬运车等多种车型，从之前的模仿到如今的自主创新取得了一定的成果。

目前煤矿所使用的矿用纯电动四驱铰接式防爆车辆主要以铅酸蓄电池为动力源，依靠电机作为驱动源为整车提供动力，实现车辆的“零排放”。采用纯电动车辆可有效改善煤矿井下工作环境，从长远看来纯电动车辆将成为未来煤矿井下无轨辅助运输技术与装备领域新的发展方向。

驱动系统是纯电动车辆的核心，如何合理布置和高效控制驱动系统是煤矿用纯电动车辆设计的重点和难点。国内外学者在电动车辆的驱动力分配、车辆经济性以及分布式驱动电动车辆的动力学控制方面做了不少研究，多集中在地面电动车辆，车辆电压等级以480V或640V居多。本文结合目前现有的煤矿用纯电动铰接车辆对几种典型的四轮驱动方式进行分析，为煤矿铰接纯电动车辆的设计提供参考。

1 单电机集中四轮驱动模式

单电机四轮驱动模式布置结构如图1所示，驱动系统由电机、分动箱、前后传动轴、前后车桥(主减速器、差速器、轮边减速器)，其前后轴间动力依靠分动箱分配，该结构形式与传统四驱燃油车基本相同，唯一区别在于使用电动机取代了发动机，由于电机的外特性曲线与车辆驱动系统的理想供应特性场比较接近，可以省去离合器，所以采用这种动力布置方式的电动汽车结构与传统四驱车相差不大。此种四驱布置方式在煤矿车辆应用比较普遍。比如进口488铲车、818运煤车，国产WJX-10FB防爆铅酸蓄电池铲运机车型均采用单电机集中四轮驱动方式。在控制方面集中式四轮驱动方式仅需利用单个变频器控制行走电机，轮间差速由车桥的差速器来实现，转向通过液压油缸转向[2]。

1—蓄电池；2—后驱动桥；3—防爆牵引电动机；4—油泵电机；5—减速器；6—传动轴；7—电控箱；8—前驱动桥图1 单电机四轮驱动模式布置结构

以WJX-10FB防爆铅酸蓄电池铲运机为例，单电机集中四轮驱动控制系统主要由大容量防爆铅酸蓄电池、一台防爆行走变频调速装置、一台油泵调速装置、一台防爆牵引交流变频电动机、一台油泵交流变频电动机、防爆低压控制系统及显示器等组成[2]。防爆特殊型铅酸蓄电池为整机提供动力输出，同时作为整车配重，电压一般采用128V或240V居多。其电控系统如图2所示。

图2 单电机集中驱动电控系统

2 双电机双桥驱动模式

由于单电机的功率逐渐不能满足使用的需求，井下纯电动车辆需要更大功率的电动机为整车提供动力，而整车的布置空间是非常有限的，由于大功率电机的体积和重量的原因，造成整机布置困难。因此就需要将整机功率进行分解，减小大功率电机的布置难度，优化整机的重量分配，采用两个电机分别驱动前后桥是比较理想的选择[3，4]。

双电机驱动模式布置结构如图3所示，前后桥分别由两个电机独立驱动，车辆的前后车桥的差速由前后桥自带的差速器完成。这种布置方式与单电机驱动模式相比，缩短了动力传动路线，提高传动效率，主要适用于中厚煤层铰接车辆的驱动布置。

1—蓄电池；2—后驱动桥；3—电控箱；4—后减速器；5—后电机；6—油泵电动机；7—前电机；8—前减速器；9—传动轴；10—前驱动桥图3 双电机双桥驱动模式布置结构

与地面电动车辆采用的双电机驱动模式不同，地面双电机之间布置有机械耦合器，铰接车辆双电机驱动由于受到铰接车辆形式的限制，采用两个独立的电机分别驱动前后桥，通过轴重传感器对车辆前后轮承载进行测量，然后进行动力耦合分配，保证车辆的最佳滑转率，保证整机具有的牵引性能[5，6]。

双桥双电机驱动控制系统与集中式驱动控制系统的主要区别在于采用两台防爆行走变频调速装置、两台防爆牵引交流变频电动机，前后两台牵引电动机分别由不同的行走变频器控制。防爆特殊型铅酸蓄电池电压一般也采用128V或240V居多。

此种控制方式采用两个变频器分别控制前后两个电机，存在的问题是前后桥载荷不同时如何合理分配两个电机的驱动力使能发挥最大的牵引力是考虑的关键。

以WX45J支架搬运车的驱动控制系统为例，其电气控制主要包括大容量防爆铅酸蓄电池、两台防爆行走变频调速装置、一台油泵调速装置、两台防爆牵引交流变频电动机、一台油泵交流变频电动机、防爆低压控制系统及显示器等组成[7]。各系统由PLC控制器进行统一管理协调，内部采用CAN总线通信，PLC作为整机的总控单元通过CAN总线对三台逆变器控制器进行调节控制，驱动控制系统如图4所示[8，9]。

图4 双电机双桥驱动电控系统图

3 分布式轮边四轮驱动模式

分布式四轮驱动模式布置结构如图5所示，是利用四个独立控制的防爆电动机分别通过减速器驱动井下作业车辆的四个车轮，四个车轮之间没有机械传动环节。牵引电机与轮毂可以是轴式连接，也可以将电机直接嵌入车轮做成电动轮。分布式驱动没有复杂的传动系统，而且动力直接由电动机经花键轴直接输出，结构简单；容易实现动力学控制，操作更简单；振动和噪声也大大减少；可以有效利用车辆的空间，降低整车布置难度，提高了车辆的整体性能[10]。所采用的防爆特殊型铅酸蓄电池电压一般采用240V或480V。其控制方式的关键在于电子差速控制、横摆力矩控制、车轮载荷控制等。

1—蓄电池；2—牵引防爆电动机；3—减速器；4—电控箱；5—油泵电机图5 四电机驱动模式布置结构

分布式轮边电控四驱系统技术需要根据各轮的转速等信息，保证各轮的最佳滑转率来控制并分配各轮的驱动力，使车辆具有防滑能力、良好的加速性能、爬坡性能和行驶稳定性[11，12]。

且转向过程中，铰接转向油缸可作为辅助电子转向实现车辆的转向，而桥驱电动铰接车辆需完全依靠转向油缸的动作来实现转向操作。因此在设计中，在电子差速转向可靠的前提下，可适当将转向油缸的设计裕量减小[13]。分布式轮边驱动电控系统结构，如图6所示。

图6 分布式轮边驱动电控系统结构图

以WX100J蓄电池支架搬运车为例，整车电控系统包含：大容量防爆铅酸蓄电池、四台防爆行走调速装置、一台油泵调速装置、四台防爆牵引开关磁阻电动机、一台油泵开关磁阻电动机、防爆低压控制系统及显示器等组成。PLC控制箱与调速装置通过CAN总线通信连接，实现油泵启停、车辆前进后退、灯光等操作[14-18]。

4 各类驱动系统的比较

1)单电机集中驱动结构简单，可以沿用柴油机车辆的部分传动装置，继承性好，便于处理电机冷却，隔振以及电磁干扰等问题，可以采用减速器来改变传动比，可以获得较理想的动力性能，同时降低对电机的性能要求，但是单电机集中驱动传动系统复杂，传动效率低，不能对前后驱动桥的驱动转矩进行单独控制，容易造成寄生功率的产生[19-22]。

2)双电机双桥驱动可解决单电机集中驱动由于电动机功率大导致的布置困难，使空载时整车布置更加协调，通过对前后电机的控制可实现电机转矩的独立的控制，但不能对左右两侧驱动轮的驱动转矩进行单独控制，使车辆的操纵稳定性受到了限制。

3)分布式四轮驱动相比前两种布置方式更加简化，简化了传动系统，减少单个电机的电流和额定功率，提高驱动系统的传动效率；四个轮边电机均可单独控制，容易实现车辆底盘的集成化、主动控制性能，极大地改善铰接车辆的驱动性能和转向性能。在制动能量回收方面，与前两种驱动系统相比，分布式四轮驱动可提高车辆能量回收利用效率，对于井下电动车辆提高续航里程有很重要的影响。

但是分布式四轮驱动系统存在着电机布置空间紧张、安装困难；电机的安装位置偏低，电机的旋转密封难度增加，使整车的涉水能力减弱；整车驱动系统控制复杂，不可靠环节增多的等缺点。

三种驱动系统的各自特点见表1。

表1 三种驱动系统特点对比

5 结 论

目前煤矿井下使用的纯电动车辆的设计中，采用单电机集中驱动或者双电机双桥驱动仍然是铰接式电动车辆驱动方式的首选。随着煤矿开采趋于向薄煤层开采，以上两种驱动方式逐渐难以满足车辆布置的要求，分布式四轮驱动凭借高效率、紧凑型、可控性强等优点将是未来煤矿井下纯电动铰接作业车辆驱动系统的发展方向。

分布式轮边驱动技术对于未来煤矿井下无人驾驶运输车辆的研究也有积极的促进作用，通过附加的转速传感器、车轮载荷传感器、陀螺仪、倾角传感器等仪器的反馈信息实时控制车辆的转向角度、动力输出具有重要的意义。

针对煤矿电动车辆目前分布式四轮驱动的现状需要提升以下几点：

1)研制调速范围宽，额定功率为50kW左右，开发出高效、高比功率/高比转矩且结构紧凑的井下作业车辆用防爆电机。

2)解决电动机和控制器的冷却，密封和抗振动技术。

3)提高铰接车辆的电子差速和防滑控制技术，尤其是应对车辆满载上坡的极限状况下的控制技术，改善车辆的整体性能。