CN212353955U - 一种矿用自卸车的混合驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用自卸车的混合驱动系统，包括：整车控制器与油门和坡度传感器电连接；动力电池通过电池控制器与整车控制器电连接；发动机通过发动机控制器与整车控制器电连接，发动机上设有与整车控制器相连的启动马达；AMT变速箱通过变速箱控制器与整车控制器电连接；在发动机的输出端设有自动离合器，自动离合器与整车控制器电连接；在发动机的输出端设有离合器，主驱电机设置在自动离合器和AMT变速箱的输入端之间，通过主驱电机控制器与整车控制器电连接，辅驱电机设置在AMT变速箱的输出端，通过辅驱电机控制器与整车控制器电连接；车轮驱动组件设置在辅驱电机的输出端。能根据路况调整发动机、主驱电机和辅驱电机的运行平稳行驶。

Description

一种矿用自卸车的混合驱动系统

技术领域

本实用新型属于矿用车辆技术领域，特别是涉及一种矿用自卸车的混合驱动系统。

背景技术

野外露天矿，路况复杂，道路条件差，坡度大。用于将物料从装料点运输至卸料点的短距离往返运输，运输线路固定。每个矿山的工况都不一样，有些是重载上坡空载下坡，有些是重载下坡空载上坡，坡度也不一样；各矿区海拔高度不一样。

随着矿山运输设备的大型化发展，且矿山运输道路坡度较大，对动力设备的功率要求较大，而国内、外大功率发动机的购置成本居高不下，造成整车的制造成本相比较高，导致终端客户的购置成本和运营成本较高。同时，由于矿山坡度较大，车辆运行过程中上坡需要较大功率，下坡时，为避免超速，需要使用制动器限制车速，不仅造成摩擦片的加速损耗，且使下坡时的功率白白损失掉。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的矿用自卸车的混合驱动系统。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供一种矿用自卸车的混合驱动系统，包括：

整车控制器，与油门和坡度传感器电连接；

动力电池，通过电池控制器与所述整车控制器电连接；

发动机，通过发动机控制器与所述整车控制器电连接，发动机上设有启动马达，所述启动马达与所述整车控制器相连；

AMT变速箱，通过变速箱控制器与所述整车控制器电连接；

在所述发动机的输出端设有自动离合器，所述自动离合器与所述整车控制器电连接；

主驱电机和辅驱电机，在所述发动机的输出端设有离合器，所述主驱电机设置在所述自动离合器和所述AMT变速箱的输入端之间，所述主驱电机通过主驱电机控制器与所述整车控制器电连接，辅驱电机设置在所述AMT变速箱的输出端，所述辅驱电机通过辅驱电机控制器与所述整车控制器电连接；

车轮驱动组件，设置在所述辅驱电机的输出端。

进一步地，所述车轮驱动组件包括：传动轴、驱动桥和两个驱动轮，所述传动轴与所述辅驱电机相连，两个驱动轮通过所述驱动桥与所述传动轴连接。

进一步地，所述车轮驱动组件还包括：湿式制动器，所述湿式制动器设置在至少一个所述驱动轮内侧，所述湿式制动器通过制动控制器与所述整车控制器电连接。

进一步地，还包括：在两个驱动轮上设有转速传感器，所述转速传感器与所述制动控制器电连接。

进一步地，还包括，负载传感器，所述负载传感器设置在矿用自卸车的车厢底部与所述整车控制器电连接。

进一步地，还包括，风速传感器，所述风速传感器设置在矿用自卸车的车头与所述整车控制器电连接。

进一步地，所述坡度传感器包括多个陀螺仪，所述多个陀螺仪设置在矿用自卸车的车厢上。

进一步地，还包括显示仪表，所述显示仪表与所述整车控制器电连接。

进一步地，在所述AMT变速箱上设有换挡电机，所述换挡电机与所述变速箱控制器电连接。

本实用新型实施例提供的矿用自卸车的混合驱动系统，具有如下有益效果：

通过本实用新型的技术方案，整车控制器能够控制矿用自卸车的各个电路元件的运行状况的同时，还能根据接收到的油门发来的油门信号、和/或坡度传感器发来的坡度信号、和/或变速箱控制器发来的档位信号来分析矿用自卸车当前所处的路况以及车辆运行情况，调整发动机、主驱电机和辅驱电机的运行状态，使得矿用自卸车能够适应各种路况进行行驶。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同描述一起用于解释本实用新型的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型，其中：

图1为本实用新型实施例的矿用自卸车的混合驱动系统的结构示意图。

附图标记说明：1整车控制器，11油门，12坡度传感器，13负载传感器，14显示仪表；

2动力电池，21电池控制器；

3发动机，31发动机控制器，32启动马达，33自动离合器；

4 AMT变速箱，41变速箱控制器，42换挡电机；

5主驱电机，51主驱电机控制器；

6辅驱电机，61辅驱电机控制器；

7车轮驱动组件，71传动轴，72驱动桥，73驱动轮，74湿式制动器，75制动控制器。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，一种矿用自卸车的混合驱动系统，包括：整车控制器1，与油门11和坡度传感器12电连接，接收油门11发来的油门11信号和/或接收坡度传感器12发来的坡度信号；动力电池2，通过电池控制器21与整车控制器1电连接，整车控制器1通过电池控制器21控制动力电池2的运行；发动机3，通过发动机控制器31与整车控制器1电连接，发动机3上设有启动马达32，启动马达32与整车控制器1相连，整车控制器1通过启动马达32控制发动机3的开关，以及通过发动机控制器31控制发动机3的运行转速；AMT变速箱4，通过变速箱控制器41与整车控制器1电连接，整车控制器1通过变速箱控制器41控制AMT变速箱4的运行；在发动机3的输出端设有自动离合器33，自动离合器33与整车控制器1电连接；主驱电机5和辅驱电机6，在发动机3的输出端设有离合器，主驱电机5设置在自动离合器33和AMT变速箱4的输入端之间，主驱电机5通过主驱电机控制器51与整车控制器1电连接，辅驱电机6设置在AMT变速箱4(Automated Manual Transmissions，手自一体变速箱)的输出端，辅驱电机6通过辅驱电机电机控制器61与整车控制器1电连接，整车控制器1根据接收到的油门11发来的油门11信号、和/或坡度传感器12发来的坡度信号、和/或变速箱控制器41发来的档位信号，调整主驱电机5和辅驱电机6的运行状态；车轮驱动组件7，设置在辅驱电机6的输出端。

在上述方案中，用户启动矿用自卸车后，就会脚踩油门11，油门11就会将油门11信号发送给整车控制器1，整车控制器1就会控制各个元件配合运行使得矿用自卸车能够平稳运行。例如，AMT变速箱采用8挡AMT变速箱。

其中，将电机安装于ATM变速箱输入端，在离合器之后(即，主驱电机)。属于P2方式的电机驱动形式，辅助驱动车辆，弥补发动机功率不足，还可实现纯电驱动。

电机安装于ATM变速箱输出端(即，辅驱电机)，属于P3方式的电机驱动形式，弥补换挡时候的动力中断，辅助驱动，提供制动力，回收能量。

通过P2和P3方式的配合，能够保证矿用自卸车在各种路况条件下能够平稳的行驶，具体如下：

第一种，整车控制器1控制发动机3怠速或熄火，控制自动离合器33分离，若此时AMT变速箱4处于在档状态，则控制电池系统对主驱电机5放电，使得主驱电机5驱动，辅驱电机6不工作，利用主驱电机5驱动车轮驱动组件7的行驶。这种状况适用于速度相对较慢，整车控制器1接收到的坡度信号比较平稳(变化幅度小，且车身坡度较小)的情况，只利用电力进行驱动行驶。

第二种，整车控制器1控制发送机怠速或熄火，控制自动离合器33分离，若此时AMT变速箱4处于在档状态，则控制电池系统对主驱电机5和辅驱电机6放电，使得主驱电机5和辅驱电机6驱动，利用主驱电机5和辅驱电机6驱动车轮驱动组件7的行驶。这种状况适用于速度相对较快，整车控制器1接收到的坡度信号比较平稳(变化幅度小，且车身坡度较小)的情况，只利用电力进行驱动行驶。

第三种，整车控制器1控制发送机怠速或熄火，控制自动离合器33分离，若此时AMT变速箱4处于换挡(即，在档或空挡)状态，则控制电池系统对辅驱电机6放电，主驱电机5不工作，使得辅驱电机6驱动，利用辅驱电机6驱动车轮驱动组件7的行驶。这种状况适用于用户进行换挡时，或者在进行爬坡换挡时，这样能够避免出现车速减速太快，或者溜车的情况。

第四种，整车控制器1控制P3驱动车轮驱动组件7进行行驶过程中，如果发现动力电池2的电量低于设定值(例如，50％)，则控制发动机3启动，自动离合器33结合，发动机3通过主驱电机5进行发电，并将电量传送给动力电池2，进行充电，直至动力电池2电量充满。

第五种，整车控制器1控制发动机3运行，自动离合器33结合。整车控制器1控制主驱电机5进行调速驱动，同时控制辅驱电机6对车轮驱动组件7进行扭矩补偿，此时动力电池2不进行工作。这种情况适用于，只利用发动机3进行驱动行驶时。

第六种，整车控制器1控制发动机3运行，自动离合器33结合，控制主驱电机5进行调速驱动，同时控制动力电池2对辅驱电机6进行电力输出，利用辅驱电机6对车轮驱动组件7进行驱动或者扭矩补偿。这种情况适用于路况比较恶劣，需要利用发动机3和辅驱电机6进行共同驱动行驶时。

其中，整车控制器1接收到的坡度传感器12发来的坡度信号(车体与水平面的角度)变化幅度较大，或者坡度信号中车辆处于爬坡状态并且坡度较陡(例如，坡度超过20％，其中，坡度＝(坡长/高度)*100％)，证明路况比较恶劣。

第七种，整车控制器1控制发动机3运行，自动离合器33结合，控制动力电池2对主驱电机5和辅驱电机6进行电力输出，控制主驱电机5进行驱动或调速驱动，利用辅驱电机6对车轮驱动组件7进行驱动或者扭矩补偿。这种情况适用于路况更加恶劣，需要利用发动机3、主驱电机5和辅驱电机6进行共同驱动行驶时。

第八种，整车控制器1控制发动机3运行，自动离合器33结合，控制动力电池2对辅驱电机6进行电力输出，控制主驱电机5进行调速驱动，利用辅驱电机6对车轮驱动组件7进行驱动或者扭矩补偿，发动机3通过主驱电机5进行发电，并将电量传送给动力电池2，进行充电，直至动力电池2电量充满。这种情况适用于利用发动机3和辅驱电机6进行共同驱动行驶，动力电池2电量不够需要进行充电时。

通过上述方案，整车控制器1能够控制矿用自卸车的各个电路元件的运行状况的同时，还能根据接收到的油门11发来的油门11信号、和/或坡度传感器12发来的坡度信号、和/或变速箱控制器41发来的档位信号来分析矿用自卸车当前所处的路况以及车辆运行情况，调整主驱电机5和辅驱电机6的运行状态，使得矿用自卸车能够适应各种路况进行行驶。

在具体实施例中，车轮驱动组件7包括：传动轴71、驱动桥72和两个驱动轮73，传动轴71与辅驱电机6相连，两个驱动轮73通过驱动桥72与传动轴71连接。

在上述方案中，利用辅驱电机6将电力转化成驱动力，通过传动轴71和驱动桥72传递至两个驱动轮73上，使得驱动轮73进行转动使得矿用自卸车进行行驶。

在具体实施例中，车轮驱动组件7还包括：湿式制动器74，湿式制动器74设置在至少一个驱动轮73内侧，湿式制动器74通过制动控制器75与整车控制器1电连接。

在上述方案中，制动控制器75包括：ASR控制器(Acceleration Slip Regulation，牵引力控制系统)和/或ABS控制器(Anti-locked Braking System，防抱死刹车系统)。

湿式制动器74通过制动控制器75与矿用自卸车的刹车相连，当用户踩下刹车进行制动时，为了不浪费能量，可以将制动能量进行回收，具体包括：

第九种，整车控制器1控制发动机3怠速或熄火，控制自动离合器33分离，控制主驱电机5进行调速状态，启动辅驱电机6的制动状态，利用辅驱电机6将制动能量进行回收，转化成电能传送给动力电池2进行充电。这种情况适用于用户踩刹车的力度较小(即刹车踏板被踩下的行程小于等于设定行程)时，只启动辅驱电机6进行制动，回收能量。

第十种，整车控制器1控制发动机3怠速或熄火，控制自动离合器33分离，控制主驱电机5和辅驱电机6均进行制动状态，利用主驱电机5和辅驱电机6将制动能量进行回收，转化成电能传送给动力电池2进行充电。这种情况适用于用户踩刹车的力度较小(即刹车踏板被踩下的距离行程小于等于设定行程)时，同时启动主驱电机5和辅驱电机6进行制动，回收能量。

在具体实施例中，在两个驱动轮73上设有转速传感器，所述转速传感器与所述制动控制器75电连接。

在上述方案中，转速传感器能够检测驱动轮的转动速度，并实时通过制动控制器75向整车控制器1发送该转动速度，若发现两个驱动轮的转速不一样时，证明车轮发生打滑的现象，则整车控制器1通过制动控制器75向湿式制动器74发送制动信号，利用湿式制动器74对两个驱动轮施加制动力，来防止驱动轮打滑的现象。即实现ASR控制器(制动控制器75)的功能。

在具体实施例中，还包括，负载传感器13，负载传感器13设置在矿用自卸车的车厢底部与整车控制器1电连接。

在上述方案中，负载传感器13能够检测矿用自卸车的载量信息(即，重量)，如果载量信息超过核载的预定比例(例如10％)，此时需要较大的动力进行驱动行驶，整车控制器1就会控制发动机3运行，同时控制动力电池2向主驱电机5和辅驱电机6进行电量输送，启动主驱电机5和辅驱电机6进行驱动，这样就可以使用发动机、主驱电机5和辅驱电机6三个动力引擎同时驱动车轮驱动组件7进行行驶。这样使得矿用自卸车能够在载装较多的物料的同时，保证矿用自卸车的正常稳定的行驶。

在具体实施例中，还包括，风速传感器，风速传感器设置在矿用自卸车的车头与整车控制器1电连接。

在上述方案中，风速传感器能够将检测的风速发送至整车控制器1，若风速与在矿用自卸车的行驶方向相反，逆行风速超过设定逆行风速值(例如，10m/s)时，需要较大的动力进行驱动行驶，整车控制器1就会控制发动机3运行，同时控制动力电池2向主驱电机5和辅驱电机6进行电量输送，启动主驱电机5和辅驱电机6进行驱动，这样就可以使用发动机、主驱电机5和辅驱电机6三个动力引擎同时驱动车轮驱动组件7进行行驶。这样使得矿用自卸车能够在逆行风速较大时，能够保证矿用自卸车的正常稳定的行驶。

另外，如果风速传感器检测的风速是与矿用自卸车的行驶方向相同，若顺行风速超过设定顺行风速值(例如，10m/s)时，此时若行驶的车速较快，需要整车控制器1控制发动机3停止运行，同时控制主驱电机5和/或辅驱电机6启动制动功能，对驱动车轮进行制动，并利用主驱电机5和辅驱电机6将制动能量进行回收，转化成电能传送给动力电池2进行充电。

在具体实施例中，坡度传感器12包括多个陀螺仪，多个陀螺仪设置在矿用自卸车的车厢上。为了保证检测效果，该多个陀螺仪需要设置在同一个水平面上，这样通过各个陀螺仪的连线角度就可以检测车辆是属于上坡状态还是下坡状态，进而使得整车控制器1能够根据不同的状态调整主驱电机5和辅驱电机6的运行状态，使得矿用自卸车能够平稳的行驶。

在具体实施例中，还包括显示仪表14，显示仪表14与整车控制器1电连接。控制器将控制各个元件的运行状态和结果均在显示仪表14上进行显示。

在具体实施例中，在AMT变速箱4上设有换挡电机42，换挡电机42与变速箱控制器41电连接。通过换挡电机42无需用户进行手动换挡即可实现自动换挡的功能，整车控制器1将档位信息传送给变速箱控制器41，变速箱控制器41通过换挡电机42调整AMT变速箱4的档位，来实现变档的过程。

依据本实用新型的另一个实施例的矿用自卸车的混合驱动系统，能够解决当前的下述问题：

1)，满足功率和扭矩要求的发动机购置成本非常高。

2)，能量不能回收，造成能源浪费。下坡时，摩擦片损耗过快。

3)，车速慢，运输效率低。

4)，当前矿用自卸车主要使用大功率柴油发动机为动力，燃油费用高，高排放污染环境。在高海拔地区，发动机功率会随着海拔的升高而降低，导致矿用自卸车动力不足。

5)，近年出现的以电池为动力的纯电动矿用自卸车需要电池容量大，导致成本高、重量和体积大，还需要修建专用充电设备进行停车充电，影响出勤时间。从经济性考虑，纯电驱动矿用自卸车只能适用于重载下坡或平路工况，不适用于重载爬坡工况(重载爬坡工况占矿山工况的70％以上)。

本实施例采用的方案是：

1)选择较小功率的发动机，以动力电池、主驱电机和辅驱电机进行补充，降低大功率发动机的采购成本。矿用自卸车下坡、制动和减速时的能量，储存在电池中，上坡时辅助发动机驱动，节约燃油费用。

2)根据矿山工况，选择适当的混合动力技术路线。采用主驱电机+辅驱电机的混联混动技术路线：主驱电机、辅驱电机辅助驱动，弥补发动机功率不足；同时，主驱电机具备调整发动机工作点作用，避免或者减少发动机工作在不利的运行模式，如怠速、低速爬行等，降低油耗；辅驱电机换挡时可弥补动力中断。双电机(即主驱电机和辅驱电机一起)提供制动力，回收能量。双电机还可实现纯电驱动，利用电机转速高的特点，提高了整车的最高车速。电机峰值扭矩的助力作用提高了矿用自卸车加速性能。

3)发动机、主驱电机、辅驱电机三擎智能组合，搭配8挡AMT变速箱，调速范围广，同时满足爬坡度要求和车速要求。

4)监测SOC水平，通过坡度传感器、负载传感器识别工况和负载情况，通过电子油门踏板(即，油门)识别司机操作意图，经过整车控制器控制三擎智能组合并自动选择合适的挡位，输出所需扭矩和转速，高效经济驱动车辆，同时保证工作循环的电量平衡，无需充电设备，无需停车充电，运输效率显著提升。

5)由于矿山是往返工况，线路相对固定，控制系统可实现自适应和自学习，可根据需要进行无人驾驶的功能升级。

6)动力电池模块化设计，根据工况选装不同的电池容量形成不同的油电混合比，实现工况全覆盖，同时获得最大化的经济性。在高海拔地区，发动机功率会随着海拔的升高而降低，导致整车动力不足，利用发动机+电池的混合动力系统可以解决这一问题。

7)重载下坡工况下，通过整车控制器控制，发动机制动+电机回馈制动+湿式制动器的组合制动方式，实现自动恒速下坡，简化司机操作。同时由于采用了3种缓速方式，整车的缓速能力得以大幅提高，使得车辆能够以更高的车速安全下坡，缩短了工作循环时间，提高了运输效率。湿式制动器集成ABS/ASR功能，提高了松软、湿滑路面的行驶能力。

本实用新型通过发动机、主驱电机、辅驱电机三擎智能组合，可自动根据工况实现以下表1的工作模式：

表1

整车控制器对负载和坡度实时测量和计算，动态选择各个部件的工作状态，详见下表2：

表2

综上所述，具有以下优点：

1)适应性：通过调整油电混合比可实现工况全覆盖。

2)经济性：减小发动机功率，降低矿用自卸车购置成本；通过能量回收节省燃油，经济效益明显。

3)智能化：自适应自学习智能控制系统，自动按工况输出扭矩和转速，简化司机操作。

4)高效：车速快，工作循环时间短；无需等待充电，运输效率高。

5)安全：3种制动方式，缓速能力强，保证了行车安全。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种矿用自卸车的混合驱动系统，其特征在于，包括：

整车控制器(1)，与油门(11)和坡度传感器(12)电连接；

动力电池(2)，通过电池控制器(21)与所述整车控制器(1)电连接；

发动机(3)，通过发动机控制器(31)与所述整车控制器(1)电连接，发动机(3)上设有启动马达(32)，所述启动马达(32)与所述整车控制器(1)相连；

AMT变速箱(4)，通过变速箱控制器(41)与所述整车控制器(1)电连接；

在所述发动机(3)的输出端设有自动离合器(33)，所述自动离合器(33)与所述整车控制器(1)电连接；

主驱电机(5)和辅驱电机(6)，在所述发动机(3)的输出端设有离合器，所述主驱电机(5)设置在所述自动离合器(33)和所述AMT变速箱(4)的输入端之间，所述主驱电机(5)通过主驱电机控制器(51)与所述整车控制器(1)电连接，辅驱电机(6)设置在所述AMT变速箱(4)的输出端，所述辅驱电机(6)通过辅驱电机控制器(61)与所述整车控制器(1)电连接；

车轮驱动组件(7)，设置在所述辅驱电机(6)的输出端。

2.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，所述车轮驱动组件(7)包括：传动轴(71)、驱动桥(72)和两个驱动轮(73)，所述传动轴(71)与所述辅驱电机(6)相连，两个驱动轮(73)通过所述驱动桥(72)与所述传动轴(71)连接。

3.根据权利要求2所述的混合驱动系统，其特征在于，所述车轮驱动组件(7)还包括：湿式制动器(74)，所述湿式制动器(74)设置在所述驱动轮(73)内侧，所述湿式制动器(74)通过制动控制器(75)与所述整车控制器(1)电连接。

4.根据权利要求3所述的混合驱动系统，其特征在于，在两个驱动轮(73)上设有转速传感器，所述转速传感器与所述制动控制器(75)电连接。

5.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，还包括，负载传感器(13)，所述负载传感器(13)设置在矿用自卸车的车厢底部与所述整车控制器(1)电连接。

6.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，还包括，风速传感器，所述风速传感器设置在矿用自卸车的车头与所述整车控制器(1)电连接。

7.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，所述坡度传感器(12)包括多个陀螺仪，所述多个陀螺仪设置在矿用自卸车的车厢上。

8.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，还包括显示仪表(14)，所述显示仪表(14)与所述整车控制器(1)电连接。

9.根据权利要求1所述的混合驱动系统，其特征在于，在所述AMT变速箱(4)上设有换挡电机(42)，所述换挡电机(42)与所述变速箱控制器(41)电连接。

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