履帶式推土機電傳動系統(tǒng)多能源管理策略研究

潘 明，嚴 駿，涂群章，丁 喬

(1.解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007；2. 中國人民解放軍63607部隊， 甘肅 蘭州 732750)

履帶式推土機電傳動系統(tǒng)多能源管理策略研究

潘 明1，嚴 駿1，涂群章1，丁 喬2

(1.解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007；2. 中國人民解放軍63607部隊， 甘肅 蘭州 732750)

針對包含發(fā)動機-發(fā)電機組、電池組和超級電容3個能量源的履帶式電傳動推土機，首先，分析了履帶推土機典型作業(yè)工況的電能需求；其次，根據(jù)3個能量源各自的輸出特性，設計了基于小波變換與模糊規(guī)則的多能源管理策略；最后，通過MATLAB/Simulink進行了電傳動系統(tǒng)建模與仿真分析。仿真結果表明：所設計的多能源管理策略可以快速響應推土作業(yè)時的能量需求，能夠對電傳動推土機的能量分配進行實時有效控制。

履帶推土機；電傳動；小波變換；模糊控制

0 引言

電傳動技術被廣泛應用于汽車、工程機械、港口起重機械等領域。作為整車控制的核心內容，相應的能量管理策略也得到了廣泛的研究，主要包括：(1)基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略[1];(2)基于模糊邏輯的控制策略[2];(3)基于局部瞬時優(yōu)化的控制策略[3];(4)基于靜態(tài)全局優(yōu)化的控制策略；(5)分別基于貝爾曼動態(tài)規(guī)劃[4]和最優(yōu)化方法的控制策略[5]。

電傳動技術在推土機上的應用尚處于起步階段，目前僅有卡特彼勒公司推出了一款電傳動推土機—D7E型推土機，相應的能量管理策略也很少有人研究。推土機在行駛工況下的能量管理策略可參考汽車及履帶裝甲車輛的控制策略，然而在推土工況下，后功率鏈的功率需求與汽車和裝甲車輛存在很大差異，二者的控制策略對推土工況并不適用，因此推土工況下的多能源管理是電傳動推土機亟待解決的難題。

本文針對包含發(fā)動機-發(fā)電機組、電池組和超級電容3個能量源的電傳動系統(tǒng)，結合小波變換理論和模糊邏輯控制策略建立了多能源管理策略。在進行能量分配時，不僅滿足從功率大小的角度來進行能量分配，而且考慮功率需求的變化頻率對發(fā)動機-發(fā)電機組、電池組和超級電容的影響，發(fā)揮超級電容在滿足高頻暫態(tài)功率需求上的優(yōu)勢，使發(fā)動機-發(fā)電機組穩(wěn)定工作在燃油高效區(qū)，有效減少了電池組充放電電流及充放電頻率，有利于提高電池使用壽命。

1 推土機電傳動系統(tǒng)結構

本文研究的履帶式推土機驅動系統(tǒng)采用串聯(lián)式雙側電機獨立驅動結構，如圖1所示。系統(tǒng)主要由綜合控制器、發(fā)動機-發(fā)電機組、整流器、電池組、超級電容、雙向DC/DC變換器、驅動電機及其控制器組成。

圖1 串聯(lián)式雙側電機獨立驅動系統(tǒng)結構

圖2 典型推土作業(yè)工況

2 多能源管理策略設計

2.1 推土作業(yè)工況電能需求分析

圖2為推土機典型作業(yè)工況之一。設定推土機按照如下方式運行：0～4 s 空載行駛，4～16 s鏟土作業(yè)，16～30 s運土作業(yè)，30～33 s卸土作業(yè)，33～35 s停車，35～45 s倒退行駛。

Pcom：總功率需求，Pcap：電容輸出功率，Pbat：電池輸出功率，Pgen：發(fā)動機/發(fā)電機組輸出功率Pcom_cap：電容目標功率，Pcom_bat：電池目標功率，Pcom_gen：發(fā)動機/發(fā)電機組目標功率

圖3 推土機行駛速度與阻力

推土機目標行駛速度和行駛阻力如圖3所示，后功率鏈功率需求如圖4所示。從圖3可以看出，推土機所受阻力存在一定波動，尤其在鏟土階段，由于切土深度的變化和地面上堅硬障礙物的存在，導致推土鏟刀承受較大的沖擊載荷，因此推土機后功率鏈功率需求中存在高頻暫態(tài)分量。在前功率鏈的3個能量源中，發(fā)動機響應速度較慢，電池組不宜頻繁充放電，而且過大的充放電電流會降低電池的使用壽命[6]，因此二者均不適于承擔高頻暫態(tài)功率；相反，超級電容的功率密度和充放電循環(huán)次數(shù)要高得多，能夠滿足暫態(tài)快速功率需求。

圖4 后功率鏈功率需求

根據(jù)推土機后功率鏈功率需求，針對前功率鏈3個能量源各自的特點，結合小波變換理論和模糊控制理論設計的能量管理策略如圖5所示。首先對目標功率需求進行小波變換提取出低頻分量，若低頻分量為負值，則推土機處于制動狀態(tài)，將回饋能量用于電池充電；若低頻分量為正值，則通過模糊控制規(guī)則將能量需求合理分配到發(fā)動機-發(fā)電機組和電池組。

2.2 小波變換

由于功率需求是離散信號，因此采用離散小波變換將離散功率需求信號分解到不同的分解層。離散小波變換及其逆變換為[7]：

(1)

(2)

其中，x(t)為原始信號；λ為尺度因子，λ=2j，j∈Z；Φ為母函數(shù)；μ為平移因子，μ=k2j，j,k∈Z；W為小波系數(shù)。

與其他常見的小波相比，Haar小波的母函數(shù)在時域中的濾波跨度最短，且Haar小波變換與其逆變換是相同的，表達式為：

(3)

由于其變換比較容易，因此文中利用基于Haar小波的2通道濾波器組，通過一個低通濾波器H0(z)和一個高通濾波器H1(z)，分別將原始信號x(t)分解成基準信號和細節(jié)信號，通過重構濾波器[G1(z),G0(z)]T實現(xiàn)信號重構[8]。基于三級Haar小波建立的分解和重構輸入信號x(t)模型如圖6所示。

圖6 三級Haar小波變換示意圖

2.3 模糊控制策略

本文定義了雙輸入單輸出模糊控制策略，模糊控制的基本過程如圖7所示。輸入為發(fā)動機載荷fp和電池組荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，輸出為功率分配系數(shù)xf。

圖7 模糊控制策略框圖

(4)

其中，Pcom_LF為功率需求中的低頻正值部分，Pgen_max為發(fā)動機/發(fā)電機組的最大輸出功率。

發(fā)動機/發(fā)電機組目標輸出功率Pcom_gen和電池組目標輸出功率Pcom_bat分別定義為：

Pcom_gen=xf·Pcom_LF

(5)

Pcom_bat=(1-xf)·Pcom_LF

(6)

發(fā)動機載荷fp和電池組SOC模糊化后的隸屬度函數(shù)表達式如圖8所示，其中：

圖8 模糊輸入隸屬度函數(shù)

fp:{S,M,B}，范圍[0～1]代表發(fā)動機載荷[0～Pgen_max]。

電池SOC:{CS,CM,CB,FS,FM,FB}，范圍[0.6～0.8]代表電池組荷電狀態(tài)變化區(qū)間。

分配系數(shù)xf定義如表1所示。采用Mamdani作為解模糊化算法[9]，設計出18條模糊規(guī)則，如表2所示。

表1 分配系數(shù)xf隸屬度函數(shù)

3 電傳動系統(tǒng)建模

基于Simulink建立的電傳動系統(tǒng)仿真平臺如圖9所示，主要包括發(fā)動機-發(fā)電機組模型、電池組模型、超級電容模型。

3.1 發(fā)動機/發(fā)電機組模型

根據(jù)發(fā)動機與發(fā)電機轉速之間的耦合關系，將發(fā)動機與發(fā)電機作為一個整體進行建模，永磁同步電機加整流橋的等效電路如圖10所示，忽略發(fā)電機內阻壓降和轉矩損失，則直流母線電壓和發(fā)電機電磁轉矩可表示為：

(7)

其中，Keωg為發(fā)電機感應電動勢，Kxωg為等效阻抗，IDC為直流母線電流。

3.2 電池組模型

電池的建模采用等效內阻模型，將電池等效為一個理想電壓源與內阻串聯(lián)，其等效電路如圖11所示。因此有：

Ubat=Vbat-IbatRs

(8)

其中，Vbat為電路開路電壓，Rs為等效內阻，Ibat電池組輸出電流，Ubat電池組端電壓。

開路電壓Vbat和等效內阻Rs都是與SOC和溫度有關的變量，建模時忽略溫度變化的影響，Vbat和Rs通過輸入SOC值查表獲得，電池組SOC通過安時計數(shù)法進行計算：

(9)

其中，SOC(t)為當前時刻電池組的SOC；Q0為電池組的初始容量；i(τ)為電池組放電電流，符號規(guī)定放電為正，充電為負；Qmax為電池組的最大容量。

圖9 電傳動系統(tǒng)仿真平臺

圖10 發(fā)動機-發(fā)電機組等效

圖11 電池組等效電路模型

3.3 超級電容模型

電容建模采用等效RC模型，如圖12所示。

I0：理想電容的輸出電流，Icap：實際輸出

根據(jù)等效電路模型，有：

(10)

超級電容SOC計算方程如式(11)所示：

(11)

其中，Vmin為電容最小開路電壓，Vmax為電容最大開路電壓。

4 仿真結果分析

前功率鏈功率分配如圖13所示，從圖中可以看出發(fā)動機-發(fā)電機組作為主要動力源承擔大部分功率需求，電池組作為輔助能量源在發(fā)動機-發(fā)電機組功率輸出不足時提供電能，在制動時回收能量，起到削峰填谷的作用。由于提取出了大部分高頻暫態(tài)分量，發(fā)動機-發(fā)電機組和電池組功率需求相對平穩(wěn)，有利于提高發(fā)動機組的工作效率和延長電池組的使用壽命。超級電容主要承擔功率需求中的高頻暫態(tài)分量，其快速充放電特性可以滿足瞬時功率需求。

發(fā)動機-發(fā)電機組的目標功率和實際輸出功率曲線如圖14所示，從圖中可以看出發(fā)動機組具有良好的功率跟隨特性，但是在功率突變處存在一定偏差，主要是由于發(fā)動機切換工作狀態(tài)時需要一定的響應時間。

電池組和超級電容SOC變化曲線如圖15所示，電池SOC波動較小，基本保持在0.7左右，超級電容SOC變化較大，在0.45～0.75之間，充分利用了其快速放電和深度優(yōu)勢。電池組和超級電容充放電電壓電流分別如圖16和圖17所示，通過比較，電池組充放電電流在-100～+250 A之間波動，相對平穩(wěn)，超級電容電流在-200～+400 A之間波動，變化較快。

圖13 前功率鏈功率分配

圖14 發(fā)動機功率跟隨曲線

圖15 電池和電容SOC變化曲線

圖16 電池組充放電電壓電流

圖17 超級電容充放電電壓電流

5 結論

本文以履帶推土機電傳動系統(tǒng)多能源管理策略為研究對象，首先以某型履帶推土機典型推土作業(yè)工況的能量需求為依據(jù)，綜合運用小波技術與模糊控制技術設計了前功率鏈3個能量源的分配策略，之后建立了履帶推土機電傳動系統(tǒng)仿真平臺。仿真結果表明，所設計的多能源管理策略在滿足功率需求的前提下，綜合考慮3個能量源各自的特點，能夠對電傳動推土機推土工況下的功率分配進行

實時有效控制。

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Research on multi-energy management strategy of the electric drive system of a tracked bulldozer

Pan Ming1, Yan Jun1, Tu Qunzhang1, Ding Qiao2

(1. College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2.Troops 63607 of PLA, Lanzhou 732750, China)

The multi-energy management strategy of electric drive system of tracked bulldozer was researched. Firstly, the power requirement in typical working condition of a tracked bulldozer was analyzed. Secondly, the power distribution strategy for three energy sources in the front power chain was proposed by using wavelet theory and fuzzy control theory. At last, model of the electric drive system was built in MATLAB/Simulink and the simulation was carried out. The simulation result shows that back power chain’s power output can meet the front power chain’s power requirement, and the designed multi-energy management strategy can be used in real-time control of the electric drive bulldozer.

tracked bulldozer; electric drive; wavelet transform; fuzzy control

TP391.9；TH39

A

1674-7720(2016)04-0012-05

潘明，嚴駿，涂群章，等．履帶式推土機電傳動系統(tǒng)多能源管理策略研究[J] .微型機與應用，2016，35(4)：12-16.

2015-10-30)

潘明(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向：電傳動系統(tǒng)能量管理與整車控制。

嚴駿(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：軍事裝備試驗與論證。

涂群章(1969-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：機械裝備機電一體化。 E-mail：tqzlhnj@126.com。