纯电动防爆车辆续驶里程影响因素研究

摘要：针对续驶里程严重制约纯电动防爆车辆推广应用的现状，研究了整车参数、防爆动力电池、防爆驱动电动机控制系统以及传动型式等因素对续驶里程的影响，提出能够使纯电动防爆车辆在当前防爆动力电池比能量较低的情况下，最大限度地提升续驶里程的措施和方法。基于VehSpy3平台搭建了纯电动防爆车辆续驶里程测试系统，按照等速行驶工况和王家岭辅助运输大巷工况，完成了某型号纯电动防爆车辆优化前后各影响因素及续驶里程的测试分析。研究结果表明：优化后的各影响因素均得到不同程度的改善，等速行驶工况增加约10 km，矿井多工况续驶里程增加7.1 km。通过采取以上措施，可有效提升纯电动防爆车辆续驶里程，为纯电动防爆车辆的开发研制和普及推广提供了理论基础。

Research on influence factors affecting driving range of flame-proof battery electric vehicles

(Taiyuan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Taiyuan 030006,China)

Abstract:According to the status that popularization and application of flame-proof battery electric vehicle was severely restricted by the driving range, the driving range influence factors of vehicle parameters, flame-proof battery,flame-proof drive motor control system and drive mode were studied. The method which can maximize improvement of the flame-proof battery electric vehicle driving range on the condition of lower energy density of battery was presented. Based on the VehSpy3 platform, the driving range test system of electric flame-proof vehicles was built. And according to the working conditions of constant speed and Wangjialing auxilary transport port, the influence factors and test analysis on the driving range for a certain type of flame-proof battery electric vehicle of before and after optimization were finished.The results show that all optimized influence factors are improved to varying degrees, the driving range of constant speed working conditions increases about 10 km, the driving range of mine multiple continuous increases 7.1 km. The method can effective promote the driving range of flame-proof battery electric vehicle and provide the theoretical basis for the development and popularization of flame-proof battery electric vehicle.

Key words:flame-proof battery electric vehicle; driving range; energy consumption; mine auxiliary transportation

任志勇.纯电动防爆车辆续驶里程影响因素研究[J].煤炭科学技术,2019,47(2)：150-155.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.025

REN Zhiyong.Research on influence factors affecting driving range of flame-proof battery electric vehicles[J].Coal Science and Technology，2019，47(2)：150-155.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.025

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA06A409)；煤炭科学研究总院重点资助项目(2016ZXZD001)

作者简介：任志勇(1983—),男,山西浑源人,副研究员,硕士。E-mail：tymkyrzy@163.com

0 引言

近年来，随着锂离子电池安全性能的提高，以锂离子电池组为动力源的纯电动防爆车辆因其纯电动、零排放、噪声低等特点，有效地解决了当前柴油机防爆车辆推广应用中出现的噪声大、尾气污染、油耗高、运行成本高和工人劳动强大等一系列问题，越来越受到煤矿用户的青睐和重视，但是续驶里程不足严重制约了其进一步推广应用，研究影响纯电动防爆车辆续驶里程的因素，提升续驶里程显得极其重要。文献[1-2]对纯电动防爆车辆在防爆电池技术、轻量化技术、节能技术等方面的发展方向进行了展望。文献[3]针对等速行驶续驶里程和多工况行驶续驶里程，介绍了传统地面电动汽车续驶里程的影响因素。文献[4]基于电池组输出能量与电动汽车消耗能量相等的原则，分析了地面电动公交车电池使用性能以及影响电动汽车续驶里程的因素。总的来说，现在研究续驶里程多停留在地面纯电动车辆，未兼顾煤矿相关标准及实际工况。提升纯电动防爆车辆续驶里程相关理论的研究才刚起步，解决实际问题还需要进行大量的工作。因此，对于提升纯电动防爆车辆续驶里程影响因素还需要开展深入的研究工作。基于此，笔者着重研究了整车参数、防爆动力电池、防爆电动机驱动控制系统以及传动型式等因素对纯电动防爆车辆续驶里程的影响，同时基于VehSpy3平台搭建了纯电动防爆车辆续驶里程测试系统，按照等速行驶工况和王家岭辅助运输大巷工况测试，分析了优化前后各影响因素对续驶里程的影响，提出能够使纯电动防爆车辆在当前防爆动力电池比能量较低的情况下，最大限度地提升续驶里程的措施和方法。

1 续驶里程的计算

续驶里程是指车辆额定载荷下按照指定工况，将自身携带全部电能消耗掉后所行驶的里程。纯电动防爆车辆续驶里程一直以来都没有一个准确的标准，等速续驶里程是常用测量方法之一。

1)车速以等速ua行驶在坡度为α的路面上，防爆驱动电动机的输出转矩M和功率P分别为

(1)

(2)

式中：rt为轮胎滚动半径；m为车辆的总质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为迎风阻力系数；A为迎风面积。α车辆运行的坡度；ig为传动系速比；ηt为传动系效率。

2)根据防爆驱动电动机的类型(如交流和直流电动机)和控制方式(如晶闸管调速和PWM方式等)的不同，可以确定电动机的输出转矩M和电池放电电流I的关系，即I=I(M)；也可以确定电动机的输出功率P与电动机效率η的关系，即η=η(P)。

3)防爆动力电池携带的额定总能量为

W0=QmUe=meq

(3)

式中：Qm为额定容量；Ue为端电压；me为矿用纯电动防爆车辆携带的动力电池总量，me=nmbat+mP+mother；mbat为防爆单体电池的质量；mP防爆动力电池隔爆箱体的质量；mother为电池管理系统、线束、开关等附件的质量；q为电池比能量。

4)车辆以速度ua匀速行驶，一次充电续驶里程为s=W0ua/(Pηe)。式中，ηe为机械系统和电气系统的总效率。

2 影响续驶里程的因素分析

2.1 整车参数的影响

考虑纯电动防爆车辆主要运行于通风量较大、多粉尘煤泥的煤矿巷道，且运行车速较低(运人车小于25 km/h，运料车小于40 km/h)，笔者着重研究整备质量、滚动阻力系数和迎风面积对续驶里程S的影响，不同数值的影响曲线如图1、图2和图3所示。由图可知对于携带电池能量极为有限的纯电动防爆车辆，降低滚动阻力系数、迎风阻力系数和整车质量显得极为迫切。

图1 滚动阻力系数f对续驶里程S的影响
Fig.1 Rolling resistant f influence on the driving range S

图2 迎风阻力系数CD对续驶里程S的影响
Fig.2 Aero-dynamic drag coefficient CD influence on the driving range S

图3 整车总质量m对续驶里程S的影响
Fig.3 Overall weight m influence on the driving rang S

2.2 防爆动力电池参数的影响

防爆动力电池作为纯电动防爆车辆的动力源，其性能直接影响着车辆的续驶里程。当车辆携带的防爆动力电池总量一定时，电池比能量q对续驶里程影响最大，其关系曲线如图4 所示(图中qe为电池的额定比能量)。

图4 电池比能量q对续驶里程S的影响
Fig.4 Specific energy of battery q influence on the driving range S

1)放电电流对电池容量的影响。从CA100型号防爆锂离子蓄电池放电过程中电池电压的变化曲线(图5)，可以看出当电池的放电深度 DOD 达到一定值后电池的端电压会急剧变化可输出的能量已经很少因此放电深度一般不要超过90%，在75%～80%以内电池性能比较稳定。

图5 CA100型号防爆锂离子蓄电池常温放电曲线
Fig.5 Discharge curves of CA100 type flame-proof lithium-ion battery at room temperature

2)环境温度对电池容量的影响。纯电动防爆车辆续驶里程与其工作的环境密切相关。防爆动力电池充电温度0～45 ℃，放电温度-20～55 ℃，不同温度的放电曲线如图6所示。

图6 CA100型号防爆锂离子蓄电池不同温度放电曲线
Fig.6 Discharge curves of CA100 type flame-proof lithium-ionbattery at different temperatures

3)单体电压对电池容量的影响。用测试仪监控的10块单体电池在车辆运行时放电电压变化曲线如图7所示。由图7可知，车辆运行初始阶段，电池电压下降比较平缓，各单体电池电压差较小，随着车辆运行和放电时间的延长，2个电池电压逐步出现电压差，尤其在放电后期电池电压差非常明显。

图7 运行时单体电池放电电压变化曲线
Fig.7 Discharge voltage change curves of battery cell in the operational process

4)BMS对电池容量的影响。目前，为减小不均衡对锂离子电池组的影响，在电池成组中都会设计BMS对单体电池状态进行监测和管理，实现总压采集、单体电压采集，温度采集，电流采集，绝缘监测、风扇控制、加热控制、能量均衡、远程监控、容量管理、充电管理，配电管理等功能。在电池组的充放电过程目前，锂离子电池组均衡控制的方法，当前能量均衡主要分为主动均衡与被动均衡，主动均衡成为当前主流技术。采用主动均衡技术的电池管理系统，提高约25%的动力电池组寿命，延长20%左右的续航里程，如图8所示。

2.3 防爆驱动电动机控制系统参数的影响

防爆驱动电动机参数中效率ηm对续驶里程的影响最大。由纯电动防爆车辆整个运行工况可知，防爆驱动电动机不仅是工作在某一额定点，而是一个工作区域。因此，要求防爆驱动电动机不仅具有较高的额定效率，而且要求具有较宽的高效率区域，这样才能满足各种行驶工况下充分利用有限的能量。

图8 主动均衡与被动均衡对比
Fig.8 Comparison of active equalization and passive equalization

鉴于防爆电动机控制器与防爆驱动电动机二者共同使用，单独考核防爆驱动电动机效率对整个动力系统意义不大，因此通常关注防爆驱动电动机控制系统效率，即

ηms=ηmηcon

(9)

式中：ηm为防爆驱动电动机在某一点的效率；ηcon为防爆驱动电动机控制器在某一点的效率。

通常将系统效率在85%以上的工作点定义为高效工作点。高效区工作范围通常基于试验数据，采用曲线拟合、面积积分计算其占整个工作区域的百分比来评价，当前行业通常要求效率大于85%的高效区占整个工作区域的百分比大于85%，即“双85%评价体系”。

2.4 传动方式的影响

传动系统为整车的耗能主体，传动系统将防爆驱动电动机的转矩转化至驱动轮上，传动型式的不同，就会导致传动链的不同，传动链的长短直接影响整车运行效率，复杂的传动系统严重制约了车辆续航里程的增加，常用传动方式及其效率见表1。通常设计时为了最大限度地降低传动系质量，提高传动效率，将根据防爆驱动电动机的效率MAP图以及车辆实际运行工况，合理匹配传动系参数，保证其他提高续驶里程措施的有效性。

表1 不同传动方式对比
Table 1 Comparison of different transmission model

同时，由于车辆行驶状态的不同，不同的路况所需要的驱动力也不相同，因而防爆电动机的工作状态也必然随之变化，单纯靠防爆电动机的固有特性不可能完全满足需要，就必需加装变速箱。这样由于传动比的不同，造成防爆驱动电动机的工作效率区间也不同，进而导致了能耗的变化，最终影响了车辆的续驶里程。

3 优化设计及试验验证

基于以上分析，对山西天地煤机装备有限公司生产的第一代纯电动防爆车辆整车参数、防爆动力电池、防爆驱动系统以及传动型式进行了优化设计，见表2。

基于VehSpy3平台搭建了纯电动防爆车辆续驶里程测试系统，测试数据由接入整车CAN网的上位机节点进行获取，利用VehSpy3集成的Graphical Panel工具箱配置测试界面，把总线信号与显示元素一一对应，将总线信号全部显示在测试界面上。该界面对母线电压、母线电流、车速、电动机转速及电池SOC进行监控，同时对实时功率、电动机转矩等间接参数进行估计。按照不同工况，在中国煤炭科工集团太原研究院有限公司防爆胶轮车性能检测试验台及坡度试验场进行模拟试验，试验照片如图9和图10所示。

表2 纯电动防爆车辆优化对比
Table 2 Optimization comparison of flame proof battery electric vehicles

图9 试验台测试
Fig.9 Test of bench test

图10 爬坡度及坡起能力测试
Fig.10 Test of gradient and ramp star capacity

按照不同车速等速行驶以及特定坡道等速行驶，对优化前后的样机续驶里程进行测试，见表3。

表3 优化前后等速行驶工况续驶里程
Table 3 Range of constant speed driving before and after optimization

由表2可知，按照笔者提出的措施优化后，车辆在不同车速以及特定坡度等速行驶工况，车辆续驶里程均基本增加近10 km。

纯电动防爆车辆在煤矿巷道都是在等速、加速、减速、上坡、下坡和近水平路面等多种复杂工况下行驶，因此在等速行驶续驶里程分析的基础上，需要分析矿井多工况行驶续驶里程的影响因素。笔者基于辅助运输大巷工况进行分析，计算出一个循环的耗电率即完全反映了续驶里程的大小。在一个循环中消耗的电能与行驶里程的比值定义为耗电率。在不考虑再生制动时，耗电率愈小则续驶里程愈长，经济性愈好。

王家岭辅助运输大巷工况为：单程18 km，2.3°连续上坡3 000 m→0.3%坡度9 500 m →5.5°连续上坡271 m→0.3%坡度230 m→5°连续下坡230 m→水平189 m→2.5°连续上坡241 m→1°连续上坡204.5 m→3°连续上坡94.5 m→2°连续下坡262 m→水平125 m→2°连续下坡87.5 m→2.5°连续下坡91 m→1.5°连续上坡120 m→2°连续上坡254 m→2°连续下坡296 m→0.5°连续上坡108 m→1.5°连续上坡160 m，路面条件为全部硬化，并伴有淋水和积水。王家岭辅助运输大巷工况如图11所示。

通过测试，优化前后王家岭煤矿辅助运输大巷路谱完成单个循环耗电曲线如图12所示，一个循环能耗由27.83 kW/h降低至21.93 kW/h，折算续航里程增加7.1 km。

图11 王家岭煤矿辅助运输大巷工况简图
Fig.11 Working conditions of auxilary transport Main roadway in Wangjialing Mine

图12 王家岭煤矿辅助运输大巷单个循环耗电曲线
Fig.12 Single cycle power consumption curves of auxilary transport main roadway in Wangjiailing Mine

按照当前多个工况条件，列出王家岭辅助运输大巷工况纯电动防爆车辆多工况行驶的耗电率，见表4。

表4 优化前后王家岭煤矿辅助运输大巷工况试验循环的计算结果
Table 4 Calculation result of subsidiary transport main roadway in Wangjailing Mine beffor and after of optimization

注：“-”号表示消耗电能，“+”号表示回收电能。

由表4可知，优化后该车辆消耗(或回收)的电能占车载电能总量的百分比均得到明显提升，单位里程耗电率降低了近20 W·h/km。

4 结论

基于本文2代纯电动防爆车辆，兼顾车辆应用工况，提出该类车辆续驶里程的综合等速行驶和多工况循环2种评价工况，同时提出了以下增加一次充电续驶里程的措施。

1)系统性地优化纯电动防爆车辆整车参数，尤其关注整备质量、迎风面积和滚动阻力系数，可选用低阻力轮胎，减少能量损失；降低迎风阻力系数，进行车身的流线型改进；降低车辆的整备质量，提高质量利用系数。

2)选用矿用高比能量电池，综合考虑隔爆后PAKE成组后电池组的比能量，并按照使用工况关注电池性能指标，改进充电均衡模块的工作特性，提高充放电效率。

3)合理匹配设计车辆传动系统，缩短传动链，提高传动效率，并对传动比进行优化匹配。

4)提高防爆驱动电动机控制系统效率，扩大高效区工作范围，使驱动电动机高效率工作；优化电动机控制策略，减小电池放电电流；提高再生制动效率。

5)减少辅助设备的能量消耗，如制动系统、转向系统等。

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