一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法
阅读说明：本技术 一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法 (Control method for hybrid mine truck energy management ) 是由 王宝梁 孙彩凤 孟庆勇 张翊 刘旭 张自军 陈纪龙 韦浩 于 2021-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及工程机械辅助驾驶技术领域,公开了一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法,包括,步骤1：首先进行系统初始化,对混动矿山卡车的电池SOC目标值设定；步骤2：混动矿山卡车进行全路线往返,根据车辆行驶过程能耗情况路况进行节点分割并记录各节点的GPS,确认节点间路况为上坡、下坡还是水平路段,同时对各节点进行能耗标定,计算各路段间的能耗；步骤3：根据步骤2各节点标定及能耗信息,混动矿山卡车全路线往返进行能量控制。本发明通节点与能耗标定,根据上坡、下坡、水平路况分别进行能量控制,通过控制电池、发动机协同工作,完成下坡的能量回收工作,对于提高运输效率、降低运输成本、减少废气排放有重要的意义。(The invention relates to the technical field of auxiliary driving of engineering machinery, and discloses a control method for energy management of a hybrid mine truck, which comprises the following steps of 1: firstly, initializing a system, and setting a battery SOC target value of a hybrid mine truck; step 2: the hybrid mine truck performs all-route round trip, node division is performed according to the energy consumption condition of the vehicle in the driving process, the GPS of each node is recorded, whether the road condition among the nodes is an ascending slope, a descending slope or a horizontal road section is confirmed, meanwhile, energy consumption calibration is performed on each node, and energy consumption among each road section is calculated; and step 3: and (3) performing energy control by the hybrid mine truck back and forth in the whole route according to the node calibration and the energy consumption information in the step (2). According to the invention, through node and energy consumption calibration, energy control is respectively carried out according to the conditions of an uphill slope, a downhill slope and a horizontal road, and the energy recovery work of the downhill slope is completed by controlling the cooperative work of the battery and the engine, so that the method has important significance for improving the transportation efficiency, reducing the transportation cost and reducing the exhaust emission.)
技术领域
本发明涉及工程机械辅助驾驶技术领域，具体涉及一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法。
背景技术
近年来煤矿露天开采取得了较大发展，为煤炭稳定供应提供了重要保障。运输是露天矿开采工艺中主要的生产环节之一，运输系统投资约占矿山总投资的40％～60％，运输成本约占矿石成本的30％～40％，部分露天矿的运输成本在露天矿生产总成本中的比例甚至已经超过了60％。由于卡车运输具有机动灵活、工况适应性强、运输系统建设周期短等特点，一直以来是我国露天矿运输的主导方式，每年由卡车完成的矿岩运输量约占全国露天矿采剥总量的85％以上。因此矿卡在煤矿资源开采过程中起到非常重要的作用。
传统矿用卡车因其吨位越来越大、耗油量大，且卡车排放尾气含有二氧化硫等有毒有害气体，严重污染矿区周边环境。传统卡车的变速箱的尺寸越来越大，难以制造和布置；下坡时的制动力要求随之增大，容易造成制动失效等安全问题。因此对于矿卡能耗、环保、安全问题成为当务之急。
随着新能源技术的发展及其在矿山卡车的应用，矿山卡车出现了混合动力矿山卡车、纯电动矿山卡车，大吨位卡车难以制造的问题得到了解决。其中串联混合动力驱动轮式矿山卡车，是驱动力完全由电机提供的矿山卡车，除此之外还有混联式混合动力矿山卡车、纯电动矿山卡车等，但是依旧存在共性问题：下坡时能量回收问题没有得到有效解决。对于运输过程中，尤其是矿山卡车下坡过程中产生的能量没能够进行有效回收，造成一定的能量浪费。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法，以实现运输过程中能量的高效率利用。
技术方案：本发明提供了一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：首先进行系统初始化，混动矿山卡车的电池SOC出厂设定最佳工作状态值A、最大容量值B以及最小容量值C；
步骤2：混动矿山卡车进行全路线往返，根据车辆行驶过程能耗情况路况进行节点分割并记录各节点的GPS，确认节点间路况为上坡、下坡还是水平路段，同时对各节点进行能耗标定，计算各路段间的能耗；
步骤3：根据步骤2各节点GPS标定、路况及能耗信息，混动矿山卡车全路线往返进行能量控制，以QBi-1表示第i-1个节点时的电池SOC所具有的能量，即降至最佳工作状态值A前电池SOC所具有的能量，第i个路段第i-1个节点到第i个节点之间的路段所需消耗的能量为Qsi，下一个路段(第i+1个路段)即第i个节点到第i+1个节点之间的路段所需能耗Qsi+1，以QEi表示第i-1和第i个节点之间的发动机能耗，FG为发电机额定功率时矿卡驱动轮牵引力， PG为发电机额定功率，V0为矿卡常规速度，FG＝PG/V0，F’代表当前路段驱动轮上的驱动力， QBm为电池由满电状态达到出厂设定的最小容量值C时消耗的能量，QB0为电池由满电状态达到最佳工作状态值A时消耗的能量，QBn为电池由满电状态达到出厂设定的最大容量值B时消耗的能量，则当前路段具体能量控制过程为：
(1)第i+1个路段为上坡路况
1)若QBi-1≥Qsi+Qsi+1
a.若F’≤FG，此时第i和i+1路段均由电池驱动，发动机不工作；
b.若F’>FG，此时第i路段由发动机工作驱动，第i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度；
2)若Qsi+1+Qsi>QBi-1>Qsi
a.若F’≤FG，此时i路段由电池驱动，i+1路段由电池、发动机工作驱动，发动机提供所需能量QEi＝Qsi+1+Qsi-QBi-1；
b.若F’>FG，此时i路段由发动机工作驱动，提供所需能量QEi＝Qsi+QBn-QBi-1，此时，i 路段控制电池SOC达到最大容量值B，i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度；
3)若QBi-1≤Qsi，按下面情况进行：
a.若F’≤FG，此时i路段由电池和发动机工作驱动，发动机所需提供能量为QEi＝Qsi-QBi-1， i+1路段由发动机工作驱动，电池SOC保持最佳工作状态值A；
b.若F’>FG，此时i路段由发动机工作驱动，i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度；
(2)第i+1个路段为水平路况
1)若QBi-1≥Qsi+Qsi+1，则由电池驱动，发动机不工作；
2)若Qsi+Qsi+1>QBi-1>Qsi，i路段由电池驱动，i+1路段由发动机工作驱动，提供所需能量QEi＝Qsi+1-Qsi。
3)若QBi-1≤Qsi，i路段由发动机工作驱动；
(3)第i+1个路段为下坡路况
1)若Qsi+1>0，按照第i+1个路段为水平路况进行控制；
2)若Qsi+1<0<QBi-1，i+1个路段可以进行能量回收，那么当前路段需要再判断Qsi+1+QBi-1是否小于0：
a.Qsi+1+QBi-1不小于0，当前路段与水平、上坡路况下控制方法一致，利用电池、发电机共同驱动，在到达第i个节点时，使电池SOC满足出厂设定最佳工作状态值A，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
b.Qsi+1+QBi-1小于0：
1.1)|Qsi+1+QBi-1|小于等于QB0，当前路段即i路段电池、发动机驱动，驱动控制电池SOC 达到最佳工作状态值A，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
1.2)|Qsi+1+QBi-1|大于QB0小于QBm，当前路段即i路段电池、发动机驱动，驱动控制电池SOC达到最佳工作状态值A和最小容量值C之间，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
1.3)|Qsi+1+QBi-1|大于等于QBm，当前路段即i路段优先电池驱动，驱动控制电池SOC达到最小容量值C，当i+1路段能量回收至电池满电后接入缓速器。
进一步地，在步骤2标定阶段，当混动卡车上陡坡路段过程中消耗能量低于电池SOC最佳工作状态值时，发动机开始工作，此时驱动功率为发电机发电功率，此时功率不变，车速根据坡度情况自适应变化。
进一步地，步骤2节点分割具体操作为：
以混动矿山卡车驱动轮牵引力F’与水平路况输出轴牵引力F0比较判断上、下坡或是水平路况，实时获得当前道路尤其是节点处GPS定位点的经度、纬度，并记录此节点的GPS信息；
F0为水平路况输出轴牵引力：
其中，v—矿卡车速；ηT—传动效率；m—矿卡质量；g—重力加速度；f—滚动阻力系数； CD—空气阻力系数；A—迎风面积。
进一步地，通过驱动轮牵引力F’与水平路况输出轴牵引力F0比较判断上、下坡或是水平路况的具体操作为：
当F’属于F0(1+10％)区间时，为水平路况，且当F’不在此区间瞬间，记录此时GPS信息；
当F’<F0(1-10％)时，为下坡路况，且当F’不在此区间瞬间，记录此时GPS信息；
当F’>F0(1+10％)时,为上坡路况，且当F’不在此区间瞬间，记录此时GPS信息。
进一步地，各路段能耗的计算方法为：
根据车辆电机的工作电压U(t)和电流i(t)以及时间t，并且根据预先判断的路况从而计算得出上、下坡路段的能耗Qsi_up、Qsi_down；根据混动矿山卡车变速箱输出轴牵引力F和速度V 计算水平道路的能耗Qsi_level。
其中，功率因数一般为0.7～0.85，取平均值0.78计算；ti-1和ti为每个路段的初始和结束时刻。
进一步地，所述步骤2的节点分割与能耗标定进行若干次，同时各节点能耗取若干次的均值。
有益效果：
1、本发明优化矿山运输方式，采用一种用于矿山卡车能量管理的控制方法，通过预先对整个道路进行节点与能耗标定，上山与下山的过程中各节点标定好，并计算好能耗后，根据上坡、下坡、水平路况分别进行能量控制，通过控制电池、发动机协同工作，完成下坡的能量回收工作，对于提高运输效率、降低运输成本、减少废气排放有重要的意义。
2、本发明在能量控制阶段的上坡和下坡过程中，对于上坡路段，如果下一个路段为上坡路段，并且其上坡路段为极陡坡，即发动机提供能量和电池提供能量相加小于上一个路段需要的能量，那么在前一个路段优先使用发动机驱动，向电池充电，使电池SOC达到出厂时的最大容量值B。在下坡路段，如果遇到极陡坡，那么前一个路段(水平路段)优先使用电池驱动，使得电池SOC达到出厂设定的最小容量值C，为下一个路段的能量回收腾出更多的空间，便于下一个路段进行能量回收。当下坡路段回收能量只满电状态，在下坡路段接入缓速器。
3、本发明在能量控制阶段，除了下个路段为上陡坡状态，电池和发动机发电不足以上坡时，前一个路段控制电池处于最大容量值B。在下一个路段为下坡路段时，若下坡路段为可以进行能量回收的情况，下坡路段不限制电池容量为最佳状态值A，对于下陡坡情况，需要在前一个路段控制电池SOC到出厂设定的最小容量值C，其他情况下均保持SOC处于最佳状态值A，这样可以提高电池的使用寿命。
4、本发明在进行标定阶段，利用多次标定取均值的方式可以减少误差，标定结果更加准确。
5、本发明在当前阶段还判断下一个阶段处于水平、上坡还是下坡路况，当下一个阶段处于能量回收阶段时，当前阶段优先选择电池驱动，让电池有更多的容积来回收下一阶段的能量。
附图说明
图1为本发明节点能耗标定流程图；
图2为本发明i+1路段为上坡路段能量控制流程图一；
图3为本发明i+1路段为下坡路段且可以进行能量回收的能量控制流程图二；
图4为本发明实施例上坡路段示意图；
图5为本发明实施例下坡路段示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种用于混动矿山卡车能量管理的控制方法，所涉及的矿卡是串联式混合动力结构，采取的技术方案如下：
步骤1：节点能耗标定：
1)标定策略设计，系统初始化。
进行全路线工况标定过程中，电池SOC目标值设定为45％，检测电池SOC，如果低于目标值，则控制发动机工作，充电至目标值，如果高于目标值，则发动机不工作。
2)根据车辆行驶过程能耗情况路况(平路和坡路界点)进行节点分割。
对各工况的交界点进行标定，实时获得当前道路尤其是节点处GPS定位点的经度、纬度，交界点的判定原则：以混动矿山卡车驱动轮牵引力F’与水平路面所需牵引力F0比较判断上、下坡或是水平路况，并记录此时GPS信息。
当F’属于F0(1+10％)区间时，为水平路况，且当F’不在此区间时，记录此时GPS信息；
当F’<F0(1-10％)时，为下坡路况，且F’不在此区间时时，记录此时GPS信息；
当F’>F0(1+10％)时,为上坡路况，且当F’不在此区间时，记录此时GPS信息。
其中，F0为水平路况输出轴牵引力。
其中，V—矿卡车速；ηT—传动效率；m—矿卡质量；g—重力加速度；f—滚动阻力系数；CD—空气阻力系数；A—迎风面积。
3)每个路段(即两个节点之间)能耗的计算方法：根据车辆电机的工作电压U(t)和电流i(t) 以及时间t，从而计算得出上、下坡路段的能耗Qsi_up、Qsi_down；根据混动矿山卡车变速箱输出轴牵引力F和速度V计算水平道路的能耗Qsi_level。
其中，功率因数一般为0.7～0.85，取平均值0.78计算；ti-1和ti为每个路段的初始和结束时刻。
4)记录车辆各个路段的能耗和GPS信息。通过判断上一个轮速不为零的GPS位置信息和节点处的位置，进行区分上下坡。
如果判断为上坡路段，将此路段的能量消耗储存记为Qsi_up；
如果判断为下坡路段，将此路段的能量消耗储存记为Qsi_down；
水平路段消耗的能量储存记为Qsi_level。
5)车辆进行往返后回到初始出发点，第一次标定结束，进行数据信息储存。
6)按上述步骤重复进行两次，将三次标定的数据进行取平均值(上坡记为Q’si_up、上坡记为Q’si_down)并储存。
7)标定结束。
步骤2：能量管理控制过程
混动矿山卡车的电池SOC出厂设定最佳工作状态值A、最大容量值B以及最小容量值C。
以QBi-1表示第i-1个节点时的电池SOC所具有的能量，即降至最佳工作状态值A前电池 SOC所具有的能量，第i个路段第i-1个节点到第i个节点之间的路段所需消耗的能量为Qsi，下一个路段(第i+1个路段)即第i个节点到第i+1个节点之间的路段所需能耗Qsi+1，以QEi表示第i-1和第i个节点之间的发动机能耗，FG为发电机额定功率时矿卡驱动轮牵引力，PG为发电机额定功率，V0为矿卡常规速度，FG＝PG/V0，F’代表当前路段驱动轮上的驱动力，QBm为电池由满电状态达到出厂设定的最小容量值C时消耗的能量，QB0为电池由满电状态达到最佳工作状态值A时消耗的能量，QBn为电池由满电状态达到出厂设定的最大容量值B时消耗的能量，则当前路段具体能量控制过程为：
(1)第i+1个路段为上坡路况
1)若QBi-1≥Qsi+Qsi+1
a.若F’≤FG，此时第i和i+1路段均由电池驱动，发动机不工作；
b.若F’>FG，此时第i路段由发动机工作驱动，第i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度；
2)若Qsi+1+Qsi>QBi-1>Qsi
a.若F’≤FG，此时i路段由电池驱动，i+1路段由电池、发动机工作驱动，发动机提供所需能量QEi＝Qsi+1+Qsi-QBi-1；
b.若F’>FG，此时i路段由发动机工作驱动，提供所需能量QEi＝Qsi+QBn-QBi-1，此时，i 路段控制电池SOC达到最大容量值B，i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度；
3)若QBi-1≤Qsi，按下面情况进行：
a.若F’≤FG，此时i路段由电池和发动机工作驱动，发动机所需提供能量为QEi＝Qsi-QBi-1， i+1路段由发动机工作驱动，电池SOC保持最佳工作状态值A；
b.若F’>FG，此时i路段由发动机工作驱动，i+1路段根据所需牵引力自适应调整速度。
参见附图4，上坡路段参见附图4，对于上坡路段，以水平路段、上坡路段为例进行说明，起始节点为i-1节点，水平路段末尾节点为i节点，上坡路段末尾节点为i+1节点，第i-1节点位置电池SOC具有的能量(即降至最佳工作状态值A前电池SOC所具有的能量)，i-1节点到i节点之间的路段需要的能量为Qsi，i节点到i+1节点之间的路段需要的能量为Qsi+1。对于该种路况，首先需要判断QBi-1与Qsi+Qsi+1之间的关系，即第i-1节点的电池能量与i-1节点到i节点之间的路段需要的能量和i节点到i+1节点之间的路段需要的能量为Qsi+1之和。
若大于，相当于i-1个节点电池具有的能量既能提供第i路段能量消耗，又能提供第i+1 路段的能量消耗。对于上述的若F’>FG的情况，属于发动机提供的功率无法上坡的情况，在此情况下，就需要降低矿卡的速度来调节。
若Qsi+1+Qsi>QBi-1>Qsi，相当于电池能量能够提供i路段的能量消耗，但是不足以提供 i+1个路段的能量消耗，那么此情况下，i+1路段由电池、发动机工作驱动，发动机提供所需能量QEi＝Qsi+1+Qsi-QBi-1，就需要发动机予以提供支撑，其提供能量后还是要保持i+1路段电池SOC时刻处于最佳状态值A。在此情况下，若F’>FG，那么在i路段需要优先使用电池驱动，并且提供所需能量QEi＝Qsi+QBn-QBi-1，相当于i路段需要提前储备电池能量，使电池能量提前储备至最大容量B，为i+1路段提前储备能量。
若QBi-1≤Qsi，相当于电池能量既不能提供i路段的能量消耗，也不足以提供i+1个路段的能量消耗，那么该i路段需要电池、发动机两者共同工作，i+1路段需要发动机工作，并且保持电池SOC容量处于最佳状态值A。
(2)第i+1个路段为水平路况
1)若QBi-1≥Qsi+Qsi+1，则由电池驱动，发动机不工作；
2)若Qsi+Qsi+1>QBi-1>Qsi，i路段由电池驱动，i+1路段由发动机工作驱动，提供所需能量QEi＝Qsi+1-Qsi。
3)若QBi-1≤Qsi，i路段由发动机工作驱动。
上述i+1个路段为水平路况，而本发明中水平路况均为调整路况，根据实际需要进行调整电池容量的路况，正常情况下始终保持电池SOC处于最佳状态值，除非下一个路段为上极陡坡或下极陡坡情况，上极陡坡的时候，水平路段控制电池SOC处于最大容量值。下极陡坡的时候，水平路段控制电池SOC处于最小容量值，此处不作过多赘述。
(3)第i+1个路段为下坡路况
1)若Qsi+1>0，按照第i+1个路段为水平路况进行控制；
2)若Qsi+1<0<QBi-1，i+1个路段可以进行能量回收，那么当前路段需要再判断Qsi+1+QBi-1是否小于0：
a.Qsi+1+QBi-1不小于0，当前路段与水平、上坡路况下控制方法一致，利用电池、发电机共同驱动，在到达第i个节点时，使电池SOC满足出厂设定最佳工作状态值A，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
b.Qsi+1+QBi-1小于0：
1.1)|Qsi+1+QBi-1|小于等于QB0，当前路段即i路段电池、发动机驱动，驱动控制电池SOC 达到最佳工作状态值A，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
1.2)|Qsi+1+QBi-1|大于QB0小于QBm，当前路段即i路段电池、发动机驱动，驱动控制电池SOC达到最佳工作状态值A和最小容量值C之间，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器；
1.3)|Qsi+1+QBi-1|大于等于QBm，当前路段即i路段优先电池驱动，驱动控制电池SOC达到最小容量值C，当i+1路段能量回收至电池满电后接入缓速器。
参见附图5，下坡路段参见附图5，对于下坡路段，分为下坡路段需要能量消耗和下坡路段能够进行能量回收进行区分。
对于下坡路段需要能量消耗，其与第i+1个路段为水平路况控制方法相同，在控制过程中均需要控制电池SOC处于最佳状态值A。
对于能下坡路段能够进行能量消耗的情况下，需要判断Qsi+1+QBi-1的值(即i-1个节点电池具有的能量和i+1路段需要消耗的能量之和)，对于能够能量回收的情况下，i+1路段需要消耗的能量肯定是负数，相当于能够回收的能量为|Qsi+1|，进行能量回收时，有的极陡坡 (|Qsi+1+QBi-1|大于等于QBm)，其下坡回收的能量较大，在发动机反向工作过程中，将电池由最佳状态值充电至满电情况下，还有部分能量不能回收，那么为了更好的进行能量回收，在i路段需要优先使用电池工作，使电池SOC达到最小容量值C，这样可以为i+1路段提供能多的充电范围，如果充满电后还有剩余能量没有回收，那么此情况下就需要接入缓速器，防止损坏电池等。
有的适中的陡坡(当|Qsi+1+QBi-1|大于QB0小于QBm)，当前路段即i路段电池、发动机驱动，驱动控制电池SOC达到最佳工作状态值A和最小容量值C之间，i+1路段进行能量回收，当回收至满电状态，接入缓速器。
有的普通下坡路段(|Qsi+1+QBi-1|小于等于QB0)，能能量回收，但是可回收的能量小于电池满电状态下达到厂家设定的最佳状态值A时消耗的能量，那么i路段则驱动控制电池SOC 达到最佳工作状态值A，i+1路段发动机反向工作进行充电，其充电的能量最多充至满电状态。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。