混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車能量管理策略研究

陳凌建，唐勛路，何成昭，劉輝榮，閆小宇

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

礦用電動(dòng)輪自卸車是一種在露天礦山、水電工程上用來(lái)運(yùn)輸?shù)V石、泥土石料的非公路用車輛。按傳動(dòng)形式來(lái)劃分，電動(dòng)輪自卸車有機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)，目前百噸級(jí)以上的大型自卸車普遍采用電傳動(dòng)的方式［1-2］。不同于公路車輛，自卸車具有單個(gè)周期運(yùn)程較短、載荷變化大、運(yùn)輸?shù)缆菲露茸兓蟮裙ぷ魈攸c(diǎn)；但隨著電傳動(dòng)自卸車在礦山的廣泛使用，車輛能耗大、排放超標(biāo)等問題也逐漸暴露。因此，采用混合動(dòng)力技術(shù)來(lái)改善電傳動(dòng)自卸車能源利用問題成為采礦行業(yè)發(fā)展重要方向［3-4］。馮彥彪［5］對(duì)混合動(dòng)力自卸車進(jìn)行了性能和燃油成本分析，其研究結(jié)果表明混合動(dòng)力自卸車的排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性相較于普通電動(dòng)輪自卸車都有較大改善?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)能否達(dá)到理想節(jié)能效果的關(guān)鍵因素是其多種動(dòng)力源的能量管理控制技術(shù)。對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略問題，按照其實(shí)現(xiàn)方式可概括為基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化方法的能量管理策略兩類［6-7］。前者設(shè)定主要參考實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、柴油機(jī)最優(yōu)工作區(qū)域及離線優(yōu)化策略等幾個(gè)方面；后者則通過(guò)定義能量成本函數(shù)并結(jié)合約束條件，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的最優(yōu)。按照優(yōu)化類型，基于優(yōu)化方法的能量管理策略又可分為瞬時(shí)優(yōu)化、局部?jī)?yōu)化、近似最優(yōu)和全局最優(yōu)4類。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究和應(yīng)用主要集中于乘用車和客車領(lǐng)域［8-12］，而針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車的應(yīng)用還處于初始研究階段。為改善電動(dòng)輪自卸車的能耗問題，本文以某150 t規(guī)格混合動(dòng)力自卸車為研究對(duì)象，對(duì)其混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成、工作模式、行駛工況進(jìn)行了分析?？紤]到電動(dòng)輪自卸車運(yùn)輸路線固定、運(yùn)輸過(guò)程中載荷變化大的行駛工況特點(diǎn)，本文提出一種基于工況識(shí)別的能量管理策略，并以燃油消耗最小為目標(biāo)，利用等效燃油消耗最小策略（ECMS）對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配進(jìn)行優(yōu)化。

1 礦用電動(dòng)輪自卸車混合動(dòng)力系統(tǒng)

本文以某150 t規(guī)格礦用電動(dòng)輪自卸車為研究對(duì)象。該車自重102 t，滿載總質(zhì)量252 t，其混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、整流器、電池輔助系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和輪邊減速裝置等部分組成（圖1）。其中，動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組及勵(lì)磁控制器組成；電池輔助系統(tǒng)由動(dòng)力電池、雙向DC/DC單元及電池管理系統(tǒng)等組成；牽引系統(tǒng)主要包括逆變器、牽引電動(dòng)機(jī)及逆變控制器等。動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電池輔助系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)三者之間都沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)上的直接連接，而是通過(guò)電能進(jìn)行耦合，三者的工作性能和協(xié)同性影響混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能。

圖1 混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition of hybrid power mine electric-wheel dump truck

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

該混合動(dòng)力自卸車牽引系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)同步無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，由二極管整流器整流，通過(guò)支撐電容器濾波后，變換成平滑的直流電。主傳動(dòng)系統(tǒng)采用共直流母線拓?fù)洌仓绷髂妇€的兩組逆變單元。2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各由一組逆變單元提供的VVVF電源驅(qū)動(dòng)。整車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量通過(guò)DC/DC單元回饋到電池系統(tǒng)或者用于驅(qū)動(dòng)輔助散熱系統(tǒng)；整車牽引工況下，電池系統(tǒng)將提供能量給主傳動(dòng)牽引系統(tǒng)及輔助散熱系統(tǒng)。

圖2 150 t規(guī)格混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車牽引系統(tǒng)主電路原理框圖Fig.2 Main circuit schematic diagram of the traction system of 150 t hybrid power mine electric-wheel dump truck

整車控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)勵(lì)磁單元、逆變器和DC/DC單元等進(jìn)行控制，可使電動(dòng)輪自卸車工作在不同模式。電動(dòng)輪自卸車工作模式包括增程式充電、柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行車充電和再生制動(dòng)5種。不同工作模式下電動(dòng)輪自卸車的能量流動(dòng)狀態(tài)如下：

（1）增程式充電模式（圖3）。在增程式充電工作模式下，柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流器、雙向DC/DC模塊直接給動(dòng)力電池充電。

圖3 增程式充電模式Fig.3 Range extend charging mode

（2）柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)模式。如圖4所示，當(dāng)電動(dòng)輪自卸車處于柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的唯一能量來(lái)源，動(dòng)力電池僅為散熱風(fēng)機(jī)提供電能。

圖4 柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)模式Fig.4 Pure engine-generator drive mode

（3）混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)電動(dòng)輪自卸車處于混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量來(lái)源有2種：一種是以柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供的電能為主；另一種為動(dòng)力電池，其不僅為散熱風(fēng)機(jī)提供電能，也會(huì)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量以彌補(bǔ)柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組的供能不足。混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下的能量流動(dòng)如圖5所示。

圖5 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式Fig.5 Hybrid power drive mode

（4）行車充電模式。電動(dòng)輪自卸車在行車充電模式下，柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組不僅為整車驅(qū)動(dòng)及其輔助系統(tǒng)運(yùn)行提供能量，還將一部分電能通過(guò)雙向DC/DC模塊傳輸至動(dòng)力電池對(duì)其進(jìn)行充電，如圖6所示。

圖6 行車充電模式Fig.6 Driving charging mode

（5）再生制動(dòng)模式。當(dāng)電動(dòng)輪自卸車制動(dòng)時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將整車的動(dòng)能和勢(shì)能（下坡過(guò)程中）轉(zhuǎn)化為電能并輸入直流母線，再經(jīng)雙向DC/DC模塊對(duì)動(dòng)力電池充電，從而實(shí)現(xiàn)能量的吸收儲(chǔ)存，其能量流動(dòng)如圖7所示。

圖7 再生制動(dòng)模式Fig.7 Regenerative braking mode

1.2 混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車行駛工況分析

本文所研究的混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車主要應(yīng)用于露天礦區(qū)常見的“重載上坡、空載下坡”工況中，其一個(gè)循環(huán)工況可描述為：從裝載點(diǎn)重載啟動(dòng)出發(fā)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)爬坡，到達(dá)卸載點(diǎn)卸貨；然后從卸載點(diǎn)空載啟動(dòng)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)下坡，回到裝載點(diǎn)再次裝載，開始下一個(gè)工作循環(huán)，如圖8。

圖8 礦用電動(dòng)輪自卸車的典型工作循環(huán)Fig.8 Typical working cycle of mine electric-wheel dump truck

電動(dòng)輪自卸車的一個(gè)工作循環(huán)可被劃分為重載運(yùn)輸、停車作業(yè)和空載運(yùn)輸3個(gè)作業(yè)階段：

（1）在重載運(yùn)輸階段，電動(dòng)輪自卸車主要行駛工況為重載平路和重載爬坡，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求較大。

（2）車輛在卸載點(diǎn)卸載以及在裝載點(diǎn)裝載為停車作業(yè)階段。在此階段中，電動(dòng)輪自卸車雖然無(wú)持續(xù)行駛要求，但也需要隨時(shí)調(diào)整位置，并且舉升、放下車廂需確保液壓系統(tǒng)能正常工作，因而車輛仍然對(duì)輸出功率有一定需求，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于停車怠速工況。

（3）在空載運(yùn)輸階段，電動(dòng)輪自卸車主要工況為空載平路和空載下坡，車輛大多時(shí)間處于制動(dòng)狀態(tài)，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率需求較小。

鑒于電動(dòng)輪自卸車的行駛工況有上述特點(diǎn)，且車輛在不同工況下的功率需求存在明顯差異，本文提出一種可依據(jù)電動(dòng)輪自卸車當(dāng)前的行駛工況進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理的策略，即混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同行駛工況下采用不同工作模式。

2 混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車能量管理策略

本文提出根據(jù)電動(dòng)輪自卸車的不同行駛工況特征，設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換條件；結(jié)合柴油機(jī)燃油消耗率曲線，確定混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)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進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與動(dòng)力電池這兩個(gè)動(dòng)力源的能量最優(yōu)分配。

2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制單元依據(jù)加速踏板開度La、制動(dòng)踏板開度Lb、車速、車輛載荷情況和電池剩余電量（state-of-charge，SOC）等對(duì)礦用電動(dòng)輪自卸車行駛工況進(jìn)行判斷識(shí)別，并針對(duì)不同的行駛工況匹配相應(yīng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式。具體的工作模式切換條件如表1所示。

表1 混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸車工作模式切換條件Tab.1 Operating mode conversion strategy of hybrid power mine electric-wheel dump truck

2.2 基于工況識(shí)別的柴油機(jī)輸出功率控制

本文所研究的混合動(dòng)力自卸車的柴油機(jī)燃油消耗率曲線如圖9所示。由圖可知，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，外部負(fù)載功率越低，燃油消耗率越高，柴油機(jī)工作效率也越低。因此，柴油機(jī)功率分配（即柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組功率分配）的總體原則是盡可能使其工作在該轉(zhuǎn)速下的高效區(qū)域。即當(dāng)整車的功率需求確定后，系統(tǒng)算法控制雙向DC/DC模塊向動(dòng)力電池分配功率（充電功率或者放電功率），調(diào)整柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出功率，使柴油機(jī)始終工作在最佳燃油消耗率曲線（圖中紅色曲線）附近。本文依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)基于工況識(shí)別的混合動(dòng)力系統(tǒng)功率分配方式。

圖9 柴油機(jī)燃油消耗率曲線Fig.9 Fuel consumption rate curves of the engine

2.2.1 停車怠速

當(dāng)電動(dòng)輪自卸車處于停車作業(yè)階段時(shí)，整車功率需求較?。ㄖ饕┱囈簤合到y(tǒng)和散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)），此時(shí)柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)且負(fù)載功率很低，不具備燃油經(jīng)濟(jì)性，因此混合動(dòng)力系統(tǒng)可采取DC/DC模塊給動(dòng)力電池充電的方式，以提高柴油機(jī)的輸出功率，使柴油機(jī)運(yùn)行在更優(yōu)的燃油消耗率狀態(tài)。柴油機(jī)產(chǎn)生的剩余能量被暫時(shí)存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，待整車有較大功率需求時(shí)再消耗掉，即混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在增程式充電模式。此模式下，能量分配策略為

式中：Pe，opt——當(dāng)前轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)按照最佳燃油消耗率曲線輸出的功率；Preq——當(dāng)前整車需求功率；Pb_chr，cmd——電池充電指令功率。

2.2.2 滑行

電動(dòng)輪自卸車以一定車速運(yùn)行時(shí)，駕駛員在某些情況下會(huì)丟油門（即加速踏板開度La為零），此時(shí)車輛處于滑行工況，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)由高轉(zhuǎn)速降到怠速轉(zhuǎn)速。因無(wú)牽引功率需求，此時(shí)柴油機(jī)的負(fù)載功率很低，柴油機(jī)效率很低。因此，在電動(dòng)輪自卸車進(jìn)入滑行工況時(shí)，可采取DC/DC模塊給動(dòng)力電池充電的方式，以提高柴油機(jī)的輸出功率，使柴油機(jī)工作在效率高的狀態(tài)下。此時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在增程式充電模式。

2.2.3 重載平路

電動(dòng)輪自卸車在重載平路工況下，混合動(dòng)力系統(tǒng)以柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行，此時(shí)車輛的牽引功率優(yōu)先由柴油機(jī)提供，電池能量主要用于散熱風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)整車需求功率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。此模式下，能量分配策略為

式中：Pb，cmd——電池動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出功率；Pdri——牽引功率；Pb_disc，cmd——電池放電指令功率；Phyd——整車液壓系統(tǒng)消耗功率；Paux——輔助風(fēng)機(jī)消耗功率。

2.2.4 重載爬坡

整個(gè)運(yùn)輸路段電動(dòng)輪自卸車的最大功率需求出現(xiàn)在重載爬坡工況下。此時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，即柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)和電池皆輸出功率，以滿足整車功率需求，其能量分配策略如下：

2.2.5 空載平路

空載平路工況下，電動(dòng)輪自卸車以較小加速踏板開度（10%~30%）、恒車速運(yùn)行，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200 r/min左右；在滿足牽引功率條件下，富余的功率用于電池充電，電池充電功率在100~300 kW之間，即混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在行車充電模式。此模式下，能量分配策略為

2.2.6 空載下坡

空載下坡工況下，電動(dòng)輪自卸車通常需進(jìn)行電制動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回饋能量，此時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入再生制動(dòng)模式：通過(guò)DC/DC模塊對(duì)電池充電，進(jìn)行回饋能量的吸收存儲(chǔ)，以達(dá)到節(jié)能效果。電制動(dòng)時(shí)回饋功率大，電池通過(guò)滿功率充電對(duì)能量充分吸收，即：

式中：Pb_chr，max——電池最大充電功率；Pbra——驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)回饋能量。

2.3 基于ECMS的能量管理策略優(yōu)化

混合動(dòng)力系統(tǒng)采用基于工況識(shí)別的功率分配方式時(shí)，主要是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)柴油機(jī)輸出功率進(jìn)行控制，使柴油機(jī)在不同工況下保持良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。但電動(dòng)輪自卸車在停車怠速、滑行、重載爬坡、空載平路工況下，柴油機(jī)輸出功率、電池充電或放電功率的分配仍然存在較大的優(yōu)化空間，即未實(shí)現(xiàn)整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配。為此，本文運(yùn)用等效燃油消耗最小策略對(duì)基于工況識(shí)別的柴油機(jī)輸出功率控制策略進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)不同行駛工況下柴油機(jī)與動(dòng)力電池能量分配的最優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高混合動(dòng)力自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。等效燃油消耗最小策略主要包含等效燃油消耗和瞬時(shí)功率分配兩部分計(jì)算。

2.3.1 等效燃油消耗函數(shù)

定義目標(biāo)函數(shù)J為等效燃油消耗函數(shù)，其由燃油消耗和電能的等效燃油消耗構(gòu)成，計(jì)算公式如下：

式中：re——柴油機(jī)燃油消耗，g/s；rbat——電池等效燃油消耗，g/s。

在該混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電池在放電狀態(tài)下消耗的電能需在后續(xù)工況進(jìn)行充電補(bǔ)充，因而電池當(dāng)前所消耗的能量應(yīng)該與電池充電能量相等，即：

式中：Pbat——電池功率，kW；be——柴油機(jī)燃油消耗率，g/（kW·h）；ηe——柴油機(jī)效率；ηge——發(fā)電機(jī)效率；ηDRU——整流單元效率；ηDC——DC/DC模塊效率；ηb_use——涉及電池充放電時(shí)電池的工作效率，其值取決于電池工作模式，如式（9）所示。

式中：ηb_chr——電池充電效率；ηb_disc——電池放電效率。

由式（7）和式（8）可得出等效燃油消耗函數(shù)為

式中：λ——電池的等效燃油消耗因子，λ=

2.3.2 瞬時(shí)功率分配策略

在滿足柴油機(jī)功率和電池功率限值條件下，系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)輪自卸車任一時(shí)刻的行駛工況及整車需求功率，解析出柴油機(jī)與動(dòng)力電池的瞬時(shí)功率最優(yōu)分配值，使瞬時(shí)的等效燃油消耗最低。圖10示出最優(yōu)功率分配策略，具體過(guò)程如下：

圖10 最優(yōu)功率分配策略Fig.10 Strategy of optimal power allocation

（1）根據(jù)當(dāng)前柴油機(jī)轉(zhuǎn)速確定控制量（即柴油機(jī)輸 出 功 率 范 圍）u(t)∈{max(Preq-Pbat，max，Pe，opt-ε)，min(Preq+Pbat，max，Pe，opt+ε)}，其中Pbat，max為電池功率限值，Pe，opt±ε（ε>0）為柴油機(jī)最佳燃油消耗率曲線控制域；并定義ΔPe為柴油機(jī)功率搜索間隔。

（2）根據(jù)當(dāng)前的柴油機(jī)工作狀態(tài)（瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）計(jì)算當(dāng)前柴油機(jī)燃油消耗re(t).。

（3）根據(jù)整車需求功率和柴油機(jī)輸出功率Pe，計(jì)算當(dāng)前電池功率Pbat。

（4）根據(jù)式（10）得到當(dāng)前柴油機(jī)和電池工作狀態(tài)下的等效燃油消耗。

（5）從所有可能的柴油機(jī)和電池工作狀態(tài)組合中找到等效油耗最低時(shí)的功率分配。

整個(gè)瞬時(shí)功率分配算法執(zhí)行周期為100 μs，滿足實(shí)時(shí)控制需求。

3 礦區(qū)道路運(yùn)行試驗(yàn)及結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文基于工況識(shí)別和等效燃油消耗最小的能量管理優(yōu)化策略，對(duì)該混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車進(jìn)行礦區(qū)道路運(yùn)行試驗(yàn)。

3.1 能量管理策略驗(yàn)證

對(duì)礦區(qū)行駛工況下混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車能量管理策略進(jìn)行驗(yàn)證，所采集的行程數(shù)據(jù)如圖11所示。從圖11（a）可以看出，加速踏板開度的變化曲線良好地跟隨了整車功率需求曲線：

圖11 礦區(qū)行駛工況下混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車能量管理策略驗(yàn)證Fig.11 Verification of the energy management strategy for hybrid power mine electric-wheel dump truck

（1）整車需求功率在600～800 kW（中等功率需求）時(shí)加速踏板開度普遍在40%～60%范圍內(nèi)（如圖中區(qū)域①）；

（2）整車需求功率在200 kW以下（極小功率需求）時(shí)，加速踏板開度也極小，幾乎為0（如圖中區(qū)域②）；

（3）整車有900 kW以上較大功率需求時(shí)，加速踏板開度基本超過(guò)80%（如圖中區(qū)域⑥）。

上述分析顯示，加速踏板開度可較好地反映整車功率需求，這說(shuō)明以加速踏板開度信號(hào)作為整車工況識(shí)別的依據(jù)具有可行性。

圖11（b）展示了電動(dòng)輪自卸車在此段行駛工況中柴油機(jī)功率與電池功率的變化。其中，電池功率正值、負(fù)值分別代表電池的放電功率和充電功率。在此段行駛工況中，電動(dòng)輪自卸車的電池SOC和DC/DC模塊輸出電流的變化如圖11（c）所示。由圖可見：

（1）加速踏板開度在40%~60%范圍（區(qū)域①）時(shí)，整車功率主要由柴油機(jī)提供，電池的放電功率為26~35 kW，僅為散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供電能，表明混合動(dòng)力系統(tǒng)為柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)電池SOC處于維持或下降階段。

（2）區(qū)域②為（電）制動(dòng)工況，此時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)迅速進(jìn)入再生制動(dòng)模式。為盡可能多地存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)電機(jī)回饋的巨大制動(dòng)能量，電池先短時(shí)以最大充電功率（300 kW）充電，隨后以恒定功率220 kW進(jìn)行持續(xù)充電。再生制動(dòng)模式下，電池SOC處于上升階段。

（3）區(qū)域④中整車需求功率極小，電池主要處于充電狀態(tài)，首先以300 kW功率短時(shí)充電，隨后以約135 kW的功率持續(xù)充電。實(shí)際上此時(shí)間段內(nèi)自卸車處于長(zhǎng)下坡工況，駕駛員先投入了電制動(dòng)踏板信號(hào)以減緩車速，隨后釋放電制動(dòng)踏板，整車處于滑行狀態(tài)，柴油機(jī)輸出功率主要為電池充電，電池SOC處于維持或上升階段。

（4）當(dāng)加速踏板開度超過(guò)80%時(shí)（區(qū)域⑥），混合動(dòng)力系統(tǒng)則進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)柴油機(jī)工作在高負(fù)荷狀態(tài)，同時(shí)電池輸出較大放電功率以滿足整車功率需求，電池SOC處于下降階段。

綜上可以看出，整車控制較好地執(zhí)行了所設(shè)計(jì)的基于工況識(shí)別的能量管理策略。

3.2 柴油機(jī)油耗分析

圖12給出了電動(dòng)輪自卸車在上述礦區(qū)道路運(yùn)行試驗(yàn)中柴油機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)（圖中黃色點(diǎn)）。由圖可見：

圖12 礦區(qū)行駛工況下柴油機(jī)的工作點(diǎn)Fig.12 Working points of engine in real mining area road

（1）柴油機(jī)大部分工況點(diǎn)處于設(shè)計(jì)的最佳燃油消耗率曲線附近。

（2）有少部分工況點(diǎn)偏離了最佳燃油消耗率曲線，位于燃油經(jīng)濟(jì)性較差的區(qū)域。這些工況點(diǎn)主要出現(xiàn)在柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩總體較低水平時(shí)以及混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行模式切換時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)階段。

根據(jù)礦區(qū)道路運(yùn)行試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)輪自卸車的燃油消耗。采用該能量管理策略時(shí)，車輛平均每趟運(yùn)輸工況的燃油消耗為45.52 L，相較于純柴油機(jī)模式（運(yùn)輸工況全程僅柴油機(jī)輸出功率的模式）平均每趟運(yùn)輸工況燃油消耗的50.68 L，整車燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高混合動(dòng)力電動(dòng)輪自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性，本文結(jié)合其運(yùn)輸工況特點(diǎn)和柴油機(jī)特性曲線設(shè)計(jì)了基于工況識(shí)別的能量管理策略，并在此基礎(chǔ)上采用等效燃油消耗最小策略對(duì)其混合動(dòng)力系統(tǒng)的瞬時(shí)功率分配進(jìn)行優(yōu)化。電動(dòng)輪自卸車的礦區(qū)道路運(yùn)行試驗(yàn)表明，采用該能量管理策略可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)燃油能量和電池能量的合理利用，柴油機(jī)基本能保持運(yùn)行于高效率區(qū)域，與原純柴油機(jī)模式電動(dòng)輪自卸車相比，該混合動(dòng)力自卸車可實(shí)現(xiàn)10.2%的節(jié)油，從實(shí)際應(yīng)用角度證明了該能量管理策略的實(shí)用性和有效性。

為進(jìn)一步提升電動(dòng)輪自卸車在整個(gè)工作循環(huán)中的能量利用效率，在后續(xù)研究中，可針對(duì)礦區(qū)運(yùn)輸工況建立礦用自卸車的循環(huán)工況；并采用基于全局最優(yōu)的能量管理策略，更加充分地考慮電池SOC的使用區(qū)間。