混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析

常松

摘要:在混合动力工程机械领域中，轮边电力驱动控制策略的研究十分重要。本文对混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略进行了分析和探讨，旨在提高系统的能量利用效率和经济性。通过能量回收策略、多模式换档策略、电机-发动机协同控制策略和预测式控制策略等手段，实现高效、节能、环保的工程机械轮边电力驱动控制。

关键词：混合动力、工程机械、轮边电力驱动、控制策略、能量回收、多模式换档、协同控制、预测式控制

一、引言

背景介绍：随着环境保护和可持续发展意识的增强，混合动力技术在工程机械领域得到广泛应用。混合动力工程机械轮边电力驱动的意义和挑战：介绍采用混合动力技术的工程机械轮边电力驱动的优势和挑战。

二、能量回收策略

2.1 制动能量回收

2.1.1 利用电机发电进行能量回收：

在工程机械刹车时，制动器会产生大量的热能。利用电机进行能量回收可以将制动过程中产生的动能转化为电能，并存储在电池中以备后续使用。

2.1.2 回收能量的控制策略设计：

回收能量的控制策略设计主要包括以下几个方面：

监测制动器状态：通过传感器监测制动器的工作状态，实时获取制动器所受到的压力、温度等参数。

电机发电控制：根据制动器状态监测结果，实时调整电机的发电功率，使其能够有效地吸收制动能量，并将电能输送到电池中进行储存。

能量管理与分配：根据系统需求和电池状态，对回收的能量进行管理和分配，确保能量的高效利用和合理分配。

2.2 减速能量回收

2.2.1 利用电机发电进行能量回收：

在工程机械减速过程中，动能会转化为热能消散掉。利用电机进行能量回收可以将减速过程中的动能转化为电能，并储存于电池中。

2.2.2 回收能量的控制策略设计：

减速能量回收的控制策略设计包括以下几个方面：

监测减速器状态：通过传感器监测减速器的工作状态，实时获取减速器的转速、扭矩等参数。

电机发电控制：根据减速器状态监测结果，实时调整电机的发电功率，使其能够有效地吸收减速过程中的动能，并将电能输送到电池中进行储存。

能量管理与分配：根据系统需求和电池状态，对回收的能量进行管理和分配，确保能量的高效利用和合理分配。

通过以上控制策略的设计，可以实现工程机械在制动和减速过程中的能量回收，提高系统的能量利用效率和经济性。与此同时，这也符合环境保护和可持续发展的要求，使工程机械更加节能环保。

三、多模式换档策略

3.1 油电混合模式

3.1.1 控制策略设计

油电混合模式是指在工程机械中与此同时采用内燃机和电机作为动力源的模式。控制策略设计包括以下几个方面：

能量管理与分配：根据系统需求和当前工况，通过智能控制算法实时决策内燃机和电机的功率输出比例，确保能量的高效利用。

切换策略设计：根据工况要求和内燃机/电机的动态特性，在不同的工作状态下自动切换内燃机和电机的使用，以达到最优的动力输出效果。

能量回收：在制动和减速过程中，通过电机进行能量回收，将动能转化为电能存储在电池中，以供后续使用。

3.1.2 动态性能分析

动态性能分析主要针对油电混合模式下的加速度、速度响应等进行评估。通过模拟和实验测试，分析油电混合模式下的动力输出能力、驱动舒适性等指标，并与   传统的纯内燃机驱动模式进行对比。评估结果可用于进一步优化控制策略，提高系统的动态性能。

3.2 电力模式

3.2.1 控制策略设计

电力模式是指工程机械完全依靠电动机作为驱动动力源。控制策略设计包括以下几个方面：

能量管理与优化：根据系统需求和电池状态，设计能量管理策略，合理调度电池的使用，以实现最佳的动力输出效果。

故障保护与安全措施：设计电力模式下的故障监测与保护机制，确保系统运行的安全性和稳定性。

充电管理策略：设计充电策略，通过合理管理电池的充电过程，延长电池寿命，提高系统可靠性。

3.2.2 经济性能分析

经济性能分析主要考虑电力模式下的能耗和综合成本。评估电池容量、电池充电效率、充电设备成本等因素对系统经济性能的影响，从而为电力模式的应用提供决策依据。

3.3 纯机械模式

3.3.1 控制策略设计

纯机械模式是指工程机械完全依靠内燃机作为驱动动力源，不涉及电机的使用。控制策略设计主要包括以下几个方面：

内燃机管理：设计内燃机的启停控制策略，根据工况需求合理控制内燃机的运行状态，提高燃油利用效率。

动力分配与传输：设计传动系统和液压系统的控制策略，确保动力稳定传输到工作装置，并满足各种工况下的动力需求。

3.3.2 环保性能分析

纯机械模式下的环保性能分析主要考虑废气排放和噪声控制等方面。评估内燃机的排放标准和噪声水平，结合环境保护要求，进行环保性能分析，提出相应的改进方案和措施，减少对环境的影响。

四、电机-发动机协同控制策略

4.1 能量流控制设计

4.1.1 发动机功率分配策略

在油电混合模式中，发动机的功率分配策略是基于工况需求和系统效能的考虑。通过监测工程机械的工作状态、负载情况和电池状态等信息，智能控制算法可以实时决策发动机的输出功率。根据系统优化目标，如燃油经济性、排放要求或性能指标，动态调整发动机的负荷。该策略可以最大限度地利用发动机的高效能，与此同时满足工程机械的动力需求。

4.1.2 电机输出功率分配策略：

在油电混合模式中，电机的功率分配策略与发动机类似，也是基于工况需求和系统效能的考虑。通过监测工程机械的负载情况、工作状态和电池状态等信息，智能控制算法可以实时决策电机的输出功率。根据系统优化目标和电池容量等约束条件，动态调整电机的负荷，确保电能的高效利用，并保证工程机械的动力输出和驱动舒适性。

4.2 协同控制算法设计

4.2.1 能量转换和传输策略

协同控制算法设计着重考虑油电混合模式下能量的转换和传输。通过建立动力系统的数学模型和工况数据的实时监测，智能控制算法可以实现内燃机和电机之间能量的平衡和转移。根据工况需求和系统优化目标，动态调整内燃机和电机之间的能量传输比例，以实现最佳的能源利用效果。

4.2.2 系统优化调度策略：

协同控制算法设计中的系统优化调度策略主要是为了实现系统的高效性、可靠性和稳定性。通过综合考虑系统约束条件、工作需求和性能指标，智能控制算法可以实时分析和调度内燃机和电机的功率输出，以达到最优的系统效能。与此同时，还需考虑系统可靠性和安全性，包括故障检测和保护机制的设计，以确保工程机械的正常运行和操作人员的安全。

五、总结与展望

5.1 总结研究成果

通过建立驾驶工况和操作意图模型，并设计预测控制算法，可以实现对工程机械的智能驾驶控制。这些研究成果可以提高工程机械的安全性、稳定性和舒适性，减少驾驶员的负担，提升工作效率和操作体验。

5.2 展望未来研究方向：

未来的研究可以进一步完善驾驶工况和操作意图模型，提高识别和预测的准确性和实时性。与此同时，可以结合环境感知技术和智能决策算法，实现更加智能化的驾驶控制系统。另外，还可以研究多车辆协同驾驶和自主决策等方面，以进一步提升工程机械的自动化水平和智能化能力。

参考文献

[1]李凯强,史雨雨,于志华.混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析[J].工程机械,2023,54(08):134-136+12.

[2]卞永明,朱利静,金晓林等.混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略[J].世界科技研究与发展,2012,34(06):875-879.