基于高壓鋰電的電動叉車行走動力控制系統(tǒng)研究

劉平國， 陳俊屹， 陳其懷， 任好玲， 林添良

(1.中石油江漢機械研究所有限公司， 湖北 荊州 434000； 2.華僑大學(xué) 機電及自動化學(xué)院， 福建 廈門 361021)

引言

隨著全球氣候變暖以及環(huán)境污染愈加嚴(yán)重，節(jié)能減排成為世界的焦點。傳統(tǒng)工程機械能效低、排放差已無法滿足行業(yè)發(fā)展需求，電動化采用電機取代發(fā)動機，可實現(xiàn)零排放、高能效，已經(jīng)被認(rèn)為是工程機械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。

叉車是物流行業(yè)最常用的工程機械，也是最早采用電動化的工程機械之一。目前的電動叉車多是基于低壓鉛酸電池，但由于鉛酸蓄電池缺點為能量體積密度低與循環(huán)壽命差，以及其材料對環(huán)境有著一定污染，且低電壓的電傳動系統(tǒng)存在功率元器件、連接器、電纜與電機產(chǎn)生較高熱損，同時，電流變化率高，容易產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。所以，基于新型儲能裝置的高壓電動叉車已經(jīng)成為叉車重要發(fā)展趨勢之一。

在電動叉車動力行走系統(tǒng)研究方面，根據(jù)傳動方式的不同分為靜液壓傳動、單驅(qū)動電機、多驅(qū)動電機[2-5]。楊雯雯等[6]提出一種電動靜液壓傳動叉車行走的控制系統(tǒng)，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動行走馬達(dá)實現(xiàn)電動叉車的行走，根據(jù)AMESim軟件仿真分析得到叉車在平地行駛能達(dá)到18.21 km/h，穩(wěn)定實現(xiàn)0.053 m/s的速度微動功能，并驗證了制動踏板的制動能力。王威[7]以3 t鋰電叉車為研究對象，提出一種雙電機獨立驅(qū)動系統(tǒng)，并利用遺傳算法對驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用MATLAB/Simulink仿真平臺搭建仿真模型，可得雙電機獨立驅(qū)動系統(tǒng)電動叉車比傳統(tǒng)的單電機電動叉車可節(jié)約電池電量0.6%，新驅(qū)動系統(tǒng)的能量利用率更突出。

在企業(yè)方面，杭叉XC系列鋰電叉車的傳動方式為鋰電池提供能量驅(qū)動行走電機旋轉(zhuǎn)，行走電機與減速相連將動力傳遞到輪胎上。而德國BHS公司的iLifters叉車使用前輪雙電機驅(qū)動方式，并且使用了雙電機交流脈沖技術(shù)作為電子差速器，實現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑。

電動叉車的技術(shù)應(yīng)用比較成熟，各大制造企業(yè)均有一系列的產(chǎn)品問世并獲得廣泛使用，但現(xiàn)有電動叉車技術(shù)大多數(shù)是采用電動機代替發(fā)動機，采用電池代替燃油，并沒有對純電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性研究[8-10]。而使用高壓鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)低壓鉛酸蓄電池與低壓鋰電池方案還處于起步階段，僅對電機、電控系統(tǒng)進(jìn)行高壓化替代，并沒有根據(jù)高壓鋰電池的特點尋找適合高壓鋰電電動叉車控制方案，充分發(fā)揮高壓鋰電動力總成系統(tǒng)的優(yōu)勢。因此，有必要對純電驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出適用于高壓鋰電電動叉車系統(tǒng)動力總成控制系統(tǒng)。

1 高壓鋰電電動叉車動力總成基本組成結(jié)構(gòu)

本研究以3 t叉車作為研究對象，采用單驅(qū)動電機的高壓鋰電電動叉車與傳統(tǒng)的低壓鋰電叉車的機械結(jié)構(gòu)是類似的，但內(nèi)部電氣部件由于電壓等級差距較大，因此電氣設(shè)備需要重新設(shè)計整車系統(tǒng)方案。高壓鋰電電動叉車與低壓電動叉車的主要區(qū)別在于動力總成系統(tǒng)，叉車的動力總成包含了原動機、儲能單元以及液壓系統(tǒng)等組成。如圖1所示為高壓鋰電電動叉車動力總成基本組成，其儲能單元由高壓鋰電池提供，通過電池管理系統(tǒng)(BMS)對叉車儲能單元進(jìn)行能量管理。因為該動力總成系統(tǒng)高壓鋰電池需要對行走電機、舉升電機以及DC/DC這3路進(jìn)行供電，所以需要通過高壓管理單元把高壓鋰電池的1路輸出分成3路輸出，并通過高壓管理單元管理整輛叉車的預(yù)充控制、能量分配與整車高壓電保護(hù)功能。

圖1 高壓鋰電電動叉車動力總成基本組成Fig.1 Basic composition of power assembly of high voltage lithium electric forklift

高壓鋰電電動叉車動力總成基本組成除了上述儲能單元高壓鋰電池、電池管理系統(tǒng)以及高壓管理電壓外，還包括2臺電機和其對應(yīng)的2臺電機控制器。驅(qū)動電機主要為叉車行走的原動機，而舉升電機是液壓系統(tǒng)的原動機。液壓系統(tǒng)包括液壓泵、優(yōu)先閥、多路閥、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、舉升油缸及傾斜油缸。高壓管理單元其中兩路是去到兩臺電機，剩余一路為DC/DC的供電，DC/DC主要是把高壓鋰電池的高電壓變換為低壓電對蓄電池進(jìn)行充電，并且DC/DC在工作時轉(zhuǎn)而對整車低壓控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。低壓控制系統(tǒng)包括蓄電池、顯示屏(VCU)、電動水泵、散熱器總成等，其中整車控制器(VCU)集成到叉車的顯示屏內(nèi)。

2 高壓鋰電電動叉車行走油門踏板控制策略

高壓鋰電電動叉車的驅(qū)動電機為直接連接至減速器，再通過差速器與前橋驅(qū)動軸相連，最終驅(qū)動叉車車輪， 所以驅(qū)動電機的響應(yīng)與速度控制方式直接影響到叉車的車速變化。驅(qū)動電機為永磁同步電機，依據(jù)給定與輸出方式的不同分為轉(zhuǎn)速控制模式與轉(zhuǎn)矩控制模式。轉(zhuǎn)速控制模式為整車控制器發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號到驅(qū)動電機控制器，控制驅(qū)動電機輸出對應(yīng)轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)矩控制模式則是整車控制器發(fā)送目標(biāo)扭矩信號到驅(qū)動電機控制器，控制驅(qū)動電機輸出對應(yīng)扭矩。根據(jù)2種模式控制特點可以得到，轉(zhuǎn)速控制模式可以使驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速迅速匹配駕駛員油門踏板信號，油門踏板開度直接對應(yīng)的是驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)矩控制模式的油門踏板開度對應(yīng)的是驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩。

電動叉車是以搬運負(fù)載為主的工程機械，所以在電動叉車搬運過程中需要運行平穩(wěn)、作業(yè)效率高以及較好的控制精度。轉(zhuǎn)速控制模式車速響應(yīng)快但帶來的問題是加減速過程沖擊大，需要對加減速曲線實時處理控制轉(zhuǎn)速，保證負(fù)載運輸過程平穩(wěn)性；而轉(zhuǎn)矩控制模式通過給定目標(biāo)扭矩方式，使得加減速過程平穩(wěn)，沖擊較小。因此，本研究3 t高壓鋰電電動叉車驅(qū)動電機采用轉(zhuǎn)矩控制模式為主的控制方式。

驅(qū)動電機采用油門踏板開度對應(yīng)基準(zhǔn)扭矩控制方式，其油門開度對應(yīng)基準(zhǔn)扭矩系數(shù)曲線如圖2所示，其中曲線1為性能模式，曲線2為經(jīng)濟(jì)模式。系數(shù)曲線總共分為2個區(qū)間：第一段為設(shè)定死區(qū)開度，為了確保因電動叉車本身供電電壓不穩(wěn)定、外負(fù)載沖擊與自身振動導(dǎo)致油門踏板開度在零附近信號波動，或者駕駛員的腳放置油門踏板上方后有微小開度變化導(dǎo)致整車控制器對駕駛意圖的誤判；第二段為基準(zhǔn)扭矩系數(shù)最小到最大之間與油門開度變化的關(guān)系。曲線2從第二段開始其基準(zhǔn)扭矩系數(shù)與油門踏板開度呈線性關(guān)系，這種油門踏板控制策略能很好的兼顧動力性與經(jīng)濟(jì)性，并且控制器計算過程簡單；曲線1為冪函數(shù)曲線，從第二段開始其基準(zhǔn)扭矩系數(shù)都比曲線2大，可以很好地發(fā)揮電動叉車的動力性能。

圖2 油門踏板開度與基準(zhǔn)扭矩系數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Curve of accelerator pedal opening and benchmark torque coefficient

在整車控制器給定目標(biāo)扭矩值時，還需要考慮不同車速下驅(qū)動電機的最大輸出扭矩限制值。圖3所示為驅(qū)動電機的外特性MAP圖，從圖中可知電機轉(zhuǎn)速與電機最大扭矩間的關(guān)系，其中曲線1為性能模式，曲線2為經(jīng)濟(jì)模式。

圖3 驅(qū)動電機外特性MAP圖Fig.3 MAP diagram of drive motor

圖4 油門踏板控制原理圖Fig.4 Accelerator pedal control schematic

高壓鋰電電動叉車樣機是采用電子油門踏板，其控制原理如圖4所示，整機控制器得到油門踏板輸出的開度電壓信號，通過計算占空比得到油門踏板開度，根據(jù)油門踏板開度與基準(zhǔn)扭矩系數(shù)關(guān)系曲線得到基準(zhǔn)扭矩系數(shù)，再通過驅(qū)動電機MAP曲線判斷當(dāng)前車速所能輸出最大扭矩限制值，最后基準(zhǔn)扭矩系數(shù)乘以扭矩限制值得到基準(zhǔn)扭矩值。

電動叉車作為物流運輸、裝卸機械，在工作循環(huán)時，電動叉車經(jīng)常進(jìn)行加減速操作。電動叉車油門踏板在進(jìn)行加減速操作時，可以通過油門踏板的變化率判斷駕駛員操作意圖，再結(jié)合電池的SOC、車速、制動踏板信號判定油門踏板加減速程度。最后根據(jù)加減速強度計算出補償扭矩值，整車控制輸出到驅(qū)動電機控制器的目標(biāo)扭矩為基準(zhǔn)強度與補償扭矩值， 達(dá)到更快速預(yù)測與實現(xiàn)駕駛員操作目的。因此，目標(biāo)扭矩與基準(zhǔn)扭矩、補償扭矩的關(guān)系為：

(1)

式中，Tm1—— 計算目標(biāo)扭矩值

Tb—— 基準(zhǔn)扭矩

Tcom—— 駕駛意圖的補償扭矩

Tm—— 最終目標(biāo)扭矩值

Tmax—— 最大扭矩限制值

電動叉車油門踏板的駕駛員操作意圖判斷通過使用模糊控制實現(xiàn)，以下為對整車主要影響參數(shù)的劃分：

1) 油門踏板開度變化率劃分

電動叉車油門踏板的輸出信號為電壓信號，電壓值與踏板開度為固定斜率曲線對應(yīng)關(guān)系，而油門踏板在行駛過程中開度變化率為：

(2)

式中，Uacc—— 油門踏板輸出電壓信號

F—— 油門踏板開度變化率

令油門踏板變化范圍在[-1,1]區(qū)間內(nèi)，在油門踏板變化率為負(fù)值時，為駕駛抬升油門踏板，其工況分為：輕抬(DS)、中抬(DM)、重抬(DH)3個油門踏板變化率范圍區(qū)間；在油門踏板變化率為正值時，為駕駛踩下油門踏板，其工況分為：輕踩(AS)、中踩(AM)、重踩(AH)這3個區(qū)間。

2) 電動叉車加減速意圖劃分

當(dāng)電動叉車的油門踏板處于變化時，通過不同油門踏板變化率可以得出不同的叉車加減速意圖，根據(jù)加減速程度可劃分：低減速意圖(DL)、中減速意圖(DM)、高減速意圖(DH)、低加速意圖(AL)、中加速意圖(AM)、高加速意圖(AH)。

3) 電動叉車車速劃分

電動叉車抬升油門踏板后驅(qū)動電機的方向扭矩給定還有兼顧抬升時的車速情況，驅(qū)動電機在工作時可以分為：較低速行駛(VS)、低速行駛(VL)、中速行駛(VM)、高速行駛(VH)4種叉車行駛車速區(qū)間。

4) 電動叉車加減速強度劃分

綜合考慮油門踏板開度變化率、電動叉車加減速意圖、電動叉車車速的因素，將電動叉車減速強度劃分為：加減速強度很弱(O)、減速強度較弱(DSL)、減速強度弱(DL)、減速強度中(DM)、減速強度略強(DSH)、減速強度強(DH)、加速強度較弱(ASL)、加速強度弱(AL)、加速強度中(AM)、加速強度略強(ASH)、加速強度強(AH)這11種區(qū)間。

電動叉車在判斷加減速強度后，根據(jù)對應(yīng)強度給定相應(yīng)補償扭矩值，整車控制器輸出到電機控制器的目標(biāo)扭矩值，是由基準(zhǔn)扭矩、補償扭矩、最大輸出扭矩共同決定。其中在高壓鋰電電動叉車作業(yè)過程中， 當(dāng)計算目標(biāo)扭矩方向與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速旋向相反時，驅(qū)動電機進(jìn)入減速能量回收工況，對這部分能量進(jìn)行回收能增加電動叉車的工作時長。

高壓鋰電電動叉車在行駛作業(yè)過程中的油門踏板控制策略如圖5所示。當(dāng)蓄電池SOC大于等于90%時，禁止整車的進(jìn)行能量回收；當(dāng)蓄電池SOC小于90%時，對油門踏板信號與制動踏板信號進(jìn)行采集，若駕駛員踩下制動踏板，此時制動踏板信號為TRUE，退出補償扭矩的計算；若制動踏板無制動信號輸入時，通過計算油門踏板變化率，再結(jié)合上述的劃分規(guī)則預(yù)測駕駛意圖，經(jīng)過模糊控制后輸出電動叉車加減速強度，通過整車控制器計算與判斷并輸出目標(biāo)扭矩。若驅(qū)動電機最終輸出負(fù)扭矩，則高壓鋰電叉車進(jìn)行減速能量回收。

圖5 油門踏板控制策略Fig.5 Accelerator pedal control strategy

圖6 油門踏板駕駛意圖模糊判斷隸屬度Fig.6 Membership degree of fuzzy judgment on driving intention of accelerator pedal

3 高壓鋰電電動叉車行走動力總成仿真

基于前文對油門踏板的控制提出的策略，并通過油門踏板與制動踏板分別實現(xiàn)不同工況下的行走能量回收。利用電動叉車數(shù)學(xué)模型與控制策略，分別使用MATLAB和AMESim/Simulink仿真軟件搭建油門踏板控制策略仿真模型，并驗證其可行性，系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of system

3.1 仿真模型搭建

根據(jù)油門踏板控制策略對電動叉車油門踏板開度變化率劃分集合為{DH,DM,DS,AS,AM,AH}，其范圍為[-1,1]，如圖6a所示；經(jīng)過模糊控制判斷得到電動叉車減速意圖D的集合為{DH,DM,DL,AL,AM,AH}，其范圍為[-1,1]，如圖6b所示；再加入電動叉車車速v的判斷條件，對車速劃分為{VS,VL,VM,VH}，通過高壓鋰電叉車動力總成參數(shù)匹配參數(shù)需求可得最高車速為18 km/h，所以其劃分范圍為[0,18]，如圖6c所示；最終得到電動叉車加減速強度z的判斷，根據(jù)不同強度劃分為{DH, DSH, DM, DL, DSL, O, ASL, AL, AM, ASH, AH}這11部分，其范圍為[-1,1]，如圖6d所示。

高壓鋰電電動叉車油門踏板能量回收的模糊控制規(guī)則按照3 t電動叉車實際控制經(jīng)驗制定。在油門踏板變化率越大時，說明駕駛員需要更快的減速意圖，反之則減速意圖更小。再根據(jù)電動叉車實時的車速情況判斷減速強度，在車速較高的時候，為了縮短減速時間，需要給予更強的減速強度，讓叉車驅(qū)動電機提供更大的反向減速扭矩。因此，可以得到如表2所示的油門踏駕駛意圖判斷模糊控制規(guī)則表。

表2 油門踏板駕駛意圖判斷模糊控制規(guī)則Tab.2 Fuzzy control rules for judging driving intention of accelerator pedal

按照上述模糊控制規(guī)則，使用Mamdani模糊系統(tǒng)可以得到如圖7所示的油門踏板駕駛意圖判斷模糊推理規(guī)則曲面。

圖7 油門踏板駕駛意圖判斷模糊推理規(guī)則曲面Fig.7 Fuzzy inference rule surface of accelerator pedal driving intention judgment

綜上所述，根據(jù)油門踏板駕駛意圖判斷隸屬關(guān)系與模糊控制規(guī)則，使用MATLAB/Simulink軟件搭建油門踏板控制策略仿真模型，如圖8所示，通過輸入加速踏板開度變化曲線、SOC、車速、制動踏板信號，輸出電動叉車加減速強度，得到驅(qū)動電機補償扭矩并與油門踏板開度對應(yīng)基準(zhǔn)扭矩相加，所得到的計算目標(biāo)扭矩值與驅(qū)動電機MAP最大扭矩限制作對比得到最終輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速計算模塊如圖9所示。經(jīng)過電動叉車行走系統(tǒng)動力學(xué)方程得到對應(yīng)的車速變化。

圖8 油門踏板控制策略仿真模型Fig.8 Simulation model of accelerator pedal control strategy

圖9 目標(biāo)扭矩計算模塊Fig.9 Target torque calculation module

3.2 仿真結(jié)果分析

3 t高壓鋰電電動叉車的行走車速變化是通過駕駛控制油門踏板與剎車踏板實現(xiàn)的，在探究油門踏板控制策略可行性時需要輸入油門踏板開度隨時間變化的曲線，如圖10所示為3 t電動叉車實際操作時的一段油門踏板開度曲線。仿真過程中，電池SOC初始值為50%，即使用能量回收模塊，整車在水平路段行駛。

圖10 油門踏板開度變化曲線Fig.10 Accelerator pedal opening curve

其中油門踏板開度增大部分，即油門踏板開度在0%～100%之間時，對應(yīng)電動叉車勻速或加速的操作意圖，通過模糊控制判斷得出加速強度系數(shù)；而油門踏板開度曲線斜率為負(fù)時，通過模糊控制器得到對應(yīng)的補償扭矩大小，當(dāng)所得到的補償扭矩大于油門開度給定基準(zhǔn)扭矩時，驅(qū)動電機最終輸出負(fù)扭矩，進(jìn)行能量回收。經(jīng)過MATLAB/Simulink軟件仿真后可得結(jié)果如圖11a所示，為油門踏板能量回收模糊推理規(guī)則所得到的加減速強度判斷結(jié)果。

如圖11b所示，圖中負(fù)值扭矩表示驅(qū)動電機輸出的反向減速扭矩，說明驅(qū)動電機此時處于能量回收工況。

圖11 加減速強度與驅(qū)動電機輸出扭矩仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of acceleration and deceleration intensity and drive motor output torque

根據(jù)驅(qū)動電機輸出扭矩仿真得到如圖12所示的高壓鋰電電動叉車的經(jīng)濟(jì)模式與性能模式控制策略的車速對比。在同樣油門踏板變化曲線輸入的條件下，性能模式最高車速可以達(dá)到16.94 km/h，而經(jīng)濟(jì)模式最高車速僅達(dá)到11.03 km/h，分析可得性能模式的動力性能強于經(jīng)濟(jì)模式。

圖12 油門踏板控制策略車速仿真結(jié)果Fig.12 Speed simulation results of accelerator pedal control strategy

綜上所述，通過MATLAB/Simulink對仿真模型進(jìn)行參數(shù)的輸入，分析仿真結(jié)果得到所制定油門踏板加減速模糊控制規(guī)則的輸出結(jié)果，并求得驅(qū)動電機在這過程產(chǎn)生補償扭矩，最終對比經(jīng)濟(jì)模式與性能模式之間的動力性能差距，驗證了油門踏板控制策略在高壓鋰電電動叉車上的可行性。

4 結(jié)論

本研究針對高壓鋰電電動叉車行走動力總成系統(tǒng)開展控制策略研究，提出高壓鋰電電動叉車行走控制策略，實現(xiàn)驅(qū)動控制的同時，對其制動過程的能量進(jìn)行回收，并利用MATLAB/Simulink仿真軟件驗證油門踏板控制策略的可行性，并對比了經(jīng)濟(jì)模式與性能模式之間動力性能的差別。