混合動(dòng)力推土機(jī)再生制動(dòng)能量回收策略研究

黃亞軍，姜雨田，王 昌，趙 勇

（1. 山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

近年來，隨著推土機(jī)需求的持續(xù)增高，其高排放、高能耗的缺點(diǎn)對(duì)我國(guó)的能源和環(huán)保提出了巨大挑戰(zhàn)［1，2］。同時(shí)，隨著環(huán)境污染與能源緊張問題日趨嚴(yán)重，再生制動(dòng)能量回收成為工程機(jī)械節(jié)能的有效解決方法之一。

目前，混合動(dòng)力技術(shù)在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)日漸成熟并且取得了較為顯著的效果，制動(dòng)能量回收作為混合動(dòng)力和純電動(dòng)車輛所特有的能量回收方式受到了廣泛的關(guān)注［3］，這為工程車輛的研究提供了新思路。但是，乘用車和推土機(jī)行駛作業(yè)特性有巨大的差異。由于推土機(jī)施工特點(diǎn)比較復(fù)雜，綜合工況的惡劣程度一般難以預(yù)測(cè)，負(fù)荷隨作業(yè)工況波動(dòng)范圍較大、頻度較高。另外，推土機(jī)作業(yè)過程中，除了要駕駛員技術(shù)過硬外，也要滿足一定的性能要求。因此，應(yīng)根據(jù)工程車輛的特點(diǎn)研究適用于推土機(jī)的再生制動(dòng)能量回收控制策略。本文以推土機(jī)為例，采用模糊控制策略，在制動(dòng)過程中合理分配制動(dòng)力，使再生制動(dòng)力能夠得到有效回收。

1 制動(dòng)力分配及能量回收影響因素

1.1 制動(dòng)力分配規(guī)則

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配的整體思想是在保證車輛安全行駛和駕駛員良好駕駛體驗(yàn)的前提下盡可能多的對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。由于混合動(dòng)力車輛在制動(dòng)時(shí)有純電機(jī)制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)和機(jī)電混合制動(dòng)3種模式，因此制動(dòng)力合理分配就很關(guān)鍵。本文采用模糊邏輯控制策略，使再生制動(dòng)力矩和摩擦制動(dòng)力矩兩者之間得到合理分配，確保兩者始終保持最佳比例。

1.2 制動(dòng)力回收策略

在不考慮超級(jí)電容SOC和車速等條件下，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的制動(dòng)力大致分配策略為：

（1）當(dāng)電機(jī)所能提供的最大再生制動(dòng)力大于車輛制動(dòng)所需求的制動(dòng)力時(shí)，由電機(jī)提供車輛進(jìn)行制動(dòng)的全部制動(dòng)力，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)工作在電機(jī)制動(dòng)模式，并對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

（2）當(dāng)車輛制動(dòng)所需求的制動(dòng)力大于電機(jī)所能提供的最大再生制動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)工作在聯(lián)合制動(dòng)模式，采用機(jī)械摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力聯(lián)合制動(dòng)的模式，只對(duì)部分制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

（3）當(dāng)駕駛員輸入制動(dòng)強(qiáng)度較大需要進(jìn)行緊急制動(dòng)或者超級(jí)電容SOC較高時(shí)，車輛以機(jī)械摩擦方式提供所需制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)，不對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收［4］。

1.3 制動(dòng)能量回收的約束條件

根據(jù)制動(dòng)能量回收主要影響因素和制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，需要對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行以下約束：進(jìn)行能量回收時(shí)的充電電流應(yīng)小于超級(jí)電容的最大充電電流；進(jìn)行能量回收時(shí)的充電功率應(yīng)小于超級(jí)電容的最大充電功率；超級(jí)電容SOC應(yīng)保持在0.2～0.85范圍內(nèi)；制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)［5］；車速較高或較低時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)；車輛制動(dòng)力不能大于地面所能提供的阻力。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的控制器是以制動(dòng)強(qiáng)度Z、車速V及超級(jí)電容SOC值為輸入量，以制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出量。通過混合動(dòng)力推土機(jī)整車模型得到制動(dòng)強(qiáng)度、車速及超級(jí)電容SOC的值，選擇合適的方法對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，對(duì)模糊控制器的輸出比例因子進(jìn)行清晰化處理［6］。

2.1 模糊集合與隸屬度函數(shù)

模糊控制器的輸入輸出模糊推理如圖1所示。由發(fā)動(dòng)機(jī)模型可以直接得到車速V的值，由駕駛員模型可以得到制動(dòng)強(qiáng)度Z的值，由超級(jí)電容計(jì)算模型可以得到SOC的值。

圖1 輸入輸出模糊推理圖

對(duì)上述的模糊輸入量進(jìn)行量化處理，可得到車速V的論域?yàn)椋?，1］，0表示車速為零，1表示車速為11km/h，車速輸入隸屬函數(shù)選用高斯型隸屬函數(shù)表示法；制動(dòng)強(qiáng)度Z的論域?yàn)椋?，1］，0表示無制動(dòng)，1表示緊急制動(dòng)，其輸入隸屬函數(shù)選用三角形函數(shù)表達(dá)式；超級(jí)電容SOC的論域?yàn)椋?，1］，0表示超級(jí)電容內(nèi)電荷量為零，1表示超級(jí)電容內(nèi)達(dá)到最大電荷量，其輸入隸屬函數(shù)選用梯形函數(shù)表達(dá)式；模糊輸出量x的論域?yàn)椋?，1］，0表示再生制動(dòng)力為零，電機(jī)不進(jìn)行制動(dòng)，1表示車輛所需制動(dòng)力全部由電機(jī)再生制動(dòng)提供，此時(shí)機(jī)械制動(dòng)不工作，其輸出隸屬函數(shù)選用高斯型。

輸入變量車速V的取值范圍分成5個(gè)模糊子集，為{TL，L，M，H，TH}，各自表達(dá)的含義為“低，較低，中，較高，高”，其隸屬函數(shù)如圖2所示。

圖2 輸入變量V隸屬函數(shù)

輸入變量制動(dòng)強(qiáng)度Z的取值范圍分成5個(gè)模糊子集，為{VS，S，M，B，VB}，各自表達(dá)的含義為“非常小，小，中，大，非常大”，其隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 輸入變量Z隸屬函數(shù)

輸入變量SOC的取值范圍分成3個(gè)模糊子集{S，M，B}，各自表達(dá)的含義為“小，中，大”，其隸屬函數(shù)如圖4所示。

圖4 輸入變量SOC隸屬函數(shù)

輸出變量x的取值范圍分成5個(gè)模糊子集，為{VS，S，M，B，VB}，各自表達(dá)的含義為“非常小，小，中，大，非常大”，其隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖5 輸出變量x隸屬函數(shù)

2.2 模糊規(guī)則庫的建立

根據(jù)混合動(dòng)力推土機(jī)行駛作業(yè)以及制動(dòng)的特性，以制動(dòng)安全性和制動(dòng)能量回收為約束條件，通過對(duì)發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容工作性能的分析，制定最優(yōu)的控制規(guī)則對(duì)制動(dòng)力作出合理的分配。規(guī)則庫的建立依據(jù)如下：

（1）車速V的大小直接影響車輛制動(dòng)的安全性以及再生制動(dòng)能量回收的效率［7］。

（2）制動(dòng)強(qiáng)度Z的大小和車輛的制動(dòng)需求以及車輛的制動(dòng)安全有直接關(guān)系［8］。

（3）超級(jí)電容SOC是表示超級(jí)電容電量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)再生制動(dòng)能量的回收具有較大的約束作用。在超級(jí)電容SOC值較大時(shí)，表示超級(jí)電容電量充足。這時(shí)為了保護(hù)超級(jí)電容部件不受損壞，應(yīng)減小對(duì)再生制動(dòng)能量回收的力度。在SOC值較小時(shí)，表示超級(jí)電容電量不足，這時(shí)為了對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，可以盡可能對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收。因此可以增大車輛總的制動(dòng)力中電機(jī)再生制動(dòng)力所占的比例，以達(dá)到對(duì)制動(dòng)能量充分回收的目的［9］。

按照以上原則，在MATLAB/Simulink軟件fuzzy工具箱中編輯邏輯規(guī)則知識(shí)庫。由輸入量V、Z、SOC經(jīng)過模糊規(guī)則庫的邏輯判斷與處理得到輸出量x，輸出量x可由輸出曲面觀測(cè)窗觀察。模糊輸出量x的曲面如圖6-圖8所示。

圖6 車速、SOC與制動(dòng)比例的關(guān)系

圖7 車速、制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)比例的關(guān)系

圖8 制動(dòng)強(qiáng)度、SOC與制動(dòng)比例的關(guān)系

由上述觀測(cè)窗口可以對(duì)設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則進(jìn)行觀察與調(diào)試，同時(shí)可以根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，得到最優(yōu)的模糊控制規(guī)則。

2.3 模糊控制模型

以串聯(lián)混合動(dòng)力仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)，建立基于模糊控制的制動(dòng)能量回收模型，如圖9所示。

圖9 模糊控制策略仿真模型

3 系統(tǒng)建模

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

本文選用上海大郡動(dòng)力控制技術(shù)有限公司0110WB型105kW電機(jī)。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下

式中T1（t）為電機(jī)動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Treq為電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，N·m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Tdmax（n）為轉(zhuǎn)速為n時(shí)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；Tbmax（n）為轉(zhuǎn)速為n時(shí)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；τ為響應(yīng)時(shí)間，s；S為拉氏變換量。

3.2 超級(jí)電容模型

對(duì)超級(jí)電容建模時(shí)忽略溫度的影響，并將其等效為一個(gè)理想的超級(jí)電容C與一個(gè)大阻值的電阻Rmax并聯(lián)，再與一個(gè)較小阻值的電阻Rmin串聯(lián)［10］。其等效電路如圖10所示。

圖10 超級(jí)電容等效電路模型

超級(jí)電容充電時(shí)其電流I與功率P取負(fù)值，放電時(shí)取正值。由基爾霍夫電壓定律可得超級(jí)電容的輸出電壓

式中SOC為超級(jí)電容荷電狀態(tài)；Umin為超級(jí)電容最小工作電壓，V；Umax為超級(jí)電容最大工作電壓，V；Ur為超級(jí)電容實(shí)時(shí)電壓，V。

超級(jí)電容輸入輸出能量

式中E為超級(jí)電容最大存儲(chǔ)能量。

為了保證超級(jí)電容的工作壽命及充放電效率，在實(shí)際充放電過程中將其充放電電壓限制在一個(gè)工作區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而設(shè)置超級(jí)電容SOC值大小為［0.2，0.85］。

3.3 制動(dòng)力分配模型

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配的整體思想是在保證車輛安全行駛和駕駛員良好駕駛體驗(yàn)的前提下盡可能多的對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。以制動(dòng)強(qiáng)度、車速和超級(jí)電容SOC作為控制器的輸入，根據(jù)三者之間參數(shù)的大小以及控制器中的規(guī)則，輸出代表電機(jī)制動(dòng)力在總需求制動(dòng)力中所占比例的再生制動(dòng)系數(shù)X。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)制動(dòng)力分配策略原理如圖11所示。

3.4 動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)推土機(jī)的行駛作業(yè)工況，由推土機(jī)行駛作業(yè)理論可得推土機(jī)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

式中Ff為滾動(dòng)阻力，N；m為整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為路面的坡度，°；Fb為車輛制動(dòng)力，N；Fmax為最大制動(dòng)力，N；Z為制動(dòng)強(qiáng)度；α1為制動(dòng)踏板角位移，°；α0為制動(dòng)踏板自由行程角位移，°；αmax為制動(dòng)踏板最大角位移，°。

4 仿真分析

根據(jù)推土機(jī)各機(jī)構(gòu)間的輸入輸出關(guān)系，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)建立如圖12所示的混合動(dòng)力推土機(jī)制動(dòng)能量回收整車仿真模型。其主要仿真參數(shù)：選擇串聯(lián)型混合動(dòng)力推土機(jī)，車質(zhì)量為28000kg，超級(jí)電容容量C=3F，發(fā)電機(jī)功率為180kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為105kW，最高車速為11km/h，超級(jí)電容SOC最佳范圍［0.25，0.85］，SOC初始值為0.5。

圖12 混合動(dòng)力推土機(jī)制動(dòng)能量回收整車仿真模型

為了驗(yàn)證推土機(jī)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在不同制動(dòng)條件下的工作性能，依據(jù)GB/T 35213-2017及GB/T 19929-2014履帶推土機(jī)技術(shù)條件與性能的要求，建立高速（11km/h）條件下的緊急制動(dòng)（制動(dòng)踏板位移50°）、中度制動(dòng)（制動(dòng)踏板位移30°）和輕度制動(dòng)（制動(dòng)踏板位移10°）；中速（7km/h）條件下的緊急制動(dòng)、中度制動(dòng)和輕度制動(dòng)；低速（4km/h）條件下的緊急制動(dòng)、中度制動(dòng)和輕度制動(dòng)的90s綜合工況，如圖13所示。圖14和圖15分別為超級(jí)電容SOC曲線圖和制動(dòng)力做功及回收能量曲線圖。

圖13 綜合仿真工況

圖14 超級(jí)電容SOC曲線圖

圖15 制動(dòng)力做功及回收能量曲線圖

由圖14可以看出，當(dāng)推土機(jī)加速需求時(shí)需求功率較大，超級(jí)電容提供能量，超級(jí)電容SOC減小；當(dāng)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收時(shí)，超級(jí)電容SOC增大，最終超級(jí)電容SOC由0.5增大到0.7左右，說明再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收并儲(chǔ)存在超級(jí)電容內(nèi)。由圖15可以看出，推土機(jī)提供的總制動(dòng)力做功為599kJ，其中電機(jī)提供制動(dòng)力做功為231kJ，超級(jí)電容回收能量為144kJ，因此基于模糊規(guī)則的再生制動(dòng)能量回收控制策略，可以回收24%的再生制動(dòng)能量。由以上仿真分析可以看出，所給出的模糊控制策略可以有效地回收再生制動(dòng)能量。

5 結(jié)束語

本文對(duì)串聯(lián)混合動(dòng)力推土機(jī)各部件及制動(dòng)力分配進(jìn)行了分析，由臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了各部件仿真模型，提出以模糊控制能量回收策略對(duì)混合動(dòng)力推土機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收。通過仿真，本文所給出的模糊控制策略能有效合理的分配制動(dòng)力，有效回收再生制動(dòng)能量144kJ，制動(dòng)回收率為24%。下一步工作計(jì)劃通過實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來對(duì)本模糊控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。