重型煤炭運輸車分布式混合動力系統(tǒng)設(shè)計及控制策略

鮑久圣，鄒學(xué)耀，陳 超，葛世榮，趙 亮，馬 馳，陰 妍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院,北京 100083)

我國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點決定了煤炭作為我國主要能源的地位長期難以動搖。煤炭資源在地域分布的不均勻性促進我國“西煤東運，北煤南運”的煤炭運輸格局的形成。我國煤炭運輸系統(tǒng)主要由鐵路運輸、水路運輸和公路運輸3種方式組成[1]，其中，公路運輸具有靈活性好、成本較低、可實現(xiàn)點對點運輸?shù)葍?yōu)點，是煤炭中短途運輸?shù)氖走x方式。雖然國家大力推行煤炭運輸“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”，降低公路運輸所占的比重，但我國中小煤礦數(shù)量多、分布廣，鐵路、水路很難完全覆蓋到，故公路運輸仍是煤炭運輸?shù)闹匾画h(huán)[2]。

公路煤炭運輸為追求效益，通常采用重型牽引車輛以求達到最大允許承載質(zhì)量。根據(jù)國家標準《GB 1589—2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的要求，重型煤炭運輸車常用的三軸半掛牽引車最大允許總質(zhì)量為40 t[3]。重型牽引車作為公路煤炭運輸?shù)闹髁?，具有載重大、運輸效率髙、運輸成本低等優(yōu)點，在中短途公路煤炭運輸中占有重要地位，正朝著大型化、高速化、低污染等方向發(fā)展[4-5]。重型煤炭運輸車的燃料目前仍以柴油為主，其污染大，油耗高，未來將會被其他能源取代;天然氣無污染，在市場占有一定比例，但受限于價格貴、加氣難、動力弱等不足，推廣仍有困難，但未來發(fā)展前景較好;純電驅(qū)動技術(shù)受制于續(xù)航里程和充電時間，在電池技術(shù)出現(xiàn)革命性突破之前，難以應(yīng)用在重型煤炭運輸車中[6];燃料電池技術(shù)被德國、日本等發(fā)達國家視為未來應(yīng)用的核心技術(shù)，是重型煤炭運輸車未來主要發(fā)展方向，但目前技術(shù)成熟度低，成本高昂，難以應(yīng)用;混合動力技術(shù)兼具內(nèi)燃機技術(shù)和電動技術(shù)的優(yōu)點[7-8]，且已趨于成熟，目前在家用車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著國家對節(jié)能減排的愈發(fā)重視，混合動力技術(shù)在煤炭運輸車的應(yīng)用前景頗為明朗。

混合動力技術(shù)可使發(fā)動機工作在高效區(qū)間，獲得更好的燃油經(jīng)濟性。電動機低速扭矩大的優(yōu)點為車輛提供了出色的加速性能，也有效減少急加速、爬坡等工況下對變速器的損耗。此外，基于不同類型汽車維修數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)燃油汽車，混合動力汽車可靠性水平較高[9]。1997年，自第1款混合動力汽車豐田prius問世以來，混合動力技術(shù)在家用車上的應(yīng)用趨于成熟。在商用車領(lǐng)域，混合動力輕卡及公交車已有相關(guān)產(chǎn)品問世，但針對重型商用車輛的混合動力技術(shù)研究還處于初級階段，直到2019年日野才完成混合動力重卡的研發(fā)工作，而目前關(guān)于混合動力半掛牽引車的研究則寥寥無幾。針對當前研究不足，近年來中國礦業(yè)大學(xué)鮑久圣教授團隊陸續(xù)開展了混合動力技術(shù)在重型公路運輸車[10-12]及其他非道路車輛如井下無軌膠輪車[13-14]中的應(yīng)用研究。

整車的動力改良、節(jié)能優(yōu)化和排放降低與控制策略的優(yōu)劣密切相關(guān)，故控制策略一直是當今混合動力技術(shù)研究的熱點之一。混合動力控制策略大體上可以分為4個類別:基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略、瞬時優(yōu)化控制策略、全局優(yōu)化控制策略和智能控制策略[15]。其中，基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略在實際應(yīng)用范圍最為廣泛，具有簡單方便、魯棒性好、實用性好等特點。例如:王明等[16]針對雙離合ISG混合動力汽車采用動靜結(jié)合的邏輯門限控制策略，實現(xiàn)了對動力系統(tǒng)最佳工作點的動態(tài)控制;劉忠政等[17]針對并聯(lián)重型混合動力礦用車建立基于轉(zhuǎn)矩因子的邏輯門限控制策略，根據(jù)車輛運行工況實現(xiàn)了對發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩的合理分配。同樣的問題是現(xiàn)有混合動力控制策略研究多集中在轎車、客車等普通路面車輛上，目前針對混合動力重型煤炭運輸車控制策略的研究較少。

由此可見，開展重型煤炭運輸車混合動力技術(shù)研究，既是解決煤炭運輸問題的現(xiàn)實技術(shù)需求，也有助于彌補當前混合動力技術(shù)研究不足。筆者針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動的重型煤炭運輸車動力不足、污染嚴重、油耗極高等現(xiàn)實問題，提出了一種新型分布式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，并對其控制策略進行了理論建模與仿真分析。

1 分布式混合動力系統(tǒng)設(shè)計

分布式混合動力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)類型的混合動力系統(tǒng)和電動系統(tǒng)[18-19]，其核心思想是在車輛上布置多個動力源，每個動力源既可單獨驅(qū)動，又能實現(xiàn)聯(lián)合協(xié)同驅(qū)動，同時彼此之間能夠進行能量交互。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

在分布式混動系統(tǒng)中，動力不是先經(jīng)過耦合后集中在某一個驅(qū)動軸上，而是在不同的車軸上靈活布置。普通汽車受到車軸數(shù)量的限制，可布置的動力源分布較少，對總功率的提升不大。重型煤炭運輸車動力系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其車軸數(shù)量較多，因此可以很好發(fā)揮分布式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，極大提高車輛的總功率。

針對重型煤炭運輸車結(jié)構(gòu)特點，筆者提出了一種新型分布式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)屬于連接型分布式混動系統(tǒng)，有2套驅(qū)動系統(tǒng):發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)，與非連接型分布式混動系統(tǒng)最大的區(qū)別是發(fā)動機可以為電機提供動力，從而對電機驅(qū)動系統(tǒng)的動力電池組充電。整個動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、驅(qū)動電機、變速箱、輪邊電機、動力電池組等構(gòu)成。為適應(yīng)比較復(fù)雜的工況并減小動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，牽引車部分采用的是單軸并聯(lián)型混動系統(tǒng)，掛車部分采用的是電驅(qū)動系統(tǒng)。電機(驅(qū)動電機和輪邊電機)和發(fā)動機作為動力源，可以單獨或聯(lián)合驅(qū)動車輛。驅(qū)動電機還可以充當發(fā)電機，在車輛制動或行駛過程中對動力電池充電。

1.2 工作模式

分布式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)具有多種工作模式，預(yù)先設(shè)定的不同工作模式，根據(jù)實際行駛的需要，在不同的工作模式之間進行切換，從而優(yōu)化車輛行駛中的動力性能、經(jīng)濟性能。針對本方案結(jié)構(gòu)和能量流向的特點，可以得到5種工作模式，并可確定不同模式下的能量流向。

1.2.1純電動模式

當動力電池SOC(電池剩余電量)值較高且車輛處于低速輕載或啟動工況時，執(zhí)行此模式。此時電機作為唯一的動力源提供整車的動力，發(fā)動機關(guān)閉，避免發(fā)動機工作在低效率工作區(qū)間。能量流向如圖3中純電動模式能量流向所示。

1.2.2純?nèi)加万?qū)動模式

當動力電池SOC值較高且車輛車速穩(wěn)定較快時，執(zhí)行此模式。此時電機關(guān)閉，發(fā)動機單獨工作直接驅(qū)動車輛，傳動效率高。發(fā)動機工作在高效率區(qū)域，燃油經(jīng)濟性好。能量流向如圖3中純?nèi)加万?qū)動模式能量流向所示。

1.2.3聯(lián)合驅(qū)動模式

當動力電池SOC值較高且車輛處于加速、爬坡等需求功率較大的工況時，執(zhí)行此模式。此時車輛總需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機高效工作的最大轉(zhuǎn)矩，需要發(fā)動機與電機聯(lián)合驅(qū)動，其中發(fā)動機提供主要動力，電機提供輔助動力。能量流向如圖3中聯(lián)合驅(qū)動模式能量流向所示。

1.2.4行車充電模式

當動力電池SOC值小于允許充電最大值時，發(fā)動機應(yīng)盡量在效率最優(yōu)曲線附近工作，在滿足整車驅(qū)動要求的同時，富余的能量用于動力電池充電。能量流向如圖3中行車充電模式能量流向所示。

1.2.5再生制動模式

當動力電池SOC值小于允許充電最大值且車輛處于制動工況時，執(zhí)行此模式。當車輛剎車制動時，能將車輛在制動階段產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)換為電能給電池充電。能量流向如圖3中再生制動模式能量流向所示。

2 混合動力系統(tǒng)控制策略制定

控制策略是整車控制的中心環(huán)節(jié)，采用邏輯門限值控制策略，其簡單實用，穩(wěn)定可靠，且目前混合動力汽車廣泛采用這種控制策略。相比于車速、SOC值等因子，轉(zhuǎn)矩更能反應(yīng)車輛所需動力的實時需求，因此本文設(shè)計的邏輯門限值控制策略基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。

控制策略的原理是根據(jù)循環(huán)工況和車速、檔位以及踏板(加速踏板和制動踏板)等信號算出車輛的總需求轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)車輛的總轉(zhuǎn)矩需求、車輛動力電池SOC值、發(fā)動機與電機提供的轉(zhuǎn)矩確定車輛工作的模式。轉(zhuǎn)矩控制策略主要包括:確定整車需求轉(zhuǎn)矩、確定運行狀態(tài)和條件、確定目標轉(zhuǎn)矩。

2.1 整車需求轉(zhuǎn)矩確定

2.1.1驅(qū)動需求總轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動需求總轉(zhuǎn)矩Treq由發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩Te_req和電機需求轉(zhuǎn)矩Tm_req兩部分組成，其中電機作電動機使用時，Tm_req>0;電機作發(fā)電機使用時，Tm_req<0。表達式為

Treq=Te_req+Tm_req

(1)

2.1.2制動需求總轉(zhuǎn)矩

制動需求總轉(zhuǎn)矩Tbreq由電機需求轉(zhuǎn)矩和機械制動需求轉(zhuǎn)矩Tme_req組成，其中Tme_req<0。表達式為

Tbreq=Tm_req+Tme_req

(2)

2.2 工作模式切換條件確定

混合動力系統(tǒng)運行狀態(tài)是根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線圖、動力電池工作區(qū)域劃分圖和所設(shè)計的不同工作模式共同確定，結(jié)合整車需求轉(zhuǎn)矩確定運行條件。將發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩曲線作為發(fā)動機高效區(qū)間上限，采用最大轉(zhuǎn)矩比例法將最大轉(zhuǎn)矩曲線乘以比例系數(shù)18%確定發(fā)動機高效區(qū)間下限[20]。取發(fā)動機任意轉(zhuǎn)速下的上限轉(zhuǎn)矩為最高轉(zhuǎn)矩Te_max，下限轉(zhuǎn)矩為最低轉(zhuǎn)矩Te_min，應(yīng)使發(fā)動機工作在Te_min和Te_max之間;為保證充放電效率，應(yīng)使動力電池盡量工作在高效區(qū)下限值SOClow和高效區(qū)上限值SOChigh之間。圖4為工作模式切換流程圖，其中，Tg_opt為發(fā)動機效率最優(yōu)的情況下電機發(fā)電轉(zhuǎn)矩，電機發(fā)電轉(zhuǎn)矩與SOC值相關(guān)。

2.3 目標轉(zhuǎn)矩確定

根據(jù)不同工作模式切換條件，可以確定不同模式下發(fā)動機目標轉(zhuǎn)矩Te_tar、電機目標轉(zhuǎn)矩Tm_tar與機械制動系統(tǒng)目標轉(zhuǎn)矩Tme_tar，見表1。

圖4 工作模式切換流程Fig.4 Working mode switching flow chart

表1 混合動力系統(tǒng)不同工作模式下的目標轉(zhuǎn)矩Table 1 Target torque of hybrid system under different operating modes

3 整車建模及仿真分析

3.1 整車模型建立

基于CRUISE軟件，建立了動力系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。CRUISE軟件具有模塊化簡化建模的特點，可快速連接模塊并導(dǎo)入數(shù)據(jù)。所建模型包括整車模塊、發(fā)動機模塊、電機模塊、動力電池模塊等。將基于Simulink模塊建立的控制策略導(dǎo)入CRUISE軟件所建的模型中，采用DDL的方式連接。

圖5 整車CRUISE仿真模型Fig.5 CRUISE simulation model of the vehicle

3.2 基本參數(shù)設(shè)置

本文研究對象是根據(jù)某款傳統(tǒng)內(nèi)燃機重型煤炭運輸車改造而來，根據(jù)混合動力系統(tǒng)的特點，對動力系統(tǒng)進行重新設(shè)計，保證整車的動力要求，改造前后整車主要技術(shù)參數(shù)見表2。因進行混動改造，會使車輛凈重略有增加，但對整車動力性能的影響較小。

表2 改造前后整車主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of vehicle before and after modification

3.3 循環(huán)工況設(shè)計

目前在重型商用車領(lǐng)域的主流工況是C-WTVC循環(huán)工況，C-WTVC循環(huán)工況主要模擬的是城市運輸為主，城郊運輸為輔的車輛運行特征。根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》關(guān)于重型運輸車測試運行道路組成建議為20%的市區(qū)路、25%的市郊路和55%的高速路，并允許實際構(gòu)成比例有+5%的偏差。重型煤炭運輸車重量可達40 t，其主要進行省內(nèi)及省際運輸，車輛啟停次數(shù)較少，最高車速長期維持在50～70 km/h。因此需對C-WTVC循環(huán)工況進行改進，新設(shè)計的工況命名為K-WTVC循環(huán)工況。K-WTVC循環(huán)工況低速啟停所占比例定為1/3，中高速行駛所占比例定為2/3，并結(jié)合了C-WTVC循環(huán)工況啟停階段和高速行駛階段的特征。K-WTVC循環(huán)工況如圖6所示。

圖6 重型煤炭運輸車K-WTVC循環(huán)工況Fig.6 K-WTVC cycle condition for heavy coal trucks

3.4 仿真結(jié)果及分析

在基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的邏輯門限值控制策略的分布式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型中，導(dǎo)入改造完成的混合動力重型煤炭運輸車基本參數(shù)，并選擇在自行設(shè)計的K-WTVC循環(huán)工況下進行仿真分析，部分仿真結(jié)果如圖7～12所示。

圖7 各檔位爬坡度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation diagram of climbing gradient of each gear

圖8 加速工況仿真結(jié)果Fig.8 Simulation diagram of acceleration condition

圖9 車速跟隨仿真結(jié)果Fig.9 Simulation diagram of vehicle speed following

由圖7可以看出改造后車輛的最大爬坡度為23.98%，而原車型為14%，由此可見混合動力改造后整車動力性能得到大幅增強。

由圖8可以看出改造后0～30 km/h加速時間為9.21 s，半載最大車速為118.6 km/h;而原車型0～30 km/h加速時間為14.1 s，半載最大車速為83 km/h?；旌蟿恿Ω脑焓辜铀贂r間減少了34.2%，半載最大車速提高了42.8%，驗證了改造后混合動力系統(tǒng)驅(qū)動力強、低速扭矩大的獨特優(yōu)勢。

圖9為K-WTVC循環(huán)工況下的車速跟隨仿真圖，為了更好評估仿真曲線與理想曲線之間的誤差，進行參數(shù)化計算，具體誤差如圖10所示。其平均絕對誤差為0.224 km/h，基本未出現(xiàn)車速跟隨差距較大的情況，仿真模型車速跟隨性能良好。說明控制策略能較好滿足仿真模型在所選循環(huán)工況下對動力的需求。

由圖11可以看出發(fā)動機的工作點比較集中，基本分布在發(fā)動機燃油消耗率較低的區(qū)域，較好滿足了控制策略對燃油經(jīng)濟性的要求。圖11中，圓圈數(shù)字為發(fā)動機工作點的分布概率，%；折線為燃油消耗，g/(kW·h)。在n為1 100～1 800 r/min，T為600～1 500 N·m區(qū)域的工作點占比60%以上，說明控制策略有效控制發(fā)動機工作在高效區(qū)間。

由圖12(a)可以看出驅(qū)動電機功率基本在-100～100 kW，轉(zhuǎn)速大部分在1 000～1 500 r/min，且均處于額定功率或額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機工作效率較高。其中功率為負數(shù)時驅(qū)動電機作發(fā)電機使用，為動力電池充電;功率為正數(shù)時驅(qū)動電機作電動機使用，為行駛提供動力。

由圖12(b)可以看出輪邊電機功率與轉(zhuǎn)速均在額定值之內(nèi)，功率≤0時輪邊電機不工作，功率>0時輪邊電機工作，為行駛提供輔助動力。

整個循環(huán)工況中，控制策略較好的使驅(qū)動電機與輪邊電機工作在高效區(qū)間內(nèi)，且基本保證2者速度、功率等特性曲線變化的同步進行。

由圖13可以看出在K-WTVC循環(huán)工況下:低速時，動力電池SOC值有明顯下降，說明整車動力是由電機驅(qū)動的;車速超過60 km/s時，動力電池SOC值處于較穩(wěn)定狀態(tài)，說明車速較高時，整車動力是由發(fā)動機提供;車輛急加速時，動力電池SOC下降較快，說明需求轉(zhuǎn)矩增大時，電機提供了輔助動力;減速時SOC值有較明顯的上升，說明制動能量得到了回收。該控制策略對動力電池SOC值的控制比較可靠，使其工作在高效區(qū)間。

此外，仿真車輛的百公里綜合燃油消耗量為84.3 L，而原車型為102.5 L。相比較而言，仿真模型的燃油消耗量減少了17.8%，這表明控制策略使整車的燃油經(jīng)濟性得到改善。

改造前后車輛動力性和經(jīng)濟性指標結(jié)果見表3。在整車牽引質(zhì)量基本不變的前提下，實現(xiàn)了最大爬坡度70%的提升，極大提高了車輛對山區(qū)等起伏路段的適應(yīng)能力;最高車速提高42.8%，大幅節(jié)約的運輸時間成本;0～30 km/h加速時間縮減了34.2%，顯著提升司機的駕駛體驗;百公里綜合燃油消耗量降低17.8%，有效降低了燃油成本。混合動力改造和所制定的控制策略效果顯著，車輛各項指標較原車均有明顯提升。

表3 改造前后主要性能參數(shù)對比Table 3 Comparison table of main performance parameters before and after transformation

4 結(jié) 論

(1)通過對不同工作模式下的能量流向進行分析，提出基于轉(zhuǎn)矩的邏輯門限值控制策略。通過計算需求轉(zhuǎn)矩和電池SOC值確定整車應(yīng)運行的工作模式，實現(xiàn)對混合動力系統(tǒng)能量的有效分配。

(2)在MATLAB/Simulink軟件中搭建所設(shè)計的控制策略模型，與CRUISE軟件進行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，在K-WTVC循環(huán)工況下，所建立的控制策略可以使仿真車輛具有良好的車速跟隨性能;發(fā)動機的工作點較集中分布在發(fā)動機燃油消耗率較低的區(qū)域，電機工作效率較高;動力電池工作在高效區(qū)間，SOC值波動較小，保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

(3)同傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動的重型煤炭運輸車相比，混合動力改造后其爬坡性能、加速性能、最高車速均有明顯改善。在滿足整車動力性要求的前提下，采用基于轉(zhuǎn)矩的邏輯門限的控制策略能夠降低油耗17.8%，提高了燃油經(jīng)濟性。