地下电动矿用铲运机能量管理研究

柴琪1，殷国成2
（1.山东劳动职业技术学院，济南250022；2.大庆石化公司机械厂，黑龙江大庆163000）

摘要：针对地下电动矿用铲运机动力传动系统，分析了系统在不同模式下的工作特性并提出了相应的能量管理方案；基于发动机规则控制策略，在Matlab软件中进行了仿真研究。表明，地下电动矿用铲运机动力源电池组SOC很好地印证了所提出控制策略的有效性，发动机与电机的运行模式从侧面加强了能量管理的合理性。

关键词：地下电动矿用铲运机；能量管理；控制策略

doi:10.13301/j.cnki.ct.2016.07.102

在煤矿的众多产业链中，煤炭及相关物资的铲运是煤矿运输、存储中的重要组成部分。由于煤炭在矿井中需要多次转运，铲运车辆为其提供了巨大的便利，随着新能源技术的不断发展，为电动矿用铲运车辆提供了可能。能量管理策略是影响地下电动矿用铲运机续航里程的主要因素。一般地下电动矿用铲运机大多采用串联方式，其能量经过二次转化，整车能量利用率降低。因此，本文针对地下电动矿用铲运机动力传动系统展开研究，旨在匹配与铲运机运行工况相对应的控制策略、提高动力源的能量利用效率。

本文研究的地下电动矿用铲运机，其动力传动系统结构简图如图1所示。由图1可知，地下电动矿用铲运机主要动力助力单元有发动机和ISG（Integrated Starter Generator）永磁同步电机；电力辅助装置为蓄电池组；动力传动装置由湿式多片离合器、差速器和主减速器组成。其中，驱动电机通过地下电动矿用铲运机后轴传递动力，成为系统纯电动模式的关键驱动部件；永磁电机可借助内燃机的动力向电池组进行供电，将冗余能量存储其中，以便需要时通过自动变速器向前轴供能。

图1　地下电动矿用铲运机动力传动结构简图

2.1　纯电动模式

当传感器检测到电池组电量充足（SOC>电池SOC下限值SOClow）时，控制器控制地下电动矿用铲运机以纯电动模式运行。该模式中，发动机处于关闭状态，系统驱动力完全由电池控制电机输出提供，整个工作过程可以实现零排放、低耗能。

2.2　回收制动模式

当地下电动矿用铲运机进行制动时，为了不让发动机参与制动，系统应控制湿式多片离合器处于分离状态。此时，ISG电机和后驱动电机同时参与制动回收过程，能量利用率在双轴式回收中得到大大提高。

3.1　纯电动模式控制策略

该模式下的控制主体为电机控制系统。其中心控制元件接收上层控制器发出的需求扭矩指令，结合当前的运行状态决定的扭矩进行对比后输出电机目标转矩Tm（Nm），其大小由与电机峰值扭矩之比得到。

3.2　地下电动矿用铲运机控制策略

为保证发动机工作在高效率区域，该模式下采用规则控制策略，基本依据来自发动机优化曲线。地下电动矿用铲运机发动机万有特性图如图2所示。

图2　地下电动矿用铲运机发动机万有特性图

1.等功率曲线2.外特性曲线3.高效区最大转矩曲线4.等效率曲线5.高效区域最优转矩曲线6.高效区域最小转矩曲线7.等燃油消耗曲线

由图2可以确定地下电动矿用铲运机发动机最优工作点O及其高效工作区域（曲线4范围以内）；同时，确定了发动机最优转矩曲线（曲线5），高效工作区域最大扭矩曲线（曲线3）和高效工作区域最小转矩曲线（曲线6）。

（1）串联模式

当地下电动矿用铲运机的车速不高且电池容量未达到设定下限时（SOClow），地下电动矿用铲运机发动机如果直接参与驱动，必然工作在低效率区域（图2中F点）。此时，应当通过发动机控制单元ECU控制它工作在优化区域（如图2中O点）。其中，发动机的输出冗余功率通过ISG电机向电池充电，将富裕功率存储。

（2）发动机驱动模式

当电动矿用铲运机处于发动机驱动模式时，其需求扭矩应满足发动机高效区域最小转矩Tel（Nm）≤需求转矩Tr（Nm）≤发动机最大转矩Temax（Nm）。为了保证动力源燃油利用效率，需控制电动矿用铲运机发动机按照合适曲线输出功率。如图2所示，假定驾驶员的需求扭矩落于点B，此时，如果电池组可以提供额外动力（SOC>电池SOC最小值SOCmin），系统则控制发动机工作在最大转矩曲线，ISG电机为其提供后备转矩；如果电池组SOC值达到下限，则控制发动机工作在最大功率曲线，其多余动力可带动电机向蓄电池供电，避免空转浪费。

同理，当需求工作点处于D点或E点时，发动机沿高效区域最优转矩曲线输出，并以较大的转矩带动ISG电机发电，方便电池组SOC快速回位。

（3）联合驱动模式(www.xing528.com)

当电动矿用铲运机需求转矩大于发动机转矩上限值时（图2中A点），发动机单独驱动已经不能满足行驶需求。此时，动力传动系统切换至联合驱动模式，即发动机和电动机同时向地面输出转矩。其中，考虑到电机调速的响应及时性，应当控制发动机最大扭矩输出而电动机提供“削峰填谷”的后备输出。

3.3　制动模式控制策略

根据地下电动矿用铲运机制动时的强度，电动矿用铲运机的制动模式可分为轻度制动、中度制动和紧急制动。当制动强度大于0.7时，为了驾驶员的安全，系统必须控制机械制动部件工作；当制动强度落入[0.3，0.7]，为了最大程度增加能量回收率，应当控制传动系统进入双系统制动模式；当制动强度小于0.3，系统处于轻度制动模式，仅需控制后轴电机参与能量回收过程。

为验证所研究地下电动矿用铲运机控制策略的合理性，设定初始时刻SOC为0.45，高于门限值0.4，选取某典型循环工况进行仿真（600 s），其仿真结果如图3所示。

由图3知，电动矿用铲运机刚开始时处于纯电动状态；随着电池SOC逐渐下降，地下电动矿用铲运机进入串联模式运行。当仿真时间运行到150 s左右时，基本进入循环工况的最高车速，此时，发动机作为主要动力源介入驱动过程。在130~450 s，发动机始终处于开启状态，而ISG电机选择性地工作在电动机与发电机模式，承担起“削峰填谷”的作用，与本文制定的能量管理策略相符合。

当第3个加速过程（第3波峰）来临时，系统处于高速行驶。在530 s附近时，由于电池组SOC未能达到较高状态，电动矿用铲运机速度只能在50 km/h处上下浮动。系统控制传动系统进入串联模式。整个循环中，电动矿用铲运机能够按照既定的控制策略执行切换工作模式，证明本文制定的管理策略合理且有效。

图3　循环工况仿真图

针对本文研究的地下电动矿用铲运机动力系统结构，在Matlab/Simulink软件环境采用典型工况对基于规则的能量控制策略进行了仿真验证。结果表明，电动矿用铲运机能够按照预定的控制策略行驶，从而较好地满足了动力性需求；地下电动矿用铲运机具有广大的市场潜力，是我国新能源矿用运输机及商用运输机发展不可或缺的一部分，同时也为新能源运输机在煤矿运输等行业中的发展提供重要的参考。

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Research of Energy Management Controlling Strategy for Underground Electric Mining Scraper

CHAI Qi1，YIN Guo-cheng2
（1.Shandong Labor Vocational and Technology College,Jinan 250022,China;2.Machinery Factory of Daqing Petrochemical Company,Daqing 163000,China）

Abstract：Aiming at the construction of power transmission which belongs to the underground electric mining scraper,the underground electric mining scraper′s characteristic based on special operating mode was analyzed and relevant controlling strategy for energy management was established.Specifically, Rule-based control strategy was put forward,combining with setting parameters into Matlab software,to carry out a simulation study.The simulation results show that the state of charging of battery pack has a wonderful track with speed figure,which perfectly validated the proposed controlling strategy;that the working track of engine and motor consolidate energy management′s rationality.

Key words：underground electric mining scraper;energy management;controlling strategy

中图分类号：U469.72

文献标志码：A

文章编号：1008－8725（2016）07－0254－03

作者简介：柴琪（1969-），河南南阳人，副教授，硕士，研究方向：机械产品设计和制造自动化技术，电子信箱：chaiqi215@126.com.

收稿日期：责任编辑：王泽兰2016－01－13