基于ECMS 的混合动力矿用自卸车能量管理控制策略

刘鸿远 吴磊 王其松 周司雪

盐城工业职业技术学院 江苏省盐城市 224005

1 引言

非公路矿用自卸车是矿区生产作业的主要交通设备，用于露天采矿和物料运输。由于矿区工况恶劣、装载量巨大，燃油成本占据了矿车全部成本的一半以上。混合动力技术能够显著降低矿用车辆的运营成本，是当前电动化背景下解决车辆高污染、高能耗的有效手段。功率分流式混合动力汽车属于混联架构，其核心装置为行星齿轮机构，动力装置包括发动机、发电机和电动机，能够通过双电机实现发动机与输出轴解耦，故该系统兼具串联式和并联式混合动力的优点。

能量管理是混合动力汽车所研究的核心问题，是在保证动力性的前提下合理分配发动机与电机之间的功率/扭矩，以提高燃油经济性。主要包括：基于规则策略、动态规划（DP）、极小值原理（PMP）和等效燃油消耗最小策略（ECMS）。基于规则的策略依赖于工程经验，无法达到最优控制效果。动态规划属于全局优化策略，虽然能够获得全局最优解，但是需要提前知道车辆行驶工况，且计算量巨大，容易产生“维数灾难”故无法在实车上运用。极小值原理和等效燃油消耗最小策略属于瞬时优化策略，本质上为庞特里亚金极小值原理。能够根据工况在线调节协态变量和等效因子，故能够在车辆上实时运用。

本文针对混合动力矿用自卸车，设计一种ECMS 能量管理控制策略，提高了矿用自卸车的燃油经济性。

2 混合动力矿用自卸车系统构型与建模

2.1 系统构型

混合动力矿用自卸车系统构型如图1 所示。该系统采用双排行星齿轮机构，具有发动机、MG1 电机、MG2 电机、离合器CL1和制动器CL2 组成，可实现两挡变速功能，传动系统输出如下：

图1 混合动力矿用自卸车系统构型

2.2 发动机模型

考虑到发动机燃烧是极其复杂的过程，故发动机模型采用实验方法，发动机燃油消耗率和输出转矩通过查表获得。

式中，b为发动机燃油消耗率，g/(kWh)；α 为发动机喷油量，取值范围为[0,1]。

2.3 动力电池模型

动力电池模型采用等效电阻模型，电池开路电压和内阻通过SoC 查表获得，电池电流和电池SoC 计算如下：

式中，V、Q、R分别为动力电池开路电压、额定容量和内阻，均为SoC 的表格函数；P、SoC分别为电池输出功率和SoC 初始值。

2.4 整车动力学模型

根据牛顿运动定律，车辆行驶时受到滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力，纵向动力学方程如下：

式中，T为变速器输出扭矩，i为主减速比，α 为道路坡度角，δ 为旋转惯量系数，r 为车辆半径。

3 ECMS 能量管理控制策略

3.1 ECMS 原理

ECMS 的核心是将电池消耗的电量等效为发动机油耗计算到总油耗中，将其作为目标函数。通过合理地分配发动机与电池功率，在每一时刻使得目标函数取得最小值。目标函数可表示为：

式中，为变换后的等效因子，、、分别为动力电池开路电压、额定容量和内阻。其中，和可通过查表获得。

3.2 ECMS 实现方法

图2 发动机最优工作曲线

对于ECMS 目标函数，将电池功率作为控制变量()，在系统工作范围内搜寻所有电池可输出功率，找出使得等效油耗最低的电池功率，即为最优功率值，即

式中，为最优控制变量，Ω 为控制变量的容许可达集。同时，为了保征系统各部件的物理极限，系统各部件约束方程为：

式（11）表明了发动机、MG1 电机、MG2 电机转速和转矩、电池功率、发动机功率、电池电量需在上下限范围内工作。

对于HEV 车辆，为保持电量平衡，在一段有限时长[，t]内，应保证初始SoC值等于终端SoC 值，即

4 仿真结果分析

在Matlab/Simulink 环境下搭建混合动力矿用自卸车前向仿真模型，进行仿真实验。输入的矿山工况考虑矿用自卸车实际工作情况，包括满载上坡和空载上坡两个阶段，满载质量为55t，空载质量为23t，行驶总里程为11.5km，上坡里程为5.1km，下坡里程为7.4km。

4.1 SoC 变化分析

SoC 变化曲线如图3 所示。前965s 为满载上坡工况，电池SoC 从0.6 开始逐渐下降，当上坡工况结束时，SoC 下探至0.505。1140s-2000s 为空载下坡工况，1140s-1644s为平路和坡度较小的下山路段，车辆仍处于驱动行驶状态，电量从0.505 变化至0.488。1645s-1900s 为坡度较大的下长坡路段，车辆处于能量回收模式，电池电量从0.488 上升至0.6，与初始值相等，保证了SoC 的平衡。此时，等效因子λ 取值为-7991。

图3 SOC 变化曲线

4.2 油耗分析

两种策略下整车油耗如表1 所示。

表1 两种控制策略下油耗对比

等效百公里油耗等于发动机油耗与电池折算油耗之和，其中电池折算油耗通过下式计算：

可以看出，相对于基于规则的策略，ECMS 策略下车辆等效油耗降低了11.69%。同时，由于ECMS 策略结束时电池SoC 与初始一致，故电池折算的油耗为0。而基于规则的策略初始SoC 与终端SoC 并不相等，故产生了3.41L/100km的电池油耗。

5 结论

本文基于等有效燃油消耗最小原理设计混合动力矿用自卸车能量管理控制策略。首先建立发动机、电机、动力电池、车辆动力学模型等部件模型，将所建立的部件模型进行集成，从而构建混合动力矿用自卸车前向仿真模型。采用一种基于ECMS 的能量管理控制策略，在每一时刻求解出最优电池与发动机功率的分配方式，并基于发动机最优工作曲线解析出目标转矩与转速。与基于规则的策略进行比较，所设计的ECMS 策略能够有效保持电池SoC 平衡，且燃油经济性可提高11.69%。