混合动力矿用电动轮自卸车能量管理策略研究

陈凌建，唐勋路，何成昭，刘辉荣，闫小宇

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

矿用电动轮自卸车是一种在露天矿山、水电工程上用来运输矿石、泥土石料的非公路用车辆。按传动形式来划分，电动轮自卸车有机械传动和电传动两种结构，目前百吨级以上的大型自卸车普遍采用电传动的方式［1-2］。不同于公路车辆，自卸车具有单个周期运程较短、载荷变化大、运输道路坡度变化大等工作特点；但随着电传动自卸车在矿山的广泛使用，车辆能耗大、排放超标等问题也逐渐暴露。因此，采用混合动力技术来改善电传动自卸车能源利用问题成为采矿行业发展重要方向［3-4］。冯彦彪［5］对混合动力自卸车进行了性能和燃油成本分析，其研究结果表明混合动力自卸车的排放性能和燃油经济性相较于普通电动轮自卸车都有较大改善。混合动力系统能否达到理想节能效果的关键因素是其多种动力源的能量管理控制技术。对于混合动力系统的能量管理策略问题，按照其实现方式可概括为基于规则的能量管理策略和基于优化方法的能量管理策略两类［6-7］。前者设定主要参考实际工程经验、柴油机最优工作区域及离线优化策略等几个方面；后者则通过定义能量成本函数并结合约束条件，实现控制目标的最优。按照优化类型，基于优化方法的能量管理策略又可分为瞬时优化、局部优化、近似最优和全局最优4类。

目前，国内外对混合动力系统的研究和应用主要集中于乘用车和客车领域［8-12］，而针对混合动力电动轮自卸车的应用还处于初始研究阶段。为改善电动轮自卸车的能耗问题，本文以某150 t规格混合动力自卸车为研究对象，对其混合动力系统构成、工作模式、行驶工况进行了分析。考虑到电动轮自卸车运输路线固定、运输过程中载荷变化大的行驶工况特点，本文提出一种基于工况识别的能量管理策略，并以燃油消耗最小为目标，利用等效燃油消耗最小策略（ECMS）对混合动力系统的功率分配进行优化。

1 矿用电动轮自卸车混合动力系统

本文以某150 t规格矿用电动轮自卸车为研究对象。该车自重102 t，满载总质量252 t，其混合动力系统主要由动力转换系统、整流器、电池辅助系统、牵引系统和轮边减速装置等部分组成（图1）。其中，动力转换系统由柴油机-发电机组及励磁控制器组成；电池辅助系统由动力电池、双向DC/DC单元及电池管理系统等组成；牵引系统主要包括逆变器、牵引电动机及逆变控制器等。动力转换系统、电池辅助系统和牵引系统三者之间都没有机械结构上的直接连接，而是通过电能进行耦合，三者的工作性能和协同性影响混合动力系统的整体性能。

图1 混合动力矿用电动轮自卸车混合动力系统构成Fig.1 System composition of hybrid power mine electric-wheel dump truck

1.1 混合动力系统工作模式

该混合动力自卸车牵引系统的主电路拓扑如图2所示。柴油机驱动同步无刷励磁发电机发出的交流电，由二极管整流器整流，通过支撑电容器滤波后，变换成平滑的直流电。主传动系统采用共直流母线拓扑，包含共直流母线的两组逆变单元。2台驱动电机各由一组逆变单元提供的VVVF电源驱动。整车制动时，制动能量通过DC/DC单元回馈到电池系统或者用于驱动辅助散热系统；整车牵引工况下，电池系统将提供能量给主传动牵引系统及辅助散热系统。

图2 150 t规格混合动力矿用电动轮自卸车牵引系统主电路原理框图Fig.2 Main circuit schematic diagram of the traction system of 150 t hybrid power mine electric-wheel dump truck

整车控制系统通过对励磁单元、逆变器和DC/DC单元等进行控制，可使电动轮自卸车工作在不同模式。电动轮自卸车工作模式包括增程式充电、柴油机-发电机组驱动、混合驱动、行车充电和再生制动5种。不同工作模式下电动轮自卸车的能量流动状态如下：

（1）增程式充电模式（图3）。在增程式充电工作模式下，柴油机-发电机组发出的交流电经过整流器、双向DC/DC模块直接给动力电池充电。

图3 增程式充电模式Fig.3 Range extend charging mode

（2）柴油机-发电机组驱动模式。如图4所示，当电动轮自卸车处于柴油机-发电机组驱动模式时，柴油机-发电机组是驱动电机的唯一能量来源，动力电池仅为散热风机提供电能。

图4 柴油机-发电机组驱动模式Fig.4 Pure engine-generator drive mode

（3）混合动力驱动模式。当电动轮自卸车处于混合驱动模式时，驱动电机的能量来源有2种：一种是以柴油机-发电机组提供的电能为主；另一种为动力电池，其不仅为散热风机提供电能，也会向驱动电机提供能量以弥补柴油机-发电机组的供能不足。混合动力驱动模式下的能量流动如图5所示。

图5 混合动力驱动模式Fig.5 Hybrid power drive mode

（4）行车充电模式。电动轮自卸车在行车充电模式下，柴油机-发电机组不仅为整车驱动及其辅助系统运行提供能量，还将一部分电能通过双向DC/DC模块传输至动力电池对其进行充电，如图6所示。

图6 行车充电模式Fig.6 Driving charging mode

（5）再生制动模式。当电动轮自卸车制动时，混合动力系统控制驱动电机工作在发电机状态，将整车的动能和势能（下坡过程中）转化为电能并输入直流母线，再经双向DC/DC模块对动力电池充电，从而实现能量的吸收储存，其能量流动如图7所示。

图7 再生制动模式Fig.7 Regenerative braking mode

1.2 混合动力矿用电动轮自卸车行驶工况分析

本文所研究的混合动力电动轮自卸车主要应用于露天矿区常见的“重载上坡、空载下坡”工况中，其一个循环工况可描述为：从装载点重载启动出发，经历长时间持续爬坡，到达卸载点卸货；然后从卸载点空载启动，经历长时间持续下坡，回到装载点再次装载，开始下一个工作循环，如图8。

图8 矿用电动轮自卸车的典型工作循环Fig.8 Typical working cycle of mine electric-wheel dump truck

电动轮自卸车的一个工作循环可被划分为重载运输、停车作业和空载运输3个作业阶段：

（1）在重载运输阶段，电动轮自卸车主要行驶工况为重载平路和重载爬坡，对驱动功率和驱动转矩需求较大。

（2）车辆在卸载点卸载以及在装载点装载为停车作业阶段。在此阶段中，电动轮自卸车虽然无持续行驶要求，但也需要随时调整位置，并且举升、放下车厢需确保液压系统能正常工作，因而车辆仍然对输出功率有一定需求，会长时间处于停车怠速工况。

（3）在空载运输阶段，电动轮自卸车主要工况为空载平路和空载下坡，车辆大多时间处于制动状态，对驱动功率需求较小。

鉴于电动轮自卸车的行驶工况有上述特点，且车辆在不同工况下的功率需求存在明显差异，本文提出一种可依据电动轮自卸车当前的行驶工况进行混合动力系统能量管理的策略，即混合动力系统在不同行驶工况下采用不同工作模式。

2 混合动力矿用电动轮自卸车能量管理策略

本文提出根据电动轮自卸车的不同行驶工况特征，设计了混合动力系统工作模式切换条件；结合柴油机燃油消耗率曲线，确定混合动力系统各个工作模式下的能量分配策略，并采用等效燃油消耗最小策略进一步实现柴油机与动力电池这两个动力源的能量最优分配。

2.1 混合动力系统工作模式切换设计

混合动力系统的控制单元依据加速踏板开度La、制动踏板开度Lb、车速、车辆载荷情况和电池剩余电量（state-of-charge，SOC）等对矿用电动轮自卸车行驶工况进行判断识别，并针对不同的行驶工况匹配相应的混合动力系统工作模式。具体的工作模式切换条件如表1所示。

表1 混合动力矿用电动轮自卸车工作模式切换条件Tab.1 Operating mode conversion strategy of hybrid power mine electric-wheel dump truck

2.2 基于工况识别的柴油机输出功率控制

本文所研究的混合动力自卸车的柴油机燃油消耗率曲线如图9所示。由图可知，柴油机转速一定时，外部负载功率越低，燃油消耗率越高，柴油机工作效率也越低。因此，柴油机功率分配（即柴油机-发电机组功率分配）的总体原则是尽可能使其工作在该转速下的高效区域。即当整车的功率需求确定后，系统算法控制双向DC/DC模块向动力电池分配功率（充电功率或者放电功率），调整柴油机-发电机组输出功率，使柴油机始终工作在最佳燃油消耗率曲线（图中红色曲线）附近。本文依据工程经验，设计基于工况识别的混合动力系统功率分配方式。

图9 柴油机燃油消耗率曲线Fig.9 Fuel consumption rate curves of the engine

2.2.1 停车怠速

当电动轮自卸车处于停车作业阶段时，整车功率需求较小（主要供整车液压系统和散热风机运转），此时柴油机怠速运转且负载功率很低，不具备燃油经济性，因此混合动力系统可采取DC/DC模块给动力电池充电的方式，以提高柴油机的输出功率，使柴油机运行在更优的燃油消耗率状态。柴油机产生的剩余能量被暂时存储在动力电池中，待整车有较大功率需求时再消耗掉，即混合动力系统工作在增程式充电模式。此模式下，能量分配策略为

式中：Pe，opt——当前转速下柴油机按照最佳燃油消耗率曲线输出的功率；Preq——当前整车需求功率；Pb_chr，cmd——电池充电指令功率。

2.2.2 滑行

电动轮自卸车以一定车速运行时，驾驶员在某些情况下会丢油门（即加速踏板开度La为零），此时车辆处于滑行工况，柴油机转速将会由高转速降到怠速转速。因无牵引功率需求，此时柴油机的负载功率很低，柴油机效率很低。因此，在电动轮自卸车进入滑行工况时，可采取DC/DC模块给动力电池充电的方式，以提高柴油机的输出功率，使柴油机工作在效率高的状态下。此时混合动力系统工作在增程式充电模式。

2.2.3 重载平路

电动轮自卸车在重载平路工况下，混合动力系统以柴油机-发电机驱动模式运行，此时车辆的牵引功率优先由柴油机提供，电池能量主要用于散热风机正常运转和调节整车需求功率的动态波动。此模式下，能量分配策略为

式中：Pb，cmd——电池动态调节输出功率；Pdri——牵引功率；Pb_disc，cmd——电池放电指令功率；Phyd——整车液压系统消耗功率；Paux——辅助风机消耗功率。

2.2.4 重载爬坡

整个运输路段电动轮自卸车的最大功率需求出现在重载爬坡工况下。此时，混合动力系统进入混合驱动模式，即柴油机-发电机和电池皆输出功率，以满足整车功率需求，其能量分配策略如下：

2.2.5 空载平路

空载平路工况下，电动轮自卸车以较小加速踏板开度（10%~30%）、恒车速运行，柴油机转速在1 200 r/min左右；在满足牵引功率条件下，富余的功率用于电池充电，电池充电功率在100~300 kW之间，即混合动力系统工作在行车充电模式。此模式下，能量分配策略为

2.2.6 空载下坡

空载下坡工况下，电动轮自卸车通常需进行电制动，驱动电机回馈能量，此时混合动力系统进入再生制动模式：通过DC/DC模块对电池充电，进行回馈能量的吸收存储，以达到节能效果。电制动时回馈功率大，电池通过满功率充电对能量充分吸收，即：

式中：Pb_chr，max——电池最大充电功率；Pbra——驱动电机制动回馈能量。

2.3 基于ECMS的能量管理策略优化

混合动力系统采用基于工况识别的功率分配方式时，主要是根据工程经验对柴油机输出功率进行控制，使柴油机在不同工况下保持良好的燃油经济性。但电动轮自卸车在停车怠速、滑行、重载爬坡、空载平路工况下，柴油机输出功率、电池充电或放电功率的分配仍然存在较大的优化空间，即未实现整个混合动力系统的最优功率分配。为此，本文运用等效燃油消耗最小策略对基于工况识别的柴油机输出功率控制策略进行优化，以实现不同行驶工况下柴油机与动力电池能量分配的最优化，从而进一步提高混合动力自卸车的燃油经济性。等效燃油消耗最小策略主要包含等效燃油消耗和瞬时功率分配两部分计算。

2.3.1 等效燃油消耗函数

定义目标函数J为等效燃油消耗函数，其由燃油消耗和电能的等效燃油消耗构成，计算公式如下：

式中：re——柴油机燃油消耗，g/s；rbat——电池等效燃油消耗，g/s。

在该混合动力系统中，电池在放电状态下消耗的电能需在后续工况进行充电补充，因而电池当前所消耗的能量应该与电池充电能量相等，即：

式中：Pbat——电池功率，kW；be——柴油机燃油消耗率，g/（kW·h）；ηe——柴油机效率；ηge——发电机效率；ηDRU——整流单元效率；ηDC——DC/DC模块效率；ηb_use——涉及电池充放电时电池的工作效率，其值取决于电池工作模式，如式（9）所示。

式中：ηb_chr——电池充电效率；ηb_disc——电池放电效率。

由式（7）和式（8）可得出等效燃油消耗函数为

式中：λ——电池的等效燃油消耗因子，λ=

2.3.2 瞬时功率分配策略

在满足柴油机功率和电池功率限值条件下，系统根据电动轮自卸车任一时刻的行驶工况及整车需求功率，解析出柴油机与动力电池的瞬时功率最优分配值，使瞬时的等效燃油消耗最低。图10示出最优功率分配策略，具体过程如下：

图10 最优功率分配策略Fig.10 Strategy of optimal power allocation

（1）根据当前柴油机转速确定控制量（即柴油机输 出 功 率 范 围）u(t)∈{max(Preq-Pbat，max，Pe，opt-ε)，min(Preq+Pbat，max，Pe，opt+ε)}，其中Pbat，max为电池功率限值，Pe，opt±ε（ε>0）为柴油机最佳燃油消耗率曲线控制域；并定义ΔPe为柴油机功率搜索间隔。

（2）根据当前的柴油机工作状态（瞬时转速、转矩等）计算当前柴油机燃油消耗re(t).。

（3）根据整车需求功率和柴油机输出功率Pe，计算当前电池功率Pbat。

（4）根据式（10）得到当前柴油机和电池工作状态下的等效燃油消耗。

（5）从所有可能的柴油机和电池工作状态组合中找到等效油耗最低时的功率分配。

整个瞬时功率分配算法执行周期为100 μs，满足实时控制需求。

3 矿区道路运行试验及结果分析

为进一步验证本文基于工况识别和等效燃油消耗最小的能量管理优化策略，对该混合动力电动轮自卸车进行矿区道路运行试验。

3.1 能量管理策略验证

对矿区行驶工况下混合动力电动轮自卸车能量管理策略进行验证，所采集的行程数据如图11所示。从图11（a）可以看出，加速踏板开度的变化曲线良好地跟随了整车功率需求曲线：

图11 矿区行驶工况下混合动力电动轮自卸车能量管理策略验证Fig.11 Verification of the energy management strategy for hybrid power mine electric-wheel dump truck

（1）整车需求功率在600～800 kW（中等功率需求）时加速踏板开度普遍在40%～60%范围内（如图中区域①）；

（2）整车需求功率在200 kW以下（极小功率需求）时，加速踏板开度也极小，几乎为0（如图中区域②）；

（3）整车有900 kW以上较大功率需求时，加速踏板开度基本超过80%（如图中区域⑥）。

上述分析显示，加速踏板开度可较好地反映整车功率需求，这说明以加速踏板开度信号作为整车工况识别的依据具有可行性。

图11（b）展示了电动轮自卸车在此段行驶工况中柴油机功率与电池功率的变化。其中，电池功率正值、负值分别代表电池的放电功率和充电功率。在此段行驶工况中，电动轮自卸车的电池SOC和DC/DC模块输出电流的变化如图11（c）所示。由图可见：

（1）加速踏板开度在40%~60%范围（区域①）时，整车功率主要由柴油机提供，电池的放电功率为26~35 kW，仅为散热风机运转提供电能，表明混合动力系统为柴油机-发电机组驱动模式，此时电池SOC处于维持或下降阶段。

（2）区域②为（电）制动工况，此时混合动力系统迅速进入再生制动模式。为尽可能多地存储驱动电机回馈的巨大制动能量，电池先短时以最大充电功率（300 kW）充电，随后以恒定功率220 kW进行持续充电。再生制动模式下，电池SOC处于上升阶段。

（3）区域④中整车需求功率极小，电池主要处于充电状态，首先以300 kW功率短时充电，随后以约135 kW的功率持续充电。实际上此时间段内自卸车处于长下坡工况，驾驶员先投入了电制动踏板信号以减缓车速，随后释放电制动踏板，整车处于滑行状态，柴油机输出功率主要为电池充电，电池SOC处于维持或上升阶段。

（4）当加速踏板开度超过80%时（区域⑥），混合动力系统则进入混合驱动模式，此时柴油机工作在高负荷状态，同时电池输出较大放电功率以满足整车功率需求，电池SOC处于下降阶段。

综上可以看出，整车控制较好地执行了所设计的基于工况识别的能量管理策略。

3.2 柴油机油耗分析

图12给出了电动轮自卸车在上述矿区道路运行试验中柴油机的实际工作点（图中黄色点）。由图可见：

图12 矿区行驶工况下柴油机的工作点Fig.12 Working points of engine in real mining area road

（1）柴油机大部分工况点处于设计的最佳燃油消耗率曲线附近。

（2）有少部分工况点偏离了最佳燃油消耗率曲线，位于燃油经济性较差的区域。这些工况点主要出现在柴油机启动和停机过程中转矩总体较低水平时以及混合动力系统进行模式切换时的动态调节阶段。

根据矿区道路运行试验所采集的数据计算电动轮自卸车的燃油消耗。采用该能量管理策略时，车辆平均每趟运输工况的燃油消耗为45.52 L，相较于纯柴油机模式（运输工况全程仅柴油机输出功率的模式）平均每趟运输工况燃油消耗的50.68 L，整车燃油经济性提高了10.2%。

4 结语

为提高混合动力电动轮自卸车的燃油经济性，本文结合其运输工况特点和柴油机特性曲线设计了基于工况识别的能量管理策略，并在此基础上采用等效燃油消耗最小策略对其混合动力系统的瞬时功率分配进行优化。电动轮自卸车的矿区道路运行试验表明，采用该能量管理策略可实现柴油机燃油能量和电池能量的合理利用，柴油机基本能保持运行于高效率区域，与原纯柴油机模式电动轮自卸车相比，该混合动力自卸车可实现10.2%的节油，从实际应用角度证明了该能量管理策略的实用性和有效性。

为进一步提升电动轮自卸车在整个工作循环中的能量利用效率，在后续研究中，可针对矿区运输工况建立矿用自卸车的循环工况；并采用基于全局最优的能量管理策略，更加充分地考虑电池SOC的使用区间。