阅读说明：本技术 用于采矿运输卡车的所有电气操作的系统和方法 (System and method for all electrical operation of mining haul trucks ) 是由 J.马宗达 于 2014-09-26 设计创作，主要内容包括：用所有电力源操作由电气轮马达驱动的采矿运输卡车；也就是说,没有柴油机。当在装载场地上行进时,采矿运输卡车由可以包括超级电容器组的车载能量存储系统供电。采矿运输卡车然后移动到滑接斜坡的底部,并且被耦合到滑接线。当上坡行进时,采矿运输卡车通过滑接线供电,并且车载能量存储系统通过滑接线被充电。当采矿运输卡车到达滑接斜坡的顶部时,采矿运输卡车从滑接线去耦。当在卸载场地上行进时,采矿运输卡车由车载能量存储系统供电。车载能量存储系统还可以通过制动期间由轮马达生成的减速能量来被充电。(Operating a mining haul truck driven by an electric wheel motor with all sources of electrical power; that is, there is no diesel engine. When travelling on the loading site, the mining haul truck is powered by an onboard energy storage system, which may include a bank of ultracapacitors. The mining haul truck then moves to the bottom of the trolley ramp and is coupled to the trolley line. When travelling uphill, the mining haul truck is powered through a trolley line, and the on-board energy storage system is charged through the trolley line. When the mining haul truck reaches the top of the trolley ramp, the mining haul truck is decoupled from the trolley line. While traveling on the unloading site, the mining haul truck is powered by the on-board energy storage system. The on-board energy storage system may also be charged by the retarding energy generated by the wheel motors during braking.)

用于采矿运输卡车的所有电气操作的系统和方法

本申请是申请日为2014年9月26日、申请号为201480053075.4（国际申请号为PCT/US2014/057687）以及发明名称为“用于采矿运输卡车的所有电气操作的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及用于采矿运输卡车的电力（power）系统，并且更特别地涉及一种用于采矿运输卡车的所有电气操作的系统和方法。

背景技术

采矿运输卡车典型地配备有电驱动发动机。在需求高的条件下，诸如在上坡坡度上行进，电力可以通过滑接线（trolley line）供应。采矿运输卡车经由受电弓（pantograph）而从滑接线汲取电力。然而，在某些行进条件下，诸如在采矿坑内部、在压碎机周围、以及在水平面上，采矿运输卡车独立于滑接线操作。电力然后通过柴油机所供以动力的发电机来供应。柴油机需要燃料供应的递送和存储，并且需要定期维护。此外，从柴油机排出的气体促成空气污染。

发明内容

在本发明的实施例中，从所有电力源操作由电动机驱动的采矿运输卡车，而不需要驱动发电机的柴油机。当采矿运输卡车正在基本上平坦的地面上行进时，电力由车载能量存储系统供应。当采矿运输卡车正沿着上坡坡度行进时，电力通过滑接线供应。还用来自滑接线的电力来为车载能量存储系统充电。在本发明的实施例中，用制动期间从电动机捕获的减速能量来为车载能量存储系统充电。

通过参考下面的

具体实施方式

和附图，本发明的这些和其它优点对本领域普通技术人员将显而易见。

附图说明

图1示出用于采矿运输卡车的现有技术柴油供电的电气系统的单线图；

图2示出用于采矿运输卡车的现有技术滑接电力系统的单线图；

图3示出用于采矿运输卡车的第一行进场景的示意图；

图4示出用于采矿运输卡车的第二行进场景的示意图；

图5A和图5B示出用于采矿运输卡车的所有电气操作的过程的流程图；

图6示出具有超级电容器能量存储系统的电力系统的示意图；

图7示出作为行进时间的函数的车辆速度的曲线以及作为行进时间的函数的车辆加速度的曲线；

图8示出作为行进时间的函数的车辆牵引力的曲线以及作为行进时间的函数的车辆驱动阻力的曲线；

图9示出作为行进时间的函数的行进距离的曲线；以及

图10示出超级电容器能量管理控制器的示意图。

具体实施方式

图1示出现有技术采矿运输卡车电力系统的单线图。采矿运输卡车具有两个驱动轮。每个轮由3相交流（AC）轮马达（M）驱动。轮马达（wheel motor）被注明为轮马达110和轮马达114。电力通过柴油机102驱动3相AC发电机（G）104来供应。（可以使用其它类型的机械引擎；柴油机在采矿操作中是典型的。）耦合器124将柴油机102耦合到发电机104。柴油机102和发电机104被装配在采矿运输卡车上。发电机104的AC输出被馈送到整流器106中。整流器106的直流（DC）输出被馈送到一组逆变器中。逆变器108向轮马达110供应3相AC电力。类似地，逆变器112向轮马达114供应3相AC电力。斩波器（chopper）116和电力电阻器电网118在制动动作期间耗散来自轮马达110的能量。类似地，斩波器120和电力电阻器电网122在制动动作期间耗散来自轮马达114的能量。下面更详细地描述制动动作。

在图1中所示的电力系统中，针对轮马达110和轮马达114的全部电力需求由柴油机102供应。采矿运输卡车的性能（如，例如通过加速度和速度确定的）受柴油机的电力容量限制。特别地，当填充有重的有效载荷（payload）的采矿运输卡车正沿着上坡坡度行进时，柴油机可能被加压到最大容量。当采矿运输卡车在上坡坡度上行进时用于降低对柴油机的电力需求的一种方法是完全经由从滑接线汲取的电力而为轮马达供电。在此操作模式期间，发电机104经由耦合器124从柴油机102断开。柴油机然后在上坡坡度上空转。结果，燃料消耗减少~95％；噪声和废气排放减少；并且生产率和引擎寿命增加。

图2示出包括架空滑接电力系统的现有技术采矿运输卡车电力系统的单线图。类似于图1中所示的电力系统，柴油机202经由耦合器204连接到3相AC发电机206。发电机206的AC输出被馈送到整流器208中。整流器208的DC输出被馈送到向轮马达212提供电力的逆变器210中，并且被馈送到向轮马达220提供电力的逆变器218中。

逆变器210和逆变器218的输入端还可以经由滑接线230和滑接线232连接到由变电站250供应的DC电力。滑接线也称为架空线。分别经由受电弓臂234和受电弓臂236实现采矿运输卡车到滑接线230和滑接线232的电气连接。投掷式开关（throw switch）240将逆变器210和逆变器218的输入端与滑接线230和滑接线232连接/断开。还存在辅助断路器238。如上所提及，当采矿运输卡车由滑接电力系统供电时，柴油机202典型地经由耦合器204从发电机206断开。

图3示出采矿场地，其中装载场地在自卸载场地的下坡处；例如，装载场地在坑的底部，并且有效载荷被卡车运出坑。装载场地309位于区域321内。在区域321内，采矿运输卡车302不通过滑接线供电。卸载场地339位于区域351内。在区域351内，采矿运输卡车302不通过滑接线供电。典型地，在区域321内和在区域351内的地形基本上是平坦的。

在上坡方向上，区域321和区域351由滑接斜坡371连接，沿着滑接斜坡371，电力可得自滑接线370（为简单起见，滑接线370指的是一对滑接线）。在下坡方向上，区域351和区域321由滑接斜坡361连接，沿着滑接斜坡361，电力可得自滑接线360。滑接线370和滑接线360由装配在支撑杆310上的支撑臂312架空支撑。

在本发明的实施例中，采矿运输卡车配备有车载能量存储系统（OBESS），所述车载能量存储系统当采矿运输卡车正在区域321内或在区域351内操作时提供电力。不需要柴油机和发电机。OBESS指的是与采矿运输卡车一起行进的能量存储系统（例如，装配在采矿运输卡车上，或者附连到采矿运输卡车，或者装配在附连到采矿运输卡车的拖车上）。在本发明的实施例中，OBESS包括超级电容器组、电池组、或者超级电容器组和电池组。下面提供OBESS的进一步细节。首先描述采矿运输卡车的所有电气操作。

参考图3中所示的行进场景。通过OBESS供电，采矿运输卡车302在区域321中、位置P 301处起动，并且移动到装载场地309。在装载场地309处，电铲（未示出）将有效载荷304（诸如矿石）填充到采矿运输卡车302上，所述采矿运输卡车302然后在位置P 303处离开装载场地309。采矿运输卡车302然后移动到位置P 305，对于滑接斜坡371的入口。采矿运输卡车302被耦合到滑接线370。在滑接电力下（滑接电力指的是从滑接线汲取的电力），采矿运输卡车302沿滑接斜坡371向上移动（示为位置P 373），并且到达位置P 331。当采矿运输卡车302被耦合到滑接线370时，滑接电力用于为OBESS再充电。

位置P 331是用于滑接斜坡371的出口。采矿运输卡车302然后从滑接线370去耦。通过OBESS供电，采矿运输卡车302行进到位置P 333，然后行进到卸载场地339，在该处采矿运输卡车302卸载有效载荷304。采矿运输卡车然后在位置P 335处离开卸载场地339，并且移动到位置P 337，对于滑接斜坡361的入口。采矿运输卡车302被耦合到滑接线360。在滑接电力下，采矿运输卡车302沿滑接斜坡361向下移动（示为位置P 363），并且到达位置P 307。当采矿运输卡车302被耦合到滑接线360时，滑接电力用于为OBESS再充电。

位置307是用于滑接斜坡361的出口。采矿运输卡车302然后从滑接线360去耦。通过OBESS供电，采矿运输卡车302移动到位置P 301以开始另一工作循环。

参考图4中所示的行进场景，其示出采矿场地，其中装载场地在自卸载场地的上坡处。装载场地409位于区域421内。在区域421内，采矿运输卡车302不通过滑接线供电。卸载场地439位于区域451内。在区域451内，采矿运输卡车302不通过滑接线供电。典型地，在区域421内和在区域451内的地形基本上是平坦的。

在上坡方向上，区域451和区域421由滑接斜坡471连接，沿着滑接斜坡471，滑接电力可得自滑接线470。在下坡方向上，区域421和区域451由滑接斜坡461连接，沿着滑接斜坡461，滑接电力可得自滑接线460。滑接线470和滑接线460由装配在支撑杆410上的支撑臂412架空支撑。

通过OBESS供电，采矿运输卡车302在区域421中、位置P 401处起动，并且移动到装载场地409。在装载场地409处，电铲（未示出）将有效载荷404（诸如矿石）填充到采矿运输卡车302上，所述采矿运输卡车302然后在位置P 403处离开装载场地409。采矿运输卡车302然后移动到位置P 405，对于滑接斜坡461的入口。采矿运输卡车302被耦合到滑接线460。在滑接电力下，采矿运输卡车302沿滑接斜坡461向下移动（示为位置P 463），并且到达位置P431。当采矿运输卡车302被耦合到滑接线460时，滑接电力用于为OBESS再充电。

位置P 431是用于滑接斜坡461的出口。采矿运输卡车302然后从滑接线460去耦。通过OBESS供电，采矿运输卡车302行进到位置P 433，然后行进到卸载场地439，在该处采矿运输卡车302卸载有效载荷404。采矿运输卡车302然后在位置P 435处离开卸载场地439，并且移动到位置P 437，对于滑接斜坡471的入口。采矿运输卡车302被耦合到滑接线470。在滑接电力下，采矿运输卡车302沿滑接斜坡471向上移动（示为位置P 473），并且到达位置P407。当采矿运输卡车302被耦合到滑接线470时，滑接电力用于为OBESS再充电。

位置P 407是用于滑接斜坡471的出口。采矿运输卡车302然后从滑接线470去耦。通过OBESS供电，采矿运输卡车302移动到位置P 401以开始另一工作循环。

在图5A和图5B的流程图中概述了用于采矿运输卡车的所有电气操作的方法。在步骤502中，采矿运输卡车在区域1中起动。在步骤504中，初始从可用的电力源（诸如充电站、滑接线或柴油机和发电机）为车载能量存储系统（OBESS）充电。在步骤506中，通过OBESS供电，采矿运输卡车在区域1内行进（例如行进到装载场地并接收有效载荷）。在步骤508中，通过OBESS供电，采矿运输卡车行进到滑接斜坡1。

在步骤510中，采矿运输卡车被耦合到滑接线1。在步骤512中，通过滑接线1供电，采矿运输卡车离开区域1。在步骤514中，通过滑接线1供电，采矿运输卡车沿着滑接斜坡1行进。OBESS由来自滑接线1的电力充电。在步骤516中，通过滑接线1供电，采矿运输卡车到达区域2。

在步骤518中，采矿运输卡车从滑接线1去耦。在步骤520中，通过OBESS供电，采矿运输卡车在区域2内行进（例如行进到卸载场地并且倾卸有效载荷）。在步骤522中，通过OBESS供电，采矿运输卡车行进到滑接斜坡2。

在步骤524中，采矿运输卡车耦合到滑接线2。在步骤526中，通过滑接线2供电，采矿运输卡车离开区域2。在步骤528中，通过滑接线2供电，采矿运输卡车沿着滑接斜坡2行进。OBESS由来自滑接线2的电力充电。在步骤530中，通过滑接线2供电，采矿运输卡车到达区域1。在步骤532中，采矿运输卡车从滑接线2去耦。采矿运输卡车具有充电的OBESS，并且准备好开始另一工作循环。

在本发明的实施例中，用来自轮马达的减速能量为OBESS充电。为了使移动的采矿运输卡车慢下来，采矿运输卡车驱动系统以减速模式操作。在正常操作下，电动机将电能转换成机械能。其中电动机将电能转换成机械能的操作模式被称为推进模式，并且在其期间电动机以推进模式操作的时间间隔被称为推进间隔。电动机也可以相反作为发电机而操作，以将机械能转换成被馈送到逆变器中的电能（被称为减速能量）。其中电动机将机械能转换成电能的操作模式被称为减速模式，并且在其期间电动机以减速模式操作的时间间隔被称为减速间隔。

典型地，连接到逆变器的制动斩波器将电力引导到电力电阻器电网中，所述电力电阻器电网连续地耗散减速能量，直到采矿运输卡车达到停止为止；也就是说，减速能量被耗散为废热。制动是平滑的，类似于汽车中的制动操作，但是没有机械制动磨损。例如，参考图2中所示的现有技术电力系统。斩波器214和电力电阻器电网216为轮马达212提供制动动作。类似地，斩波器222和电力电阻器电网224为轮马达220提供制动动作。

然而，在本发明的实施例中，OBESS被集成到采矿运输卡车电力系统中，以收回和存储减速能量。特别地，当采矿运输卡车正在下坡行进时，可以捕获和存储相当大量的减速能量（尤其是如果采矿运输卡车正在运载重的有效载荷的话），因为采矿运输卡车频繁制动，并且因此存在频繁的在其期间轮马达正以减速模式操作的间隔。取决于地形，也可以在上坡行程期间捕获减速能量；也可以当采矿运输卡车正在水平地面上行进时捕获减速能量。

减速能量然后用于为OBESS充电。在本发明的实施例中，OBESS用包括超级电容器组的超级电容器系统来实现。可以存储在超级电容器系统中的能量的量取决于超级电容器组的大小。OBESS也可以用包括电池组的可再充电的电池系统来实现。可以存储在电池系统中的能量的量取决于电池组的大小。OBESS也可以用超级电容器组和电池组的组合来实现。下面描述存储容量要求。

超级电容器可以提供高电力密度。为了增加的电能存储，多个超级电容器可以串联和并联连接以形成超级电容器组。流入到超级电容器中的电流为超级电容器充电，并且电能经由电极-电解质界面处的电荷分离而被存储。存储的电能然后可以在稍后用于输出电流。为了最大化超级电容器的寿命，超级电容器不被完全放电。典型地，超级电容器放电，直到其电压降到最小的用户定义的较低电压限制为止。例如，较低电压限制可以是初始充满电的电压的一半。

图6示出集成到滑接电力系统中的OBESS 626的示意图。轮马达610由发动机驱动系统630供以动力，所述发动机驱动系统630包括DC链电容器606和逆变器608。滑接DC电力系统604经由滑接线向发动机驱动系统630提供DC电力。在所示的示例中，OBESS 626包括超级电容器电能存储单元614和超级电容器能量管理控制器612。超级电容器电能存储单元614包括DC至DC转换器618、扼流圈/电抗器622以及超级电容器组624。超级电容器电能存储单元614可以经由连接/断开开关616而从发动机驱动系统630断开。

超级电容器电能存储单元614由超级电容器能量管理控制器612管理。超级电容器能量管理控制器612还可以接收表征发动机驱动系统630的操作的发动机驱动系统数据628。例如，发动机驱动系统数据628包括DC链电压、电流和温度。响应于来自超级电容器能量管理控制器612的控制信号或控制命令，超级电容器电能存储单元614可以：（a）向轮马达传输电能，（b）从滑接DC电力系统接收电能，或者（c）从轮马达接收减速电能。如果超级电容器组变得充满电，则可以在电网电阻器中耗散过量的减速能量。过量的减速能量也可以经由滑接线来传输，以及存储在辅助能量存储系统中，或者经由滑接线传输，以及经由双向变电站返回到公用电网（如在No.2011/0094841的美国专利申请公布中所描述的）。

在图10中示出用于实现超级电容器能量管理控制器612（图6）的计算系统的实施例。计算系统1002典型地位于采矿运输卡车中；然而，其它位置是可能的。本领域技术人员可以从硬件、固件和软件的各种组合来构造计算系统1002。本领域技术人员可以从各种电子组件来构造计算系统1002，所述各种电子组件包括一个或多个通用处理器（诸如微处理器）、一个或多个数字信号处理器、一个或多个专用集成电路（ASIC）以及一个或多个现场可编程门阵列（FPGA）。

计算系统1002包括计算机1006，所述计算机1006包括处理器[被称为中央处理单元（CPU）1008]、存储器1010和数据存储设备1012。数据存储设备1012包括至少一个持久、有形的计算机可读介质，诸如非易失性半导体存储器、磁性硬驱动器、以及光盘只读存储器。在本发明的实施例中，计算机1006被实现为集成设备。

计算系统1002可以此外包括用户输入/输出接口1014，所述用户输入/输出接口1014将计算机1006对接到用户输入/输出设备1022。输入/输出设备1022的示例包括键盘、鼠标和本地访问终端。包括计算机可执行代码的数据可以经由输入/输出接口1014而向和自计算机1006传递。

计算系统1002可以此外包括通信网络接口1016，所述通信网络接口1016将计算机1006与远程访问网络1024对接。远程访问网络1024的示例包括局域网和广域网（通信链路可以是无线的）。用户可以经由远程访问终端（未示出）访问计算机1006。包括计算机可执行代码的数据可以经由通信网络接口1016而向和自计算机1006传递。

计算系统1002可以此外包括超级电容器电能存储单元接口1018，所述超级电容器电能存储单元接口1018将计算机1006与超级电容器电能存储单元614（参见图6）对接。计算系统1002可以此外包括发动机驱动系统接口1020，所述发动机驱动系统接口1020将计算机1006与发动机驱动系统630（参见图6）对接。发动机驱动系统接口1020例如接收发动机驱动系统数据628。

如众所周知的，计算机在计算机软件的控制下操作，所述计算机软件定义计算机的整体操作和应用。通过执行定义整体操作和应用的计算机程序指令，CPU 1008控制计算机的整体操作和应用。计算机程序指令可以存储在数据存储设备1012中，并且当期望程序指令的执行时被加载到存储器1010中。

在图5A和图5B中的流程图中所示的方法步骤可以由被存储在存储器1010中或数据存储设备1012中（或者在存储器1010和数据存储设备1012的组合中）的计算机程序指令来定义，并且由执行计算机程序指令的CPU 1008控制。例如，计算机程序指令可以被实现为计算机可执行代码，所述计算机可执行代码由本领域技术人员编程以执行实现图5A和图5B中的流程图中所示的方法步骤的算法。因此，通过执行计算机程序指令，CPU 1008执行实现图5A和图5B中的流程图中所示的方法步骤的算法。

可以根据计算来估计所需的OBESS存储容量。例如，假设下面的运输简档（类似于图3中所示的行进场景的行进场景）：

500m，平坦：铲（装载场地）到滑接斜坡，装载的

2000m，10％坡度：滑接斜坡，装载的

500m，平坦：滑接斜坡到倾卸场（卸载场地），装载的

500m，平坦：倾卸场到滑接斜坡，空的

2000m，-10％坡度：滑接斜坡，空的

500m，平坦：滑接斜坡到铲，空的。

简档的每个分支指定：（a）行进的距离，（b）地面的斜度，（c）行进路径，以及（d）采矿运输卡车的有效载荷状态。空的采矿运输卡车的重量被假定为160,000kg；并且装载的采矿运输卡车的重量被假定为400,000kg。

图7中示出用于在以上简档上运行的采矿运输卡车的速度和加速度。曲线702将车辆速度（km/hr）示为行进时间（s）的函数。曲线704将车辆加速度（m/s²）示为行进时间（s）的函数。参考图8。曲线802将车辆牵引力（kN）示为行进时间（s）的函数。曲线804将车辆驱动阻力（kN）示为行进时间（s）的函数。参考图9。曲线902将行进距离（m）示为行进时间（s）的函数。

从图7中可以看出：采矿运输卡车需要大约50s来到达滑接斜坡。类似地，将需要大约相同的时间来从滑接斜坡行进到倾卸场（卸载场地）。从倾卸场返回到滑接斜坡将需要较少的时间，因为采矿运输卡车是空的。采矿运输卡车需要来自OBESS的近似24kWh的能量，以将采矿运输卡车从铲（装载场地）移动到滑接斜坡。对于所有的其它区域，从OBESS所需的能量将等于或小于24kWh。

适当的能量存储设备的选择是重要的。矿通常位于具有极端气候条件的偏远位置中。具有低于-20℃的温度的极端寒冷的条件造成特别的挑战。另外，采矿运输卡车经受极端的冲击和振动。用于能量存储的适当候选是牵引级超级电容器和牵引级电池。

参考回到图3中和图4中所示的行进场景。在上坡路径和下坡路径二者上供应滑接电力。在一些场景中，如果在下坡路径的开始处OBESS被充分充电，并且如果沿着下坡路径生成足够的减速能量以维持OBESS中足够的充电用于采矿运输卡车在由OBESS供电时沿着下坡路径的全部并在下坡区域（图3中的区域321或图4中的区域451）内操作，则在下坡路径上不需要滑接电力。

本发明的实施例可以被改装到具有柴油机和发电机的现有采矿运输卡车中。柴油机可以被保留以用于故障条件下的操作，或者用于在空闲时为OBESS充电。在本发明的其它实施例中，采矿运输卡车未配备有柴油机和发电机：采矿运输卡车由滑接线单独、OBESS单独、或者滑接线和OBESS的组合所供应的电力来推进。

已经参照采矿运输卡车描述了本发明的实施例。本领域技术人员可以开发本发明的实施例用于由电动机驱动的其它车辆。

前述具体实施方式要被理解为在每个方面都是说明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文公开的本发明的范围将不从具体实施方式中确定，而是相反从如根据专利法所准许的完整宽度所解释的权利要求来确定。要理解的是：本文所示和所述的实施例仅仅说明本发明的原理，并且各种修改可以由本领域技术人员实现而不脱离本发明的范围和精神。本领域技术人员可以实现各种其它的特征组合而不脱离本发明的范围和精神。