同步碎石封層車增程電驅(qū)動混合動力系統(tǒng)設(shè)計研究

李志勇，蘇銀松，李忠玉，左獻寶，徐信芯

（1.長安大學公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，西安710064；2.河南省高遠公路養(yǎng)護技術(shù)有限公司，新鄉(xiāng)453000）

0 概述

根據(jù)中國交通運輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，中國公路養(yǎng)護比例逐年增加，截止到2020年，公路養(yǎng)護比例已經(jīng)高達98.8%，養(yǎng)護裝備需求激增。2020年中國正式提出碳中和遠景目標，此后“雙碳”目標升級為國家戰(zhàn)略，在“雙碳”戰(zhàn)略推動下，中國汽車產(chǎn)業(yè)新能源化整體進程明顯提速。為實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，混合動力逐步受到關(guān)注。迄今為止，混合動力汽車已經(jīng)被證明是最經(jīng)濟可行的選擇，其使用比電動車更小的電池組，與傳統(tǒng)汽車相似，是達到非常高的燃油經(jīng)濟性和非常低的排放的最實際的解決方案［1-4］。公路養(yǎng)護裝備與乘用車不同，公路養(yǎng)護裝備基本功能除了行駛外還有道路養(yǎng)護作業(yè)，在引入電驅(qū)動時，需同時考慮基本的行駛功能及工作工況［5］。同步碎石封層車作為同步碎石封層技術(shù)中的專用設(shè)備，在公路養(yǎng)護方面發(fā)揮著巨大作用［6-9］。同步碎石封層車是典型的循環(huán)式作業(yè)類工程機械，在撒布作業(yè)和轉(zhuǎn)場運輸時負荷和速度相差較大。目前應用在公路養(yǎng)護中的同步碎石封層車的動力源為柴油機，針對速度和負荷變化較大的循環(huán)工況，無法保證發(fā)動機時刻工作在高效率區(qū)，發(fā)動機長期處于調(diào)速段，工作點一直變動且分散在各個區(qū)域，造成能源浪費［10-11］。使用混合動力裝置時，電動機發(fā)揮“削峰填谷”的作用，可以保持發(fā)動機在性能最佳的區(qū)域工作，改善發(fā)動機性能［12-13］。參照混合動力汽車和混合動力工程機械車輛，提出一種油電混合動力同步碎石封層車設(shè)計思想，保留原有的底盤裝置，底盤仍然采用發(fā)動機，上裝部分采用電機加電池的電驅(qū)動［14-15］。針對同步碎石封層車周期循環(huán)特點，本文中設(shè)計了混合動力同步碎石封層車，對其發(fā)動機工作模式與能源管理系統(tǒng)進行研究，改善發(fā)動機性能，提高燃油經(jīng)濟性，減少污染物排放。

1 同步碎石封層車增程電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

同步碎石封層車在料場裝滿碎石和瀝青，并將瀝青加熱到設(shè)定溫度供后續(xù)使用。為保證精準完成封層作業(yè)，撒布桿和撒布器根據(jù)封層作業(yè)需求調(diào)整相應參數(shù)，皮帶輸料機向撒布器內(nèi)輸料，同步碎石封層車行駛至作業(yè)地點后，以恒定速度進行撒布作業(yè)，為保證瀝青和碎石的粘結(jié)，作業(yè)速度較低。同步碎石封層車在完成封層作業(yè)后返回料場，重復滿載運輸—封層作業(yè)—空載返回這一循環(huán)行駛工況。傳統(tǒng)的同步碎石封層車動力源為發(fā)動機。除了同步碎石封層車速度和負荷變化較大導致的整個系統(tǒng)動力性和燃油經(jīng)濟性不夠高以外，傳統(tǒng)同步碎石封層車多采用液壓傳動系統(tǒng)，對工作部件的精密度要求高于電傳動和機械傳動，從而增加了整車的成本。對于沒有供料車配合的間斷型同步碎石封層車，因液壓穩(wěn)態(tài)傳動效率較低，不適宜行駛較長距離，無法保證同步碎石封層車長時間連續(xù)工作，工作效率較低。同步碎石封層車混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，底盤采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，工作裝置能量由動力電池組提供，采用多電機并聯(lián)驅(qū)動瀝青泵、導熱油泵、撒布滾筒、螺旋分料器。其中，系統(tǒng)的核心為整車控制器（vehicle control unit，VCU），發(fā)動機發(fā)電機組也稱為輔助動力單元（auxiliary power unit，APU）。在滿載運輸工況中，整車需求能量較大，采用發(fā)動機和電池組共同作為能量源。在車輛空載返回和封層作業(yè)時，若動力電池組電量充足則采用電池組單獨驅(qū)動，電池電量匱乏時發(fā)動機與電池組共同為同步碎石封層車提供能量，同時將多余的能量回收到電池組中。相比傳統(tǒng)同步碎石封層車，混動同步碎石封層車減少了液壓傳動中一些零件，使結(jié)構(gòu)更簡單，布局更靈活，提高了傳動效率。

圖1 混動同步碎石封層車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 增程混動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計與分析

2.1 同步碎石封層車工況分析

混動同步碎石封層車作業(yè)循環(huán)分為裝料準備階段、滿料運輸階段、封層作業(yè)階段、空載返回階段4個階段，其中后3 個階段為行駛工況同步碎石封層車在一個工作循環(huán)內(nèi)的行駛速度和負荷曲線如圖2所示。滿料運輸階段整車質(zhì)量為52 540 kg，設(shè)定速度為60 km/h；封層作業(yè)階段，整車質(zhì)量由52 540 kg降至25 540 kg，作業(yè)速度勻速不變，設(shè)為5 km/h；空載返回階段，整車質(zhì)量為25 540 kg，速度比滿載略高，設(shè)定為70 km/h。

圖2 同步碎石封層車負荷—速度曲線

2.2 同步碎石封層車增程混動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

通過對同步碎石封層車工況分析，采用負荷和速度設(shè)定相應的動力驅(qū)動模式；然后根據(jù)原同步碎石封層車設(shè)定改造后的整車性能指標，基于整車動力性要求，計算混動同步碎石封層車最大需求功率，對動力元件進行參數(shù)匹配與選型；最后校核動力性能是否符合混動同步碎石封層車動力性能指標?？紤]到發(fā)動機在電池組電量不足時為整車提供能量，返回速度按最高速度90 km/h 計算，同步碎石封層車空載質(zhì)量mno_load為25 540 kg。計算混動同步碎石封層車在空載返回時所需最大功率Pre為242 kW，考慮到能量轉(zhuǎn)換造成的損耗，發(fā)動機選擇玉柴YC6M390—30，其性能參數(shù)如表1 所示。

表1 YC6M390—30 發(fā)動機參數(shù)

YC6M390—30 發(fā)動機萬有特性如圖3 所示，發(fā)動機的最大功率為288 kW，混動同步碎石封層車工作轉(zhuǎn)速范圍位于1 150 r/min～1 450 r/min 之間時燃油消耗率最低。

圖3 YC6M390—30 發(fā)動機萬有特性

3 增程混動系統(tǒng)發(fā)動機工作模式研究

3.1 同步碎石封層車增程混合驅(qū)動模式

混動同步碎石封層車在滿料運輸時，整車的需求功率較大，采用混合驅(qū)動模式，將工作模式設(shè)定至發(fā)動機高效區(qū)來提高燃油經(jīng)濟性，并且由發(fā)動機與電池同時為同步碎石封層車提供能源，保證其可以正常工作，能量流向如圖4 所示?；靹油剿槭鈱榆囼?qū)動系統(tǒng)能量流動關(guān)系見式（1）和式（2）。

圖4 混動同步碎石封層車混合驅(qū)動模式示意圖

式中，Pm、PGen、Pb分別為同步碎石封層車行駛電機、發(fā)電機、動力電池組的輸出功率，kW；ηm、ηGen分別為行駛電機、發(fā)電機的效率，%。

3.2 同步碎石封層車增程混動系統(tǒng)控制單元設(shè)計

混動同步碎石封層車整車控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示，整車控制結(jié)構(gòu)由控制頂層、協(xié)同層、執(zhí)行層三部分組成。從圖5 可以看出各個控制單元的作用：操作員根據(jù)實時路況和當前同步碎石封層車工況模式踩踏油門或者剎車踏板，在控制頂層中計算出同步碎石封層車當下需求轉(zhuǎn)矩；協(xié)同層根據(jù)控制頂層計算結(jié)果，控制不同動力元件的狀態(tài)，對動力元件發(fā)出指令以配合同步碎石封層車在不同工況中的需求，除此之外協(xié)同層還根據(jù)執(zhí)行層回饋的信息對其進行控制，如電池電量低于下限值時關(guān)閉電池，不允許其繼續(xù)放電；執(zhí)行層則是根據(jù)上一層中的同步碎石封層車控制器發(fā)出的信號來完成相應的開啟和調(diào)整，滿足同步碎石封層車在不同工況的能量需求。

圖5 混動同步碎石封層車整車控制結(jié)構(gòu)示意圖

為保證發(fā)動機可以工作在最優(yōu)區(qū)域，避免長期處于調(diào)速階段，結(jié)合發(fā)動機萬有特性曲線，在滿足同步碎石封層車功率需求的前提下，通常在發(fā)動機工作高效區(qū)內(nèi)設(shè)置兩個能滿足同步碎石封層車功率需求的工作點。不同的發(fā)動機萬有特性圖發(fā)動機工作高效區(qū)形狀可能不同，常采用恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩原則選用工作點式，原理圖如圖6 所示。當發(fā)動機燃油高效區(qū)的長軸為水平方向時選用恒轉(zhuǎn)矩控制，選擇根據(jù)同步碎石封層車轉(zhuǎn)速需求來設(shè)置A1B1這條直線上的任意兩個點作為工作點，A1B1直線也可根據(jù)同步碎石封層車需求功率上下平移；若發(fā)動機燃油高效區(qū)的長軸為垂直方向時選用恒轉(zhuǎn)速控制，選擇根據(jù)同步碎石封層車轉(zhuǎn)矩需求來設(shè)置A2B2這條直線上的任意兩個點作為工作點，A2B2直線也可根據(jù)同步碎石封層車需求功率左右平移。

圖6 發(fā)動機雙工作點原理圖

3.3 增程混動系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)研究

結(jié)合發(fā)動機工作模式分析，對同步碎石封層車增程混動系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)進行研究?；靹油剿槭鈱榆囁璋l(fā)動機的峰值功率為248.88 kW，結(jié)合YC6M390—30 發(fā)動機萬有特性圖可知，最優(yōu)工作區(qū)域的長軸為垂直方向，則采用恒轉(zhuǎn)速控制。在滿足發(fā)動機峰值功率的基礎(chǔ)上，為保證混動同步碎石封層車的經(jīng)濟性能，盡量選取比油耗值較小的工作模式。結(jié)合YC6M390—30 發(fā)動機萬有特性圖，選取恒定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，功率分別為249 kW、192 kW、147 kW的A（高負荷）、B（中負荷）、C（低負荷）3 個工作點，其參數(shù)如表2 所示，圖7 為工作點分布位置。

圖7 YC6M390—30 發(fā)動機3 個工作點的分布

表2 混動同步碎石封層車發(fā)動機3 個工作點參數(shù)

為避免電池過度充放電及保證電池電量（state of charge，SOC）下限值能為同步碎石封層車加速和爬坡提供足夠能量，控制混動同步碎石封層車發(fā)動機起停的電池SOC 上下限值分別為0.85、0.30。此外，發(fā)動機的工作模式可由整車需求功率進行有效判斷。圖8 為混動同步碎石封層車發(fā)動機3 種工作模式間切換的詳細說明，以此設(shè)計增程式車輛發(fā)動機和輔助能量源間的能源管理策略。撒布作業(yè)模式下，當SOC 大于0.30 時采用動力電池組單獨驅(qū)動；當SOC 小于0.30 時發(fā)動機起動，在C 點工作，設(shè)定為行車充電模式，將多余的能量回收到電池組。滿載運輸模式功率需求量較大，設(shè)定為混合驅(qū)動模式，當SOC 大于0.30 且需求功率P大于工作點B 功率PB時，發(fā)動機工作在B 點，反之工作在C 點；當SOC 小于0.30 時，發(fā)動機單獨工作在A 點。空載返回模式下，此工作階段功率需求遠小于發(fā)動機設(shè)定的工作點，設(shè)定為行車充電模式。當SOC 大小0.30 時采用動力電池單獨驅(qū)動；當需求功率P大于工作點C 的功率PC時發(fā)動機工作在B 點，多余的能量儲存在電池里，而需求功率小于PC時發(fā)動機工作在C 點。為避免發(fā)動機頻繁起停，當蓄電池SOC 達到0.85 時，再由電池組單獨驅(qū)動。

圖8 混動同步碎石封層車發(fā)動機工作模式切換邏輯

4 同步碎石封層車增程混動系統(tǒng)仿真研究

在對同步碎石封層車混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)匹配研究的基礎(chǔ)上搭建如圖9 所示的整車性能仿真平臺，仿真模型的發(fā)動機和電動機根據(jù)實際廠家給出的參數(shù)進行建模，模型的精度誤差不超過工程允許應用的10%。

圖9 同步碎石封層車混合動力系統(tǒng)仿真模型

為驗證同步碎石封層車增程混動系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的可行性與合理性，在自定義的同步碎石封層車工況中進行仿真，對電池電量和發(fā)動機工作模式切換情況進行分析，如圖10 所示。圖中滿載運輸工況混動同步碎石封層車處于混合驅(qū)動模式，設(shè)置電池電量SOC 初始值為其上限值（0.85），發(fā)動機的工作模式隨需求功率不斷變化。在滿載運輸工況下，電池SOC 由0.85 降到0.58。在撒布作業(yè)工況，SOC 大于SOC 下限，混動同步碎石封層車處于純電動模式，此工況行駛速度為5 km/h，需求能量較小，且整車質(zhì)量逐漸減小，電池消耗較小，SOC 由0.58 降到0.48。空載返回工況下開始時電池SOC大于SOC 下限，混動同步碎石封層車為純電驅(qū)動模式；當SOC 降到0.30 時進入行車充電模式，發(fā)動機起動以補充車輛行駛能量，并將多余能量回收到動力電池組。

圖10 SOC 變化及發(fā)動機工作點切換曲線

根據(jù)設(shè)定的同步碎石封層車行駛工況對其進行燃油經(jīng)濟性仿真分析與對比，混動同步碎石封層車在一個行駛工況內(nèi)的車速、行駛里程及加速度如圖11 所示。

圖11 混動同步碎石封層車循環(huán)工況

圖12 為傳統(tǒng)同步碎石封層車與混動同步碎石封層車在一個行駛工況內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率對比曲線。從圖中可以看出，由于混動同步碎石封層車發(fā)動機和行駛系統(tǒng)機械解耦，和車輪之間沒有直接的機械聯(lián)系，外負荷的變化不會造成發(fā)動機的波動，發(fā)動機在最佳范圍內(nèi)工作，提高了整車經(jīng)濟性。

圖12 同步碎石封層車輸出特性對比曲線

傳統(tǒng)同步碎石封層車和混動同步碎石封層車燃油消耗量對比如圖13 所示。在4 個工作循環(huán)中，傳統(tǒng)同步碎石封層車燃油消耗量為85.22 L，混動同步碎石封層車燃油消耗量為64.16 L，改造后的混動同步碎石封層車節(jié)油率為24.7%，可見相比傳統(tǒng)同步碎石封層車，在合理的動力參數(shù)匹配和能源管理系統(tǒng)配合下混動同步碎石封層車經(jīng)濟性能得到了較大改善。

圖13 同步碎石封層車累積燃油消耗量對比

5 結(jié)論

（1）能源管理策略仿真顯示混合同步碎石封層車發(fā)動機能夠在各工作點之間進行良好切換，制動能量得到了有效的回收，能量回收率為20.34%。

（2）對比傳統(tǒng)同步碎石封層車發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率變化曲線，混動同步碎石封層車的發(fā)動機可以一直工作在最佳范圍內(nèi)，波動較小。同時，4 個循環(huán)工況內(nèi)的燃油消耗量相比傳統(tǒng)同步碎石封層車降低了24.7%，經(jīng)濟性能得到了較大改善。