氣電混合動力清掃車系統(tǒng)設計及控制策略研究

張 君，桑盛遠

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006；2.太原重型機械設備協(xié)同創(chuàng)新中心， 太原 030024；3.太原科技大學機械工程學院，太原 030024)

氣電混合動力清掃車在環(huán)境衛(wèi)生建設中得到了越來越多的重視[1-7]，而對于礦山區(qū)域內道路垃圾的清掃車輛[8-11]卻關注的較少。對于混合動力清掃車技術的研究，文獻[12-18]介紹了目前我國高校以及科研機構在氣電混合動力清掃車關于驅動方案、控制理論、經濟性能等方面的研究成果及關鍵零部件的開發(fā)。但是仍然面對的問題是沒有解決關鍵技術或者是尚未很好的掌握核心技術。

鑒于上述問題，本文在一款傳統(tǒng)的雙發(fā)動機驅動的掃路車基礎上，滿足防爆要求，將其改造成礦用氣電混合動力清掃車，并且對該清掃車動力系統(tǒng)進行設計和控制研究。主要研究內容如下：

首先在傳統(tǒng)道路清掃車的基礎上設計出新的動力系統(tǒng)布置方案，進行了關鍵部件參數(shù)的匹配，制定了清掃車轉場模式和清掃模式下的動力系統(tǒng)傳遞路線。提出了礦用電動清掃車混合動力系統(tǒng)的控制策略，最后在matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了動力系統(tǒng)仿真模型，進行離線仿真，驗證了混合動力系統(tǒng)方案控制策略的可行性和優(yōu)越性，最終達到了提高動力學、燃油經濟性的目標。

1 整車動力系統(tǒng)方案設計及基本參數(shù)

1.1 動力系統(tǒng)方案設計

原型車動力系統(tǒng)布置方案如(圖1a)所示。傳統(tǒng)道路清掃車原始動力系統(tǒng)結構的基礎上，進行合理改造，設計出新的動力系統(tǒng)布置方案，如圖1b所示。

圖1 道路清掃車動力系統(tǒng)結構對比Fig.1 The structure comparison of power system for road sweeper

新方案只采用一個主發(fā)動機，舉升機構直接由變速器、液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)舉升作業(yè)。發(fā)動機、動力耦合器的連接實現(xiàn)清掃車的行走作業(yè)，電機、動力耦合器的連接實現(xiàn)清掃作業(yè)，清掃車行駛系統(tǒng)和清掃作業(yè)系統(tǒng)的動力切換由動力耦合器完成。動力耦合器結構如圖2所示。

圖2 動力耦合器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of power coupler structure

變速器和電機的輸出動力作為耦合器的輸入部分；行駛系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)作為耦合器的輸出部分。風機動力和掃刷機構的液壓動力都來自作業(yè)系統(tǒng)。上述結構決定了清掃車輛在轉場模式和清掃模式下動力系統(tǒng)的動力傳遞路線，具體為：

(1)轉場運輸模式

動力傳遞路線為：

變速箱輸出軸/動力分流器一軸 → 一軸固聯(lián)齒輪及接合套 → 一軸行駛動力輸出齒輪同步器 → 行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力輸出軸。

(2)清掃模式

動力傳遞路線分為行駛動力路線和工作動力路線，分別為：

行駛動力

電機動力輸入軸/動力分流器二軸 → 二軸固聯(lián)齒輪及接合套 → 二軸行駛動力輸出齒輪同步器 → 二軸空套行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力

工作動力

變速箱輸出軸/動力分流器一軸→一軸固聯(lián)齒輪及接合套→一軸工作動力輸出齒輪同步器→一軸空套工作動力輸出齒輪→工作動力輸出雙聯(lián)齒輪→工作動力輸出錐齒輪→工作動力輸出軸

表1 動力耦合器工作狀態(tài)

表1給出了兩種模式下各關鍵部件的工作情況，顯然，所設計的動力傳動方案中取消了副發(fā)動機，實現(xiàn)了減重、環(huán)保、可靠性高、控制性能好的目標。

1.2 車型基本參數(shù)及性能要求

道路清掃車的基本參數(shù)如表2所示。

表2 道路清掃車基本參數(shù)及設計要求

氣電混合動力清掃車的性能參數(shù)如表3所示。

表3 道路清掃車設計要求

2 雙動力系統(tǒng)關鍵部件參數(shù)匹配

在考慮發(fā)動機轉矩輸出特性、發(fā)動機萬有特性、電機輸出特性、車輛的布置空間，以及動力耦合器的結構等因素后，確定動力耦合器(如圖2所示)中齒輪11與齒輪6的傳動比iz1=5.76；齒輪2與齒輪14的傳動比iz2=0.6，齒輪13處錐齒輪傳動比iz3=1.76.

2.1 發(fā)動機參數(shù)匹配

本文設計的混合動力系統(tǒng)結構方案中，發(fā)動機的選擇準則設計如下：

(1)掃路車可達到預期的最高車速；(2)掃路車具有一定的爬坡性能；(3)掃路車在清掃模式下可提供作業(yè)系統(tǒng)的需求動力；(4)最大程度保證發(fā)動機工作在最優(yōu)工作區(qū)間。

(1)轉場模式

根據(jù)轉場運輸模式下的最高車速要求，發(fā)動機的計算功率為：Pev≥

(1)

經計算，Peu≥127.61 kW.

根據(jù)轉場模式下的最大爬坡度要求，發(fā)動機的計算功率為：

(2)

經計算，Pei≥91.33 kW.

綜合最高車速和最大爬坡度要求，按照高選原則，有：

Pe≥max(Peu,Pei)

(3)

故初選發(fā)動機在轉場模式下的功率為127.61

kW.

(2)清掃模式

在清掃模式下，有：

Pe≥PF+PS

(4)

式中:PF、PS分別為風機、掃刷機構的最大需求功率，kW.

經計算，Pe≥40 kW.為節(jié)約成本，考慮原型車的發(fā)動機輸出特性，如圖3所示，其中，圖4、圖5分別為發(fā)動機在100%負荷下的外特性以及萬有特性。發(fā)動機參數(shù)匹配如表4.

表4 發(fā)動機匹配參數(shù)

圖3 發(fā)動機外特性Fig.3 Engine external characteristics

圖4 發(fā)動機萬有特性Fig.4 Engine mapping characteristics

顯然，原型車的發(fā)動機功率能夠覆蓋前面計算功率且接近計算功率，不妨暫選該款發(fā)動機，并繼續(xù)對其轉矩特性進行校核。

針對設計要求提出的最高車速、爬坡度要求，不僅要滿足整車功率需求，還應結合傳動系統(tǒng)速比，校核發(fā)動機的輸出轉矩是否滿足驅動力需求。根據(jù)所選的發(fā)動機轉矩外特性以及表1中給出的各個檔位傳動比，繪制出整車驅動力及行駛阻力平衡曲線，如圖5所示，以及整車最大爬坡度曲線，如圖6所示。由圖5-6可知，該款發(fā)動機能較好的與轉場模式下的性能需求相匹配。

圖5 驅動力及行駛阻力平衡圖Fig.5 Driving force and resistance balance diagram

圖6 各檔位最大爬坡度Fig.6 Maximum climb slope for each gear position

同時，進一步考慮清掃模式下的經濟性。清掃模式下，根據(jù)風機轉速需求以及液壓系統(tǒng)的傳動比關系，可反推得到，動力分流器的輸入端額定轉速應為1 500 rpm，因此，結合發(fā)動機的轉速范圍及變速器速比，可知，在額定清掃工況下，可選擇變速器4、5、6檔，根據(jù)表2給出的工作機構額定負載功率，計算出不同檔位時發(fā)動機的工況點的分布情況，結合圖4給出的發(fā)動機萬有特性，可查的各個工作點對應的燃油消耗率，對比分析發(fā)現(xiàn)，直接選擇檔(V檔)時，發(fā)動機的燃油消耗率最低，為229.2 g/kW·h，如表5所示，基本接近發(fā)動機的最低燃油消耗率值。

表5 清掃巡航模式下不同檔位下發(fā)動機工作點 (需求轉速為1 500 rpm)

2.2 電機參數(shù)匹配

氣電混合動力清掃車的最大爬坡度確定電機最大轉矩，記電機額定功率、最高轉速和峰值轉矩分別為Pmv、nmax及Tmax，則有：

(5)

按照最大爬坡度確定電機峰值功率，即：

(6)

(7)

經計算，Pm≥12.4 kW，Tmax=226 Nm,nmax=3 903 rpm

按照上述計算參數(shù)，綜合考慮電機性能、成本及外形尺寸等因素，最終選擇某款電機，其實際參數(shù)如表6所示。

表6 驅動電機匹配參數(shù)

2.3 動力電池參數(shù)匹配

選擇高比能量鋰電池作為清掃模式下整車行駛時的動力源。

電池電壓等級應與電機電壓等級相一致，參照GBT 18488.1-2001中推薦的電源電壓等級，并結合電機控制器電壓輸入范圍，選擇動力電池電壓平臺為336 V，電池類型選擇單體電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池，電池成組方式為105節(jié)單體電池串聯(lián)。

(1)電池組需求能量

電池組儲存的能量直接決定了整車在純電動模式下的續(xù)航時間或續(xù)駛里程，故電池組需求能量由式(8)進行計算：

(8)

式中：E為電池組需求總能量，kWh；Pavr為純電動模式，也即清掃模式下電機的平均功耗，kW；t為要求的續(xù)航時間，h，可按下式(9)計算；ηm，ηb分別為電機的工作效率和電池的充放電效率，DOD為電池最大放電深度，一般取為90%.

(9)

式中，Sreq為要求的續(xù)駛里程，usw為平均巡航車速，取10 km/h.

(2)電池容量計算

在計算出電池組需求能量后，結合電池電壓，對電池容量進行估算，有：

(10)

式中：C為電池容量，Ah；E為電池組能量，kWh；UB為電池組總電壓，V.

將整車參數(shù)代入式(8)、(9)及式(10)，計算得到：E=42 kWh，C=125 Ah，具體如表7所示。

表7 動力電池匹配參數(shù)

3 整車仿真模型的建立

3.1 控制系統(tǒng)結構及控制策略

為了實現(xiàn)掃路車不同模式下的驅動方案，本文設計了以整車控制器(VCU)為總調度單元的控制系統(tǒng)結構，如圖7所示，發(fā)動機ECU、電機控制器、電池管理單元作為獨立的子控制器，通過CAN總線與VCU進行數(shù)據(jù)通信，共同完成清掃車的整車功能。

根據(jù)清掃車的動力系統(tǒng)結構和作業(yè)功能需求，在制定整車控制策略時，將整車工作模式劃分為轉場模式和清掃模式，模式的判斷由整車控制器綜合駕駛員輸入信息完成，電機控制器和發(fā)動機ECU作為控制系統(tǒng)的子節(jié)點，由整車控制器進行統(tǒng)一協(xié)調，控制策略流程如圖8所示。

圖7 整車控制系統(tǒng)結構Fig.7 Vehicle control system structure

圖8 整車控制策略流程圖Fig.8 Flow chart of vehicle control strategy

3.2 駕駛員模型

駕駛員模型有PID控制和模糊控制兩種方式可供選擇[19-24]，本文采用PID駕駛員模型，以實際車速和目標車速的偏差。

3.3 發(fā)動機模型

本文采用基于實驗數(shù)據(jù)的查表建模方法建立發(fā)動機模型。

發(fā)動機輸出轉矩由節(jié)氣門開度和轉速決定，忽略其動態(tài)特性時，有：

Te=f(αe,ne)

(11)

式中，Te發(fā)動機轉矩，Nm；αe為節(jié)氣門開度；ne為發(fā)動機轉速，r/min.而函數(shù)關系Te=f(αe,ne)可通過發(fā)動機臺架試驗測得，如圖9所示。

圖9 發(fā)動機轉矩輸出特性Fig.9 Engine torque output characteristics

發(fā)動機的燃油消耗率由發(fā)動機的輸出轉矩、轉速決定，在某一轉速ne轉矩Te下的燃油消耗率可由式(12)表示：

ge=f(ne,Te)

(12)

式中，ge表示發(fā)動機在(ne,Te)點的燃油消耗率，g/(kW·h).函數(shù)關系f可由發(fā)動機的萬有特性(見圖4)插值得到。

于是，某時刻油耗B的計算公式為：

B=gePe

(13)

式中：B——發(fā)動機每小時燃油消耗量，g/h；

Pe——發(fā)動機輸出功率，kW.

燃油消耗量表達式為：

(14)

式中：Vfuel表示燃油消耗總量，g；t表示仿真時間，s.

3.4 電機驅動系統(tǒng)模型

電機驅動系統(tǒng)采用轉矩控制模式，忽略電機內部復雜的變量關系，采用試驗建模方法建立電機模型，有：

Tm(nm)=β·Tm_max(nm)

(15)

式中：Tm為電機實際轉矩，Nm；β為加速踏板開度，Tm_max為當前轉速nm下電機可輸出的最大轉矩，Nm，可由電機外特性曲線得到。

驅動系統(tǒng)效率由電機轉速及輸出轉矩決定，如式(16)，在驅動電機穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)基礎上(見圖10)，采用多項式擬合的方法建立電機驅動系統(tǒng)效率數(shù)值模型：

ηm=Eff(nm,Tm)

(16)

式中：ηm為電機效率，nm為電機當前轉速，函數(shù)關系Eff由圖10給出的效率曲面插值實現(xiàn)，而效率曲面同樣通過臺架測試獲得。

圖10 電機效率曲面Fig.10 Efficiency map of the motor

于是，電機驅動系統(tǒng)在仿真過程中消耗的能量由式(17)給出。

(17)

式中：Vele為電機驅動系統(tǒng)消耗的電池能量，J；Tm為電機輸出轉矩，Nm；nm為電機輸出轉速，r/min，t為仿真時間，s.

3.5 電池模型

電池模型負責根據(jù)電機驅動系統(tǒng)需求功率，實時計算電池母線電壓、電流以及電池荷電狀態(tài)(SOC)。采用開路電壓-內阻模型時，開路電壓、內阻被認為是關于電池溫度、SOC的函數(shù)[25-26]，此時，母線電壓U、電流I以及電池SOC分別由式(18)、(20)和(21)給出。

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：U、Uoc分別表示電池輸出電壓和開路電壓，V，Rint為電池組內阻，Ω，在仿真過程中可由圖13插值計算；Pmr為電機驅動系統(tǒng)輸入功率，W；CN為電池額定容量，Ah.

3.6 作業(yè)系統(tǒng)模型

掃路車的作業(yè)系統(tǒng)在固定檔位作業(yè)時，風機轉速恒定、掃刷機構轉速恒定，即系統(tǒng)消耗功率恒定，仿真過程中采用額定負載。

3.7 整車動力學模型

只考慮車輛的縱向運動時，由汽車縱向行駛方程式，可獲得車輛的縱向運動狀態(tài)，即:

(22)

式中：Tt表示發(fā)動機或電機輸出轉矩，Nm；ua表示車速，km/h；du/dt表示車輛加速度，m/s2；δ表示旋轉質量換算系數(shù)，一般取1.015.

4 整車性能仿真及結果分析

基于Maltab/Simulink平臺，分別對清掃車在轉場、清掃兩種模式下的運行狀態(tài)下仿真分析。

4.1 轉場模式仿真分析

掃路車處于轉場運輸模式時，只有行駛系統(tǒng)工作。轉運路段多為夜間城市路段，路況良好、車流量小，很少存在頻繁停車等工況，因此，參照文獻[25-26],制定了如圖11所示的轉運模式循環(huán)工況，整個循環(huán)工況持續(xù)時間1 200 s，平均車速46.95 km/h.仿真參數(shù)分別按表2、表3取值，仿真結果如圖15所示。

圖11 轉場模式循環(huán)工況Fig.11 Transiting mode cycle

圖12(a)為實際車速對期望車速的跟隨情況，從圖中可看出仿真模型與實現(xiàn)期望車速的跟隨存在微小的偏差。

圖12(b)為變速器檔位的變化情況，仿真時采用車速、加速踏板開度兩參數(shù)經濟性換檔規(guī)律，當實際車速大于換檔車速時，升檔，當實際車速小于降檔車速時，降檔；而升檔車速和降檔車速與踏板開度有關，由預先制定好的換檔規(guī)律給出。由圖12(b)可以看出，隨著循環(huán)車速的變化，變速器檔位在1～6檔之間切換合理，符合實際工況需求。

圖12(c)、12(d)分別為轉場運輸模式下發(fā)動機轉矩以及油耗的變化情況。其中，轉矩的不斷調節(jié)使得車輛實際車速較好的跟蹤目標車速，而在完成整個循環(huán)工況后，發(fā)動機的油耗值為3.2 kg，因此，轉場模式下混合動力掃路車的百公里油耗V100可由式(23)計算：

圖12 轉場模式仿真結果Fig.12 Simulation results in transiting mode

(23)

式中：Vcyc為循環(huán)工況燃油消耗量，kg；ucyc_ave為循環(huán)工況平均車速，km/h.

經計算，轉場模式下混合動力掃路車的百公里油耗為：

V100=24.34(L/100 km)

(24)

4.2 清掃模式仿真分析

在清掃模式下，掃路車行駛系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)同時工作。根據(jù)夜間清掃作業(yè)時速度慢的工況，制定的循環(huán)工況如圖13所示。具體規(guī)劃為當總路程為3.45 km，總時間為1 200 s，進行仿真。清掃檔桿位置14所示，為了減少能源浪費，采用2檔，可以保證車速較快的時候清潔程度也高；若較低速度的時候直接采用一檔即可保證完成清潔任務。仿真參數(shù)分別按表2、表3取值，仿真結果如圖14所示。

圖13 清掃模式循環(huán)工況Fig.13 Working mode cycle

圖14 清掃檔桿位置Fig.14 Working mode rod position

圖15(a)為清掃模式下實際車速對期望車速的目標跟隨狀況，結果表明較好，車速跟蹤過程中電機轉矩的變化情況如圖15(b)所示，可見，電機輸出轉矩能夠根據(jù)目標車速的變化而迅速做出調整；電池的輸出電壓、電流分別見圖15(c)、15(d)、15(e)，可得SOC值一直下降。電機需求功率瞬間增大/減小發(fā)生在車輛的加速時候；電池的電壓、電流發(fā)生突變，和實際車輛運行狀態(tài)相一致。電池電壓與電機的輸出轉矩變化基本上沒有太大的出入。

圖15(f)為清掃機構的轉速變化情況，其與圖14給出的檔桿位置一致。圖15(f)是清掃機構轉速變化情況，與之相對應的發(fā)動機輸出轉矩調節(jié)過程見圖15(g)，二者變化吻合；調速過程中發(fā)動機油耗情況見圖15(h)，掃路車工作1 200 s，發(fā)動機油耗為2.47 kg，則清掃模式下混合動力掃路車的小時油耗為：

(25)

式中：Vw_cyc為循環(huán)工況時間內的發(fā)動機油耗量，kg；Tcyc為循環(huán)工況時間，s；Vw為發(fā)動機小時油耗，L/h.計算可知：

Vw=8.82 L/h

(26)

在清掃模式下，未改造的掃路車帶兩個發(fā)動機的總油耗是12 L/h，節(jié)油率：

Ls=26.5%

(27)

圖15 清掃模式仿真結果Fig.15 Working mode simulation result

計劃每天清掃5 h，轉場運輸50 km，得到混合動力掃路車每天的油耗：

(28)

因此，混合動力掃路車的總節(jié)油率：

(29)

表8為經濟性能指標和仿真結果的對比表。可得：新方案下的綜合節(jié)油率提高了2%.

表8 清掃車燃油經濟性

5 結論

本文設計出了礦用電動清掃車的新動力系統(tǒng)布置方案，進行了關鍵部件參數(shù)的匹配。在轉場模式和清掃模式下，設置了混合動力傳動系統(tǒng)的傳遞路線和控制策略，用Matlab/Simulink驗證了該控制策略的可行性和優(yōu)越性，最終提高了清掃車的動力學和燃油經濟性。