矿用电动车的控制方法与流程

本发明涉及一种矿用电动车，特别涉及一种矿用电动车的控制方法。

背景技术：

我国井下辅助运输目前多采用以柴油机为动力的防爆无轨胶轮车。柴油机为动力的防爆无轨胶轮车在狭小的矿井巷道内，存在着三高一低的缺点：高排放、高油耗、高噪音、低效率。因此，零排放的矿用电动车正逐步取代柴油机为动力的防爆无轨胶轮车，成为绿色矿山的辅助运输主力。

煤矿井下的工况复杂，矿用电动车多满载运行，且经常有长距离坡道。如果按通常的矿用电动车的控制方法，当驾驶员将油门踩到底后，电机即输出最大扭矩，并将转速提至最高转速。则电机会立即以满功率，甚至峰值功率运行，对电机、电池消耗比较大。由于煤安要求规定，在由单体电池组合成电池组的时候，不允许单体电池先并联再串联，使得电池组的放电能力受到一定限制。目前矿用电动车的电池长时间放电倍率超过1c就有可能造成电池损伤。很多矿用电动车为了减小体积和降低自重，只设计一个电池箱。按规定单个电池箱内电池不许并联，这样就会由于电流经常过放而导致电池一致性下降，影响电池组整体有效放电率，进而影响续航里程，长期使用还将导致电池损坏。

另一方面，在煤矿行业，用户对矿用电动车的最高行驶速度、加速性能要求并不高，为了安全甚至会限制车辆最高车速。比如煤安规定井下锂离子蓄电池无轨胶轮车最高运行时速不得超过25km/h。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种本发明的目的是提供一种有效保护电池，延长电池使用寿命的矿用电动车的控制方法。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案之一是提供一种矿用电动车的控制方法，矿用电动车包括油门、电池管理系统、电机和整车控制器，所述电机具有电机控制器，所述油门、电池管理系统、电机控制器均与整车控制器电连接，所述控制方法包括以下步骤：

[1]、使矿用电动车在理想工况下行驶，整车控制器根据驾驶员踩下的油门深度θ计算目标车速vd，具体为：其中vmax为车辆设计最高速度，θmax为油门最大深度；根据矿用电动车的传动比，将目标车速vd换算成电机目标转速，则有其中nd为电机目标转速，nmax为电机最高转速；

[2]、整车控制器根据驾驶员踩下油门深度，计算电机需求的扭矩，为使电机达到目标转速nd，在t时刻需求扭矩tp(t)为：其中△n(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和目标转速之差，即△n(t-1)＝nd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，kp为比例系数，计算公式为其中tmax为电机最大扭矩，ki、kd为积分、微分系数；

[3]、电机控制器将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩tp(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)设置为tin(t)＝tp(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩tp(t)时，则在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)设置为tin(t)＝t(t-1)+tstep；其中tstep为电机输出扭矩的递增值。

进一步的，步骤[2]中，ki、kd为积分、微分系数，由试验或仿真软件整定，取值在0.001～0.01之间。

本发明提供的技术方案之二是提供一种矿用电动车的控制方法，矿用电动车包括油门、电池管理系统、电机和整车控制器，所述电机具有电机控制器，所述油门、电池管理系统、电机控制器均与整车控制器电连接，所述矿用电动车的控制方法包括以下步骤：

[1]、使矿用电动车在理想工况下行驶，整车控制器根据驾驶员踩下的油门深度θ计算目标车速vd，具体为：其中vmax为车辆设计最高速度，θmax为油门最大深度；根据矿用电动车的传动比，将目标车速vd换算成电机目标转速，则有其中nd为电机目标转速，nmax为电机最高转速；

[2]、整车控制器根据驾驶员踩下油门深度，计算电机需求的扭矩，为使电机达到目标转速nd，在t时刻需求扭矩tp(t)为：其中△n(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和目标转速之差，即△n(t-1)＝nd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，kp为比例系数，计算公式为其中tmax为电机最大扭矩，ki、kd为积分、微分系数；

[3]、在理想工况下，测试整车控制器保持对电机控制器设置某一数值的输入扭矩，在不同的油门深度下，根据电机控制器实时反馈的电机转速，计算出理想工况下车辆在某一数值的输入扭矩下各油门深度对应的参照加速度a0(θ)，并将a0(θ)贮存在整车控制器中；

[4]、矿用电动车日常工作行驶时，整车控制器监测在某一数值的输入扭矩下各油门深度对应的车辆的实际加速度a(θ)，将车辆的实际加速度a(θ)与对应油门深度下的参照加速度a0(θ)对比，计算出车辆的载荷系数h，具体为：其中修正系数h由试验确定；按照上述方法针对电机控制器的不同数值的输入扭矩进行监控、计算并记录存储；载荷系数h用来反映矿用电动车是否载重或爬坡，以此对相关参数进行修正，当a(θ)≥a0(θ)时，说明矿用电动车在平道空载或下坡行驶，出于安全考虑，h值取1，即不对相关参数进行修正；当a(θ)＜a0(θ)时，说明矿用电动车处于上坡或载重状态，载荷系数h大于1，需要对相关参数进行修正；

同时电机控制器将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩tp(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)预设置为tin(t)＝tp(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩tp(t)时，则在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)预设置为tin(t)＝t(t-1)+tstep；其中tstep为电机输出扭矩的递增值；

[5]、根据步骤[4]得到的t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩的预设置值tin(t)查询步骤[3]得到的记录值从而获得相对应的车辆的载荷系数h；

[6]、整车控制器计算电池状态系数q：其中soc为电池组的电量，范围为0～1，由电池管理系统提供，v为电池组总电压，b为最高电池温度，△v为电池以0.5c电流放电时，最高单体电池电压和最低单体电池电压之差，c为充放电次数；c0为充放电次数修正值，q为修正系数；

[7]、计算速度修正系数kv和扭矩修正系数kt：kt＝q·h；

[8]、利用速度修正系数kv对电机目标转速nd进行修正，得到修正后的目标转速n′d：n′d＝kv·nd；

[9]、根据修正后的目标转速n'd计算出修正后的需求扭矩t'p(t)，修正后在t时刻的需求扭矩t'p(t)为：其中△n'(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和修正后的目标转速n'd之差，即△n'(t-1)＝n'd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，k'p为修正后的比例系数，计算公式为

[10]、利用扭矩修正系数kt修正电机输出扭矩的递增步进值tstep，得到修正后的扭矩递增步进值t′step＝kt·tstep；

[11]、电机控制器连续将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩t'p(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩t'in(t)设置为t'in(t)＝t'p(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩t'p(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩t'in(t)设置为t'in(t)＝t(t-1)+t'step。

进一步的，步骤[2]中，ki、kd为积分、微分系数，由试验或仿真软件整定，取值在0.001～0.01之间；步骤[4]中，修正系数h的值为2·vmax。

本发明具有如下积极效果：(1)本发明的矿用电动车的控制方法应用至矿用电动车上时，矿用电动车满载运行或在长距离坡道上行驶时，当驾驶员将油门踩到底后，电机不会立即输出最大扭矩，也不会将电机的转速提至最高转速，矿用电动车的车速也不会立即提至目标车速vd，而是整车控制器依据当前实际车速，动态控制电机输出扭矩，将扭矩逐步递增至需求扭矩tp(t)，使矿用电动车的速度逐步接近并维持在目标车速vd。这样矿用电动车满载运行或在长距离坡道上行驶时，电机不会立即满功率运行，进而降低电池的放电电流。对电机、电池消耗比较小，从而可以有效保护电池，延长电池使用寿命。如果检测到车辆加速度低于参考值，整车控制器随即主动降低矿用电动车的目标车速以减小电机扭矩，降低电机输出功率，进而降低电池的放电电流。另一方面，如果发现电池状态下降，如电量降低、单体电池压差扩大等，也会主动降低矿用电动车的目标车速。

附图说明

图1是矿用电动车的控制原理图。

具体实施方式

(实施例1)

本实施例的一种矿用电动车的控制方法应用于矿用电动车，见图1，矿用电动车包括油门、电池管理系统、电机和整车控制器，整车控制器的型号是ecm-5554-112，所述电机具有电机控制器,电机控制器的型号可以是kbc-50/384c或nbk93/320c。所述油门、电池管理系统、电机控制器均与整车控制器电连接，所述控制方法包括以下步骤：

[1]、使矿用电动车在理想工况下行驶，整车控制器根据驾驶员踩下的油门深度θ计算目标车速vd，具体为：其中vmax为车辆设计最高速度，θmax为油门最大深度；根据矿用电动车的传动比，将目标车速vd换算成电机目标转速，则有其中nd为电机目标转速，nmax为电机最高转速。

[2]、整车控制器根据驾驶员踩下油门深度，计算电机需求的扭矩，为使电机达到目标转速nd，在t时刻需求扭矩tp(t)为：其中△n(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和目标转速之差，即△n(t-1)＝nd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，kp为比例系数，计算公式为其中tmax为电机最大扭矩，ki、kd为积分、微分系数，由试验或仿真软件整定，取值在0.001～0.01之间。

[3]、电机控制器将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩tp(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)设置为tin(t)＝tp(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩tp(t)时，则在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)设置为tin(t)＝t(t-1)+tstep；其中tstep为电机输出扭矩的递增值，其值由试验确定，对于每秒采样100次的电机系统，可使这样可以让矿用电动车平顺地加速到目标车速，避免由于输出扭矩的波动造成车辆窜动，并造成电池过度放电，让电池输出平稳，有效保护电池。

(实施例2)

本实施例的一种矿用电动车的控制方法应用于矿用电动车，见图1，矿用电动车包括油门、电池管理系统、电机和整车控制器，整车控制器的型号是ecm-5554-112，所述电机具有电机控制器,电机控制器的型号可以是kbc-50/384c或nbk93/320c。所述油门、电池管理系统、电机控制器均与整车控制器电连接，所述控制方法包括以下步骤：

[1]、使矿用电动车在理想工况下行驶，整车控制器根据驾驶员踩下的油门深度θ计算目标车速vd，具体为：其中vmax为车辆设计最高速度，θmax为油门最大深度；根据矿用电动车的传动比，将目标车速vd换算成电机目标转速，则有其中nd为电机目标转速，nmax为电机最高转速。

[2]、整车控制器根据驾驶员踩下油门深度，计算电机需求的扭矩，为使电机达到目标转速nd，在t时刻需求扭矩tp(t)为：其中△n(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和目标转速之差，即△n(t-1)＝nd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，kp为比例系数，计算公式为其中tmax为电机最大扭矩，ki、kd为积分、微分系数，由试验或仿真软件整定，取值在0.001～0.01之间。

[3]、在理想工况下，测试整车控制器保持对电机控制器设置某一数值的输入扭矩，在不同的油门深度下，根据电机控制器实时反馈的电机转速，计算出理想工况下车辆在某一数值的输入扭矩下各油门深度对应的参照加速度a0(θ)，并将a0(θ)贮存在整车控制器中。

[4]、矿用电动车日常工作行驶时，整车控制器监测在某一数值的输入扭矩下各油门深度对应的车辆的实际加速度a(θ)，将车辆的实际加速度a(θ)与对应油门深度下的参照加速度a0(θ)对比，计算出车辆的载荷系数h，具体为：按照上述方法针对电机控制器的不同数值的输入扭矩进行监控、计算并记录存储；其中修正系数h由试验确定，其值一般在2·vmax左右。载荷系数h用来反映矿用电动车是否载重或爬坡，以此对相关参数进行修正，当a(θ)≥a0(θ)时，说明矿用电动车在平道空载或下坡行驶，出于安全考虑，h值取1，即不对相关参数进行修正。当a(θ)＜a0(θ)时，说明矿用电动车处于上坡或载重状态，载荷系数h大于1，需要对相关参数进行修正；

同时电机控制器将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩tp(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)预设置为tin(t)＝tp(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩tp(t)时，则在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩tin(t)预设置为tin(t)＝t(t-1)+tstep；其中tstep为电机输出扭矩的递增值，其值由试验确定，对于每秒采样100次的电机系统，可使这样可以让矿用电动车平顺地加速到目标车速，避免由于输出扭矩的波动造成车辆窜动，并造成电池过度放电，让电池输出平稳，有效保护电池。

[5]、根据步骤[4]得到的t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩的预设置值tin(t)查询步骤[3]得到的记录值从而获得相对应的车辆的载荷系数h。

[6]、整车控制器计算电池状态系数q：其中soc为电池组的电量，范围为0～1，由电池管理系统提供。v为电池组总电压，t为最高电池温度，单位为开尔文，△v为电池以0.5c电流放电时，最高单体电池电压和最低单体电池电压之差，由电池管理系统通过监测电池放电电流计算得到，c为充放电次数，c0为充放电次数修正值，对于可充放电2000次的磷酸铁锂电池来说，c0可取1000。q为修正系数，由试验确定，对于额定电压为384v的电池组，其值在0.02～0.05之间。电池状态系数q反映电池优劣状态，当电池系统的电量soc下降、压差△v增大，或者充放电次数c增加时，电池状态系数下降。

[7]、计算速度修正系数kv和扭矩修正系数kt：kt＝q·h。

[8]、利用速度修正系数kv对电机目标转速nd进行修正，得到修正后的目标转速n'd：n'd＝kv·nd，即当电池状态下降，或者载荷系数上升时，降低电机目标转速，从而降低矿用电动车的目标车速。

[9]、根据修正后的目标转速n'd计算出修正后的需求扭矩t'p(t)，修正后在t时刻的需求扭矩t'p(t)为：其中△n'(t-1)为(t-1)时刻电机实际转速和修正后的目标转速n'd之差，即△n'(t-1)＝n'd-n(t-1)，n(t-1)由电机控制器实时反馈，k'p为修正后的比例系数，计算公式为

[10]、利用扭矩修正系数kt修正电机输出扭矩的递增步进值tstep，得到修正后的扭矩递增步进值t′step＝kt·tstep，即当电池状态下降，或载荷系数下降时，减小扭矩递增值。

[11]、电机控制器连续将电机在(t-1)时刻的实际输出扭矩t(t-1)反馈到整车控制器，当实际输出扭矩t(t-1)达到需求扭矩t'p(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩t'in(t)设置为t'in(t)＝t'p(t)，当实际输出扭矩t(t-1)未达到需求扭矩t'p(t)时，在t时刻整车控制器对电机控制器的输入扭矩t'in(t)设置为t'in(t)＝t(t-1)+t'step。

采用本发明的矿用电动车的控制方法，驾驶员踩下油门后，电机不会马上输出最大扭矩，矿用电动车的车速也不会立即提至目标车速vd，而是整车控制器依据当前实际车速，动态控制电机输出扭矩，将扭矩逐步递增至需求扭矩tp(t)，使矿用电动车的速度逐步接近并维持在目标车速vd。并在此过程中实时监测矿用电动车的加速度以判断矿用电动车是否处于爬坡或载重状态。如果检测到车辆加速度低于参考值，整车控制器随即主动降低矿用电动车的目标车速以减小电机扭矩，降低电机输出功率，进而降低电池的放电电流。另一方面，如果发现电池状态下降，如电量降低、单体电池压差扩大等，也会主动降低矿用电动车的目标车速以降低电机功率，进而降低电池的放电电流。从而可以有效保护电池，延长电池使用寿命。

在实际应用中，某矿用电动车爬6度坡，如果采用传统的矿用电动车的控制方法，起步时电流会有180a，车速稳定后电流有120a左右。采用本发明的矿用电动车的控制方法后，控制器检测到车辆爬坡后，将目标车速降低30％，起步时电流100a左右，车速稳定后电流60a左右。经试验采用本发明的矿用电动车的控制方法后大大地延长电池的使用寿命。

以上各实施例及应用例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。