基于ECMS 的混合動(dòng)力礦用自卸車能量管理控制策略

劉鴻遠(yuǎn) 吳磊 王其松 周司雪

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省鹽城市 224005

1 引言

非公路礦用自卸車是礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的主要交通設(shè)備，用于露天采礦和物料運(yùn)輸。由于礦區(qū)工況惡劣、裝載量巨大，燃油成本占據(jù)了礦車全部成本的一半以上。混合動(dòng)力技術(shù)能夠顯著降低礦用車輛的運(yùn)營成本，是當(dāng)前電動(dòng)化背景下解決車輛高污染、高能耗的有效手段。功率分流式混合動(dòng)力汽車屬于混聯(lián)架構(gòu)，其核心裝置為行星齒輪機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，能夠通過雙電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與輸出軸解耦，故該系統(tǒng)兼具串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)。

能量管理是混合動(dòng)力汽車所研究的核心問題，是在保證動(dòng)力性的前提下合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間的功率/扭矩，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。主要包括：基于規(guī)則策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）、極小值原理（PMP）和等效燃油消耗最小策略（ECMS）。基于規(guī)則的策略依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，無法達(dá)到最優(yōu)控制效果。動(dòng)態(tài)規(guī)劃屬于全局優(yōu)化策略，雖然能夠獲得全局最優(yōu)解，但是需要提前知道車輛行駛工況，且計(jì)算量巨大，容易產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)難”故無法在實(shí)車上運(yùn)用。極小值原理和等效燃油消耗最小策略屬于瞬時(shí)優(yōu)化策略，本質(zhì)上為龐特里亞金極小值原理。能夠根據(jù)工況在線調(diào)節(jié)協(xié)態(tài)變量和等效因子，故能夠在車輛上實(shí)時(shí)運(yùn)用。

本文針對(duì)混合動(dòng)力礦用自卸車，設(shè)計(jì)一種ECMS 能量管理控制策略，提高了礦用自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 混合動(dòng)力礦用自卸車系統(tǒng)構(gòu)型與建模

2.1 系統(tǒng)構(gòu)型

混合動(dòng)力礦用自卸車系統(tǒng)構(gòu)型如圖1 所示。該系統(tǒng)采用雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)，具有發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1 電機(jī)、MG2 電機(jī)、離合器CL1和制動(dòng)器CL2 組成，可實(shí)現(xiàn)兩擋變速功能，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出如下：

圖1 混合動(dòng)力礦用自卸車系統(tǒng)構(gòu)型

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是極其復(fù)雜的過程，故發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和輸出轉(zhuǎn)矩通過查表獲得。

式中，b為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，g/(kWh)；α 為發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量，取值范圍為[0,1]。

2.3 動(dòng)力電池模型

動(dòng)力電池模型采用等效電阻模型，電池開路電壓和內(nèi)阻通過SoC 查表獲得，電池電流和電池SoC 計(jì)算如下：

式中，V、Q、R分別為動(dòng)力電池開路電壓、額定容量和內(nèi)阻，均為SoC 的表格函數(shù)；P、SoC分別為電池輸出功率和SoC 初始值。

2.4 整車動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，車輛行駛時(shí)受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力，縱向動(dòng)力學(xué)方程如下：

式中，T為變速器輸出扭矩，i為主減速比，α 為道路坡度角，δ 為旋轉(zhuǎn)慣量系數(shù)，r 為車輛半徑。

3 ECMS 能量管理控制策略

3.1 ECMS 原理

ECMS 的核心是將電池消耗的電量等效為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算到總油耗中，將其作為目標(biāo)函數(shù)。通過合理地分配發(fā)動(dòng)機(jī)與電池功率，在每一時(shí)刻使得目標(biāo)函數(shù)取得最小值。目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中，為變換后的等效因子，、、分別為動(dòng)力電池開路電壓、額定容量和內(nèi)阻。其中，和可通過查表獲得。

3.2 ECMS 實(shí)現(xiàn)方法

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線

對(duì)于ECMS 目標(biāo)函數(shù)，將電池功率作為控制變量()，在系統(tǒng)工作范圍內(nèi)搜尋所有電池可輸出功率，找出使得等效油耗最低的電池功率，即為最優(yōu)功率值，即

式中，為最優(yōu)控制變量，Ω 為控制變量的容許可達(dá)集。同時(shí)，為了保征系統(tǒng)各部件的物理極限，系統(tǒng)各部件約束方程為：

式（11）表明了發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1 電機(jī)、MG2 電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、電池功率、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電池電量需在上下限范圍內(nèi)工作。

對(duì)于HEV 車輛，為保持電量平衡，在一段有限時(shí)長(zhǎng)[，t]內(nèi)，應(yīng)保證初始SoC值等于終端SoC 值，即

4 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建混合動(dòng)力礦用自卸車前向仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。輸入的礦山工況考慮礦用自卸車實(shí)際工作情況，包括滿載上坡和空載上坡兩個(gè)階段，滿載質(zhì)量為55t，空載質(zhì)量為23t，行駛總里程為11.5km，上坡里程為5.1km，下坡里程為7.4km。

4.1 SoC 變化分析

SoC 變化曲線如圖3 所示。前965s 為滿載上坡工況，電池SoC 從0.6 開始逐漸下降，當(dāng)上坡工況結(jié)束時(shí)，SoC 下探至0.505。1140s-2000s 為空載下坡工況，1140s-1644s為平路和坡度較小的下山路段，車輛仍處于驅(qū)動(dòng)行駛狀態(tài)，電量從0.505 變化至0.488。1645s-1900s 為坡度較大的下長(zhǎng)坡路段，車輛處于能量回收模式，電池電量從0.488 上升至0.6，與初始值相等，保證了SoC 的平衡。此時(shí)，等效因子λ 取值為-7991。

圖3 SOC 變化曲線

4.2 油耗分析

兩種策略下整車油耗如表1 所示。

表1 兩種控制策略下油耗對(duì)比

等效百公里油耗等于發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與電池折算油耗之和，其中電池折算油耗通過下式計(jì)算：

可以看出，相對(duì)于基于規(guī)則的策略，ECMS 策略下車輛等效油耗降低了11.69%。同時(shí)，由于ECMS 策略結(jié)束時(shí)電池SoC 與初始一致，故電池折算的油耗為0。而基于規(guī)則的策略初始SoC 與終端SoC 并不相等，故產(chǎn)生了3.41L/100km的電池油耗。

5 結(jié)論

本文基于等有效燃油消耗最小原理設(shè)計(jì)混合動(dòng)力礦用自卸車能量管理控制策略。首先建立發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池、車輛動(dòng)力學(xué)模型等部件模型，將所建立的部件模型進(jìn)行集成，從而構(gòu)建混合動(dòng)力礦用自卸車前向仿真模型。采用一種基于ECMS 的能量管理控制策略，在每一時(shí)刻求解出最優(yōu)電池與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的分配方式，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線解析出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。與基于規(guī)則的策略進(jìn)行比較，所設(shè)計(jì)的ECMS 策略能夠有效保持電池SoC 平衡，且燃油經(jīng)濟(jì)性可提高11.69%。