本發(fā)明屬于新能源礦用車的電氣系統(tǒng)，涉及一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術：

1、“交-直-交”電傳動系統(tǒng)由于其傳動效率高，控制簡單、方便等優(yōu)點，廣泛應用于傳統(tǒng)大噸位剛性礦用自卸車。傳統(tǒng)電動輪礦用卡車主要由車體、柴油發(fā)動機、電驅動系統(tǒng)三大件組成，其驅動方式為：用柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，再通過電驅動變頻驅動牽引電機經(jīng)減速器帶動輪胎行駛。電驅動系統(tǒng)是電動輪礦用車的“心臟”，由發(fā)電機、牽引變流器、電動輪、制動電阻等部件構成。在交流電傳動系統(tǒng)中，中間直流電路是整流單元和逆變單元之間的中間環(huán)節(jié)，其中，中間直流電壓最大值是一項重要的參數(shù)，逆變器的換流能力和調制電壓質量都受中間直流電壓的影響。中間直流電壓最大值確定了逆變器、異步牽引電動機、主發(fā)電機、主整流器等主要設備的電壓等級，在礦用自卸車功率一定的情況下，也就確定了它們的電流值，進而也就決定了設備的體積和質量。

2、大噸位電動輪礦卡驅動時整車需求功率大，現(xiàn)有發(fā)動機單臺輸出馬力小、運行不穩(wěn)定，并且現(xiàn)有發(fā)動機尾端聯(lián)接無刷勵磁同步發(fā)電機，電機效率低，體積大?？紤]硬件模塊電流限制、成本因素，中間直流電壓主要采用1500v、1800v、2600v等幾種超高壓平臺，電氣控制系統(tǒng)包括整流器、斬波器、逆變器等模塊，系統(tǒng)布局復雜，體積大，成本高，后期可維護性差等。部分傳統(tǒng)車型雖加裝了小度數(shù)的功率型電池，一般選擇dc600v直流電壓平臺，考慮到整車運行時的功率需求，實際控制過程中電池要匹配整車超電壓平臺，電池放電過程要“升壓”，即dc600v升壓到dc1500v/1800v/2600v，電池充電過程要“降壓”，即dc1500v/1800v/2600v降壓到dc600v，進一步增加了整車控制系統(tǒng)的復雜性。例如申請?zhí)枮?01810811666.3的中國發(fā)明專利申請《新能源礦用汽車電氣系統(tǒng)》，提出發(fā)電機控制器和液壓電機控制器控制連接至四合一集成式控制器；整車行駛系統(tǒng)再連接至四合一集成式控制器最終連接至電池模塊，電池模塊通過四合一集成式控制器為整車提供動力，并未使用能夠實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化和體積減小的電氣模塊。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中交流傳動中間直流電壓主要采用幾種超高壓平臺，導致整車系統(tǒng)復雜，體積大，后期可維護性差等的技術問題，提供一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)及其工作方法。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明公開一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)，包括前端發(fā)電單元、中端配電單元和后端電動機驅動單元；

4、所述前端發(fā)電單元包括集成式永磁同步發(fā)電機模塊，所述集成式永磁同步發(fā)電機模塊連接有發(fā)電機控制單元gcu，所述發(fā)電機控制單元gcu連接有整車控制器vcu；所述中端配電單元包括與所述發(fā)電機控制單元gcu連接的配電模塊pdu；所述后端電動機驅動單元包括與所述配電模塊pdu連接的若干個驅動電機前端控制器mcu，所述驅動電機前端控制器mcu連接有三相交流異步電動機；所述配電模塊pdu和驅動電機前端控制器mcu均與整車控制器vcu連接；

5、所述發(fā)電機控制單元gcu將集成式永磁同步發(fā)電機模塊發(fā)出的三相交流電轉化為直流電流輸送至配電模塊pdu。

6、進一步的改進在于：

7、所述中端配電單元還包括與所述配電模塊pdu連接的動力電池，所述動力電池與整車控制器vcu連接。

8、所述集成式永磁同步發(fā)電機模塊、發(fā)電機控制單元gcu、整車控制器vcu、配電模塊pdu、動力電池、驅動電機前端控制器mcu和三相交流異步電動機均采用dc800v電壓平臺。

9、所述動力電池設置有熱管理系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)；所述熱管理系統(tǒng)為集成液冷系統(tǒng)或集成風冷系統(tǒng)。

10、所述發(fā)電機控制單元gcu采用碳化硅mosfet半導體和viper模塊封裝技術。

11、所述前端發(fā)電單元和后端電動機驅動單元均采用foc矢量控制。

12、所述三相交流異步電動機為2*y串接式三相異步電動機。

13、所述系統(tǒng)還包括故障診斷與保護單元，所述故障診斷與保護單元與整車控制器vcu、發(fā)電機控制單元gcu、配電模塊pdu以及驅動電機前端控制器mcu均連接。

14、所述發(fā)電機控制單元gcu、配電模塊pdu和驅動電機前端控制器mcu通過can總線或以太網(wǎng)與所述整車控制器vcu通信。

15、第二方面，本發(fā)明公開一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)的工作方法，所述整車控制器vcu根據(jù)當前整車運行工況以及動力電池電量，得出實時功率需求和扭矩需求，將所述功率需求通過發(fā)電機控制單元gcu傳輸至集成式永磁同步發(fā)電機模塊，將所述扭矩需求通過驅動電機前端控制器mcu傳輸至三相交流異步電動機；

16、所述集成式永磁同步發(fā)電機模塊產(chǎn)生三相交流電通過發(fā)電機控制單元gcu轉化為直流電流后輸送至配電模塊pdu；同時所述動力電池根據(jù)整車控制器vcu的指令隨時準備充電或放電；

17、所述配電模塊pdu將所述dc800v電流和來自動力電池的電流整合后輸送至驅動電機前端控制器mcu，驅動電機前端控制器mcu將來自配電模塊pdu的直流電源逆變?yōu)轵寗尤嘟涣鳟惒诫妱訖C所需的三相交流電，輸送至與其連接的三相交流異步電動機并根據(jù)整車控制器vcu的指令驅動三相交流異步電動機運轉。

18、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

19、本發(fā)明公開了一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)，前端發(fā)電單元采用集成式永磁同步發(fā)電機模塊，配合發(fā)電機控制單元gcu，能夠將發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電高效地轉換為直流電。較傳統(tǒng)電動輪超高壓平臺所配備的無刷勵磁主發(fā)電機體積和重量大大降低，且永磁同步電機較無刷勵磁發(fā)電機效率可大大提升。這種轉換不僅提高了能源利用效率，還減少了能源在轉換過程中的損失，為后端電動機提供了穩(wěn)定、可靠的電力供應。整個電氣系統(tǒng)采用模塊化設計，各單元之間連接緊密、協(xié)調一致。中端配電單元通過配電模塊pdu將電能分配給后端電動機驅動單元，實現(xiàn)了電能的合理分配與利用。同時，配電模塊pdu和驅動電機前端控制器mcu均與整車控制器vcu連接，形成了完整的控制系統(tǒng)。本發(fā)明中系統(tǒng)基于dc800v電壓平臺，適用電壓dc600-dc1000v，大大兼容了整車的各個模塊的匹配選型，并且提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

20、進一步地，中端配電單元還包括與所述配電模塊pdu連接的動力電池，所述動力電池與整車控制器vcu連接，整車電氣系統(tǒng)中端是一套具備快速充、放電能力功率型動力電池和pdu配電模塊，均采用dc800v電壓平臺，電池重量輕量化、充/放電速度顯著提升、能量轉換效率高、有效降低電耗等，減少傳統(tǒng)電動輪電池充放電需要配合變流器“升壓/降壓”復雜控制流程。整車系統(tǒng)既可以不依靠前端集成式永磁同步發(fā)電機模塊輸出，只用動力電池可以正常驅動；也可以不依靠動力電池輸出，只依靠前端集成式永磁同步發(fā)電機模塊正常驅動。驅動電機能量回收時所產(chǎn)生的電能部分可以實時被存儲到動力電池中，以供整車重復使用，超出電池回充閾值的由前端集成式永磁同步發(fā)電機反拖消耗，防止電池過充，整車能耗更低。更有利于司機在不同工況下整車驅動方式的靈活性選擇，將高效、智能、環(huán)保發(fā)揮到極致。

21、進一步地，發(fā)電機控制單元gcu采用碳化硅mosfet半導體和viper模塊封裝技術。功率模塊較傳統(tǒng)硅基功率模塊（si?igbt）相比，產(chǎn)品輕40%，體積減小30%，較傳統(tǒng)工業(yè)變頻器柜重量和體積大大減小，有效減小整車布置空間。

22、進一步地，熱管理系統(tǒng)為集成液冷系統(tǒng)或集成風冷系統(tǒng)，確保電池在不同工況下保持最佳工作溫度范圍，延長電池壽命。

23、進一步地，前端發(fā)電單元和后端電動機驅動單元均采用foc矢量控制，與傳統(tǒng)電動輪大功率高壓平臺變流器vvvf開式控制相比，能大大降低整車電氣系統(tǒng)成本，更易于整車控制。

24、本發(fā)明公開了一種電動輪礦卡電氣系統(tǒng)的工作方法，該方法通過整車控制器vcu實時根據(jù)整車運行工況和動力電池電量來確定功率需求和扭矩需求，實現(xiàn)了對電動輪礦卡動力系統(tǒng)的精準控制。這種動態(tài)響應機制確保了礦卡在面對復雜多變的作業(yè)環(huán)境時，能夠迅速調整其運行狀態(tài)，以滿足不同的功率和扭矩需求，從而提高作業(yè)效率和安全性。該方法通過集成式永磁同步發(fā)電機模塊和動力電池的協(xié)同工作，實現(xiàn)了對能源的高效管理和利用。發(fā)電機控制單元gcu能夠根據(jù)實時功率需求調整發(fā)電機輸出，而動力電池則根據(jù)整車控制器vcu的指令進行充電或放電，以平衡系統(tǒng)能量需求。這種能源管理策略不僅提高了能源利用效率，還延長了動力電池的使用壽命。配電模塊pdu將直流電流和來自動力電池的電流整合后輸送至驅動電機前端控制器mcu，這一過程確保了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性和可靠性。同時，驅動電機前端控制器mcu將直流電源逆變?yōu)轵寗与姍C所需的三相交流電，并根據(jù)整車控制器vcu的指令精確控制電動機運轉，從而提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和運行效率。該方法依賴于整車控制器vcu的精確計算和指令傳輸，實現(xiàn)了對整個電氣系統(tǒng)的智能化控制。通過實時監(jiān)測和調整系統(tǒng)狀態(tài)，vcu能夠確保礦卡在各種工況下都能保持最佳運行狀態(tài)，同時提供故障預警和診斷功能，降低了系統(tǒng)維護成本和停機時間。