混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析

混合动力工程机械轮边电力驱动控制策略分析

程守卿徐晓莉张小勇

江苏力沛电力工程技术服务有限公司  江苏省如皋市  226500

摘要：混合动力工程机械轮边电力驱动系统作为现代工程机械的重要组成部分，其性能和效率对于提高工程机械的可持续性和环保性至关重要。本文着重研究了该系统的关键技术和策略，以满足不同工况下的需求。首先，介绍了系统的组成及工作原理，强调了内燃机和电机之间的协同工作，以实现最佳的能源利用。其次，深入探讨了电机及控制器的选型，以确保系统在不同负载下的高效性能。动力电池组的设计与管理也是关键议题，需要在能量密度和安全性之间找到平衡。接着，详细讨论了电机控制策略，包括矢量控制技术和直接转矩控制技术，以及能量管理策略，包括SOC估算、充放电控制和热管理。最后，引入了基于DTC的高级电机控制策略，包括模糊化矢量控制、零电压矢量控制和SVPWM驱动控制，以提高系统的性能和响应性。

关键词：混合动力；电机控制；能量管理；DTC；电池管理。

1混合动力工程机械轮边电力驱动系统设计

1.1系统组成及工作原理

混合动力工程机械轮边电力驱动系统的系统组成及工作原理是研究的核心。该系统通常由内燃机、电机、电池组和控制器组成。内燃机作为传统动力源，主要用于高负载工况，例如加速和高速行驶。电机则负责在低负载和启停情况下提供动力，以降低燃料消耗和排放。电池组储存能量，用于电机供电，并通过内置电池管理系统来监测电池的状态和温度，确保其安全性和性能。工作原理涉及系统的智能管理和协调。控制器起到关键作用，根据驾驶条件实时调整内燃机和电机的运行模式，以最大程度地提高能源利用率。例如，在低速和城市行驶时，电机可以单独提供动力，而高速行驶时，则内燃机和电机协同工作，以实现最佳效率。这种智能切换动力源的策略称为能量流管理，它是混合动力系统的关键特点之一。

1.2电机及控制器选型

电机及控制器的选型对系统性能至关重要。电机的选型应综合考虑多个因素，包括功率密度、效率、尺寸和重量。通常，永磁同步电机（PMSM）或感应电机（IM）被广泛应用于混合动力系统，因为它们具备高效率和高扭矩密度，以适应不同负载要求。电机控制器需要具备高速度响应和精确控制能力，以确保系统的平稳运行。此外，控制器还需要实时监测电机状态，以便动态调整电机参数以满足驾驶需求，这通常通过反馈控制算法实现。

1.3动力电池组设计与管理

动力电池组的设计和管理是系统的关键组成部分。电池组需要具备高能量密度和高功率密度，以满足系统的瞬态需求。此外，电池的寿命和安全性也是重要考虑因素。为了延长电池寿命，必须实施适当的充放电控制策略，以减少循环应力。同时，电池组内置的管理系统需要进行SOC估算，以准确地了解电池的充电状态，并通过热管理来维持电池的温度在安全范围内。这些措施有助于确保电池组的性能和寿命，并提高整个系统的可靠性。

2轮边电力驱动控制策略研究

2.1电机控制策略

2.1.1矢量控制技术

矢量控制技术是混合动力工程机械轮边电力驱动系统中的关键控制策略之一。这种技术基于电机的数学模型，以精确控制电机的电流和电压来实现高效的动力输出。通过实时监测电机的位置和速度，并采用反馈控制，矢量控制技术可以实现电机的高精度控制，使其能够适应不同工作负载和工况。这种方法能够减小电机的失真，提高效率，尤其在低速和高扭矩要求的情况下表现出色。因此，矢量控制技术在混合动力系统中广泛应用，以实现平稳、高效的电机性能。

2.1.2直接转矩控制技术

直接转矩控制技术是另一种电机控制策略，特别适用于要求高动态性能的应用。这种技术强调在瞬态响应中的快速性和精度，通过直接控制电机的转矩来实现。与传统的电流控制不同，直接转矩控制直接监测电机的参数，例如电流和磁通，以实现瞬态转矩的快速调整。这对于需要快速加速和减速的情况非常重要，例如混合动力车辆的启动和制动。直接转矩控制技术通过降低电机控制的时间延迟和提高响应速度，确保了系统的高动态性能和稳定性。

2.2能量管理策略

2.2.1电池组SOC估算

电池组的SOC（StateofCharge）估算是能量管理策略中的核心部分。准确估算电池的充电状态对系统的性能和安全性至关重要。SOC估算通常基于电池的电压、电流、温度和容量等参数，并使用数学模型来预测电池的SOC。这种估算可以帮助系统实时监测电池的状态，并确保充电和放电过程的可控性。因此，电池组SOC估算是实现能量管理的关键步骤之一，它为系统提供了对电池能量的精确控制。

2.2.2电池组充放电控制

电池组的充放电控制策略涉及如何管理电池的充电和放电过程，以最大程度地延长电池的寿命，并满足系统的性能需求。充电过程需要根据电池的特性来控制充电电流和电压，以避免过充和过放。放电过程需要根据负载要求来调整电池的输出功率。充放电控制还应考虑电池的温度，以确保在安全的温度范围内运行。这种策略不仅有助于电池的寿命延长，还有助于维持系统的可靠性和性能。

2.2.3电池组热管理

电池组热管理是电池系统中的另一个关键方面。电池在高温下工作会降低寿命和安全性，因此必须进行热管理。这包括使用散热器、冷却系统或液冷等技术来维持电池的温度在适宜范围内。热管理系统还需要实时监测电池的温度，并根据情况调整冷却或加热操作。通过良好的热管理策略，可以确保电池在各种工作条件下保持在最佳温度范围内，从而提高性能和寿命。

2.3轮边电力驱动控制策略分析

2.3.1依据DTC的模糊化矢量控制

基于DTC（DirectTorqueControl）的模糊化矢量控制是一种高级的电机控制策略，尤其在混合动力工程机械轮边电力驱动系统中发挥重要作用。这种控制策略结合了DTC的瞬态性能和模糊逻辑的智能性。通过模糊逻辑，系统可以根据不同工况下的目标，调整电机的控制参数，以平衡效率和性能。模糊化矢量控制使电机能够更好地适应复杂的驾驶环境，例如在坡道上或不同路面条件下的驾驶。这种策略的关键是将电机性能与驾驶需求紧密结合，从而实现更智能、更高效的电机控制。

2.3.2依据DTC的零电压矢量控制

零电压矢量控制是另一种基于DTC的高级控制策略，旨在减小电机控制的失真并提高输出质量。它通过实时监测电机参数，如电流和磁通，来精确调整电机的控制策略。与传统的PWM控制相比，零电压矢量控制可以降低电机的谐波失真，从而提高系统的效率和输出精度。这对于需要高质量电机性能的应用非常重要，如工程机械的精密操作或电动汽车的低噪音要求。零电压矢量控制策略确保了电机的稳定性和响应性，从而提高整个系统的性能。

2.3.3依据DTC的SVPWM驱动控制

基于DTC的SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation）驱动控制策略是另一种高级的电机控制方法，旨在降低电机的谐波失真，并提高输出质量。SVPWM通过动态调整电机的PWM信号来实现对电机的精确控制，以最大程度地降低电机的振荡和噪音。这种控制策略在混合动力工程机械轮边电力驱动系统中可以提供出色的性能，特别是在需要高质量电机性能和低噪音操作的场景中。SVPWM驱动控制策略确保了电机的稳定性和输出精度，为系统提供了卓越的动态性能。

结论

系统的设计要注重内燃机和电机的协同工作，以最大程度地提高能源利用率；电机及控制器的选型需要综合考虑效率和响应速度；动力电池组的设计与管理需要平衡能量密度和安全性；电机控制策略和能量管理策略对系统性能至关重要，其中基于DTC的高级控制策略具有巨大潜力。综合考虑这些因素，混合动力工程机械轮边电力驱动系统可以实现高效、可持续的性能，满足不同工程机械应用的需求，为环境保护和能源节约做出贡献。

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.