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0 引 言

矿用柴油机防爆车辆的推广使用解决了制约我国煤炭产业发展的辅助运输瓶颈，在减人增效、提高安全等方面，取得了良好的经济效益和社会效益[1]。但由于井下巷道狭窄、通风条件差，随着柴油机防爆车辆使用数量的急剧增加，其强噪声、大排放、高油耗等问题日益凸显，严重危害了煤矿工人的身心健康。消除防爆车辆井下污染，改善矿井作业环境是当前煤矿辅助运输行业亟待解决的重大技术难题[2]。纯电动防爆车辆的推广是解决上述问题的有效途径，然而续驶里程的不足严重制约了其实际应用。如何解决其续驶里程不足的问题具有重大现实意义[3-5]。随着纯电动防爆车辆市场的发展，各煤机公司对其技术研发投入日益增多，但针对其续航里程提升技术的研究主要集中在结构件减重及增加电池数量等角度，且效果并不理想。笔者从车辆的部件减重、能耗降低及效率提升等方面综合考虑，以实现提升纯电动防爆车辆续航里程的目的。

1 纯电动防爆车辆的系统构型

近年来在全国范围内整个煤机市场上2种防爆车辆的销售情况比较如图1所示，结合技术进化相关理论分析可得，柴油机防爆车辆经过爆发式增长后，因其高能耗及环境不友好性，已经进入产品生命周期的退出期，而纯电动防爆车辆因其低噪声、零排放的特点，开始受到用户青睐，即将迎来快速成长期。

图1 矿用防爆车辆近年来的销售情况分析
Fig.1 Analysis of sales of mine flame-proof vehicles in recent years

矿用纯电动防爆车辆主要由能源子系统、电驱动子系统、传动子系统和辅助子系统构成。能源子系统主要为车辆提供电能，同时对电池本身进行电压、电量以及温度等安全性能进行管理监控；电驱动子系统主要通过变换器、电动机控制器实现电能向机械能的转变；传动子系统主要由减速器、驱动桥、制动器及轮胎等组成，实现车辆的行走驱动；辅助子系统包含前照明(远/近光)、后照明(倒车/尾灯)、信号灯(转向/制动)、喇叭、电动雨刮、循环水泵电动机、通风机电动机、转向电动机、油泵电动机、行车记录系统和车辆智能数字仪表等，主要负责完成各种辅助功能[6-9]。纯电动防爆车辆的系统构型如图2所示。

图2 纯电动防爆车辆的系统构型
Fig.2 System configuration of flame-proof battery electric vehicles

2 续驶里程影响因子分析

如何实现车辆在有限能源下续驶里程的最大化是本论文的研究问题。影响纯电动防爆车辆续驶里程的因素众多，总体可分为外部因素和内部因素2大类。结合纯电动防爆车辆续驶里程影响因子鱼骨图分析如图3所示，可以分析得出其续驶里程的主要影响因子。

图3 续驶里程影响因子鱼骨图分析
Fig.3 Fishbone diagram analysis for driving range impact factors

从图3可以看出，在不考虑外部因素的情况下，影响车辆续驶里程的主要内部因素可分为整备质量、系统效率和部件能耗3个方面。因此，整车轻量化设计及提高系统效率是矿用纯电动防爆车辆提升续驶里程的关键技术。整车质量和效率损失分布如图4所示。

图4 整车质量和效率损失分布
Fig.4 Distribution of vehicle quality and efficiency loss

由图4可知：在整备质量方面，电池质量和车架及悬架质量比例最大；在效率损失和部件能耗方面，车辆的传动系统和制动系统所占比例最大。据此可以得出，整车轻量化设计的关键在于电池减重和悬架减重，而提高系统效率的关键在于提高传动系统效率和降低制动系统能耗[10-12]。

3 整车轻量化技术

车辆的整备质量即车辆的自重，是影响车辆能耗高低的重要指标。尤其对于煤矿井下用纯电动防爆车辆，因为煤矿特殊的防爆要求，车辆的控制系统、电池组、电池管理系统、驱动电动机、辅助电气系统等都需要进行防爆设计，部分电气设备需要加装厚重的隔爆箱，造成车辆自重远大于同等配置的地面纯电动车辆[13-14]。因此，矿用纯电动车辆的整车轻量化设计显得尤为重要。

3.1 防爆圆筒薄壁蓄电池箱技术

根据煤矿防爆要求，矿用纯电动防爆车辆使用的电池组需要加装隔爆箱外壳。从图4a可以看出，电池质量占整车质量的41%，其中采用常规设计而使用的隔爆型电源箱就占电池总质量的1/2左右[15]。防爆圆筒薄壁蓄电池箱采用新型设计，将常规的长方形电源箱改为圆形薄壁电源箱，如图5所示。在能够满足隔爆腔体承受1.5 MPa以上静压试验的防爆要求前提下，实现减重312 kg，见表1，使得电池单位质量可提供的能量，即比能量，提高了35%[16]。

图5 防爆圆筒薄壁蓄电池箱外形
Fig.5 Flame-proof thin wall cylinder enclosure of battery

3.2 空气弹簧悬架技术

车辆的悬架系统在整车质量中也占有较大比例。矿用防爆车辆的悬架系统通常采用弹性钢板或弹簧等机械结构，其结构笨重，质量较大，容易磨损，故障率高。空气弹簧悬架技术是利用充满空气的橡胶弹簧来代替传统的机械弹簧装置，其在矿用纯电动防爆车辆上使用，可在确保承载质量的同时，使悬架质量降低62 kg，见表1，同时提升了乘坐舒适性[17]。

表1 续航里程提升技术实施前后效果对比
Table 1 Implementation effect comparison before and after driving range extension technologies

项目质量/kg效率/%能耗/(kW·h-1)成本/万元普通隔爆蓄电池圆筒薄壁蓄电池940628——0.120.0812.58.7钢板弹簧悬架空气弹簧悬架10442——0.060.040.50.6传统传动系统多功能驱动桥53036086940.250.139.36.2普通制动系统节能液压制动1126284952.30.73.21.3

4 系统效率提升技术

矿用纯电动防爆车辆由多个子系统组成，是机、电、液技术的综合体，如何提升各子系统工作效率，降低主要部件能耗是提高其续驶里程的关键。其中，传动系统的能耗约占全部损失的70%，制动系统能耗约占13%，均为系统耗能大户。提高传动系统效率，降低制动系统能耗可有效增加车辆续驶里程。

4.1 新型多功能驱动桥技术

传统的防爆车辆传动系统由变速箱、离合器、传动轴、驱动桥、差速器和换挡装置等部分组成，其环节较多，在动力传递过程中效率低，能耗大[18]。在纯电动防爆车辆中使用新型多功能驱动桥技术，即安装矿用驱动力自适应多档自动变速双电动机驱动桥，其基本结构如图6所示，可有效缩短传动链，简化传动系统组成，有效降低整车质量。该车桥具有驱动、自动变速、主动安全、行车制动和驻车制动功能，省略了传动系统中的机械式换挡机构、离合器、传动轴和变速器等环节，使传动系统效率提高近10%，同时实现传动系统减重170 kg，见表1。

图6 矿用自适应多档自动变速双电动机驱动桥结构
Fig.6 Drive axle structure of mine adaptive multi speed automatic transmission dual motor

4.2 节能液压制动技术

液压制动系统是保证纯电动防爆车辆安全运行的重要子系统。根据煤矿特殊的安全要求，防爆车辆必须采用湿式安全型制动系统。在传统的设计中，其通常由液压泵、充液阀、溢流阀、蓄能器、脚踏阀及数量众多的胶管接头等组成，结构复杂、环节较多、能耗较大[19]。

新型节能液压制动技术采用压力传感器实时监控系统制动压力，直接控制电动机的启动与停止，可在系统需要时才启动电动机进行充液，实现电动机的间歇式运行，节能效果明显。纯电动防爆车辆节能液压系统的结构框图如图7所示，通过去除传统液压系统中的溢流阀、充液阀等环节，减少了胶管接头的用量，实现制动系统节约能耗1.6 kW/h，效率提高11%，同时使系统减重50 kg，见表1。

图7 纯电动防爆车辆节能液压制动系统
Fig.7 Block diagram of energy conservation hydraulic brake system for flame-proof battery electric vehicle

5 结 论

通过分析纯电动防爆车辆的系统构型，确定限制其续驶里程的主要影响因子，从整车减重和提升效率2个方面，提出了4种可提升其续驶里程的关键技术。上述4种新型技术均在山西天地煤机装备有限公司生产的纯电动防爆无轨胶轮车上进行了实际应用，使其整备质量降低20%以上，传动效率提高10%以上，续驶里程平均提升15%，同时成本降低约9万元，有效促进了纯电动防爆车辆在煤矿生产中的推广应用，适应了当前“智慧矿山、绿色开采”的发展潮流。

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