串聯(lián)式混合動力攪拌車控制策略仿真研究

王魯閩，武濤，繆雪龍

（201620 上海市 松江區(qū) 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

串聯(lián)式混合動力汽車是一種結(jié)構(gòu)相對簡單的混合動力汽車，其發(fā)動機動力輸出給發(fā)電機，而不是用以驅(qū)動車輛行駛，同時車輛的動力電池可以外接充電設(shè)備，通過電網(wǎng)獲取電能，可以擁有一定距離的純電行駛能力。

串聯(lián)式混合動力汽車既能保持傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)航久的特點，又能降低油耗和排放[1-2]；相較于燃油車，其發(fā)動機工作平穩(wěn)，能有效避免低效區(qū)域[3-5]。對于串聯(lián)式混合動力汽車而言，選擇合適的控制策略尤為重要[6-8]。牛繼高等[9]經(jīng)仿真研究發(fā)現(xiàn)最優(yōu)曲線能量控制策略有助于發(fā)動機的最小化。

現(xiàn)有攪拌車多采用傳統(tǒng)的柴油動力，而攪拌車工作時車輛的運行速度不高，有較多停車及怠速情況，發(fā)動機多處于低速低負(fù)荷區(qū)域，效率較低。在節(jié)能減排的大背景下，動力系統(tǒng)出現(xiàn)了多元化和電動化的趨勢[10]，為提高車輛的燃油利用效率和降低排放，對攪拌車進行新能源開發(fā)和控制策略的合理設(shè)計尤為重要。

本文對一型串聯(lián)式混合動力攪拌車發(fā)電機組的發(fā)動機定點控制策略和基于最優(yōu)工作曲線的功率跟隨控制策略進行了研究并建立了控制模型，與仿真軟件中建立的整車模型進行聯(lián)合仿真驗證與比較分析。

1 串聯(lián)式混合動力攪拌車結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)

1.1 車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動力攪拌車基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在本車中發(fā)動機不與傳動系統(tǒng)相連，而是通過發(fā)電機將燃料燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。驅(qū)動車輛行駛的動力不再由發(fā)動機提供，而是由一臺驅(qū)動電機提供。與傳統(tǒng)柴油攪拌車相比，從發(fā)動機驅(qū)動到液壓馬達來帶動攪拌筒轉(zhuǎn)動的動力，改變?yōu)閱为毜臄嚢桦姍C來提供。發(fā)電機產(chǎn)生的電能通過動力電池傳遞給驅(qū)動電機與攪拌電機。

圖1 串聯(lián)式混合動力攪拌車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power system structure of series hybrid mixer

串聯(lián)式混合動力汽車相較于其他混合動力車輛，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)完全解耦，行駛狀況的變化并不直接作用于發(fā)動機的工況，故在動力性上與純電動汽車更為相似，整車結(jié)構(gòu)與動力傳遞路徑也相對簡單。相比傳統(tǒng)柴油動力攪拌車，由于車輛工作時有較多對于傳統(tǒng)發(fā)動機工作不利的低車速、低負(fù)荷狀態(tài)，串聯(lián)混動攪拌車可以使發(fā)動機不受影響地工作于更為高效的區(qū)域，以降低油耗。

1.2 車輛基本參數(shù)

本文研究的串聯(lián)式混合動力攪拌車是由一型柴油動力攪拌車基礎(chǔ)上開發(fā)而來，該車滿載質(zhì)量25 t，攪拌筒工作容量4.5 m3，其車輛的動力系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示。本文在此車基礎(chǔ)上針對發(fā)動機的能量控制策略對串聯(lián)式混合動力攪拌車經(jīng)濟性的影響進行仿真研究。

表1 動力系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Power system parameters

2 發(fā)動機控制策略的建立

2.1 定點控制策略

發(fā)動機的定點控制策略是基于串聯(lián)式混動中發(fā)動機與傳動系解耦這一特性，使發(fā)動機始終工作在指定工作點上，是最為簡單高效的控制策略[11]。定點控制策略工作點的選擇通常包括2 種：一種為選擇發(fā)動機最高效的工作點，以使發(fā)動機盡可能降低油耗；另一種為選擇發(fā)動機較大功率點，以減小發(fā)動機的排量，可控制發(fā)動機的體積與質(zhì)量，但這種工作點效率較低，難以取得較好的節(jié)油效果。

本文中攪拌車使用的發(fā)動機功率較大，選擇發(fā)動機工作于效率較高的1 300 r/min、轉(zhuǎn)矩1 200 N·m處，如圖2 所示。此時發(fā)動機輸出功率為163 kW，對應(yīng)永磁同步發(fā)電機也處于效率95%以上的高效工作區(qū)間。

圖2 定點控制策略工作點Fig.2 Working point of fixed-point control strategy

設(shè)定定點控制策略下發(fā)動機開啟的邏輯為SOC值變化觸發(fā)啟停。車輛首先以純電動狀態(tài)行駛，當(dāng)SOC 下降到 30%時，發(fā)動機啟動，帶動發(fā)電機發(fā)電以為車輛提供電能，當(dāng)SOC 上升至60%后，發(fā)動機與發(fā)電機關(guān)閉。將SOC 控制在30%～60%之間，以避免過度充放電，減少對電池壽命的損耗。使用MATLAB/Simulink 軟件建立了該定點控制策略的控制模型，如圖3 所示。

圖3 定點控制策略模型Fig.3 Model of fixed-point control strategy

模型中，電池當(dāng)前SOC 信號輸入進Stateflow 判斷模塊。判定若SOC 低于SOC_min，則令mode=1；若SOC 高于SOC_max，則令mode=0。mode=0 狀態(tài)下，發(fā)動機進入停止?fàn)顟B(tài)；mode=1 狀態(tài)下，發(fā)動機和發(fā)電機啟動。定點控制策略工作模塊如圖4 所示。通過轉(zhuǎn)速的PID 控制輸出發(fā)動機負(fù)荷信號使發(fā)動機工作在需求轉(zhuǎn)速，并向發(fā)電機輸出負(fù)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動機進入工作狀態(tài)而轉(zhuǎn)速過低時，先給予發(fā)電機正的轉(zhuǎn)矩以帶動發(fā)動機快速達到工作轉(zhuǎn)速。

圖4 定點控制策略工作模塊Fig.4 Working Module of fixed-point control strategy

2.2 基于最優(yōu)曲線的功率跟隨控制策略

在最優(yōu)曲線功率跟隨控制策略中，發(fā)動機的工作狀態(tài)沿萬有特性圖上的固定曲線變化，選取的曲線通常為多個功率下的最佳油耗點構(gòu)成的曲線。隨車輛行駛狀態(tài)的變化，發(fā)動機不斷改變工作點以跟隨車輛需求功率的變化。在該模式下，發(fā)動機產(chǎn)生的功率幾乎全部用于車輛行駛的功率需求和車載耗電器件的功率，有利于改善電池壽命。

在本策略下，以驅(qū)動電機、攪拌電機和車載用電器的總功率為需求功率，發(fā)電功率跟隨需求功率而變化。發(fā)動機啟動同樣以SOC 值變化為基準(zhǔn)，在30%～60%之間波動。

策略中采用的發(fā)動機工作曲線如圖5 所示。在盡可能使工作點位于同功率下較低油耗的位置的前提下進行工作點的選擇。較低功率下，使相近的工作點工作于同一轉(zhuǎn)速下，使工作點盡可能位于高效區(qū)域且使發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；高功率下，維持恒轉(zhuǎn)矩以盡量降低轉(zhuǎn)速、高效工作。為使發(fā)動機不至于工作于效率較低的區(qū)域，設(shè)定了工作功率的范圍，上限Pemax取240 kW，下 限Pemin取75 kW。

圖5 發(fā)動機最優(yōu)工作曲線Fig.5 Optimal operating curve of the engine

根據(jù)上述邏輯，使用MATLAB/Simulink 軟件對基于最優(yōu)曲線的功率跟隨策略建立控制模型，模型形式與圖3 所示的定點控制策略相近。但在工作模塊中（如圖6 所示），以車輛實時總需求功率為輸入，由查詢表模塊得到當(dāng)前需求功率對應(yīng)工作曲線下的轉(zhuǎn)速，并通過PID控制發(fā)動機工作。

圖6 功率跟隨策略工作模塊Fig.6 Working module of power following strategy

3 基于Cruise 軟件的經(jīng)濟性仿真與分析

3.1 循環(huán)工況與初始設(shè)置

本文用于經(jīng)濟性仿真的工況為C-WTVC 循環(huán)工況，如圖7 所示。C-WTVC 工況是中國檢驗重型商用車燃油經(jīng)濟性的循環(huán)工況，包括900 s的市區(qū)循環(huán)、468 s的公路循環(huán)和432 s的高速循環(huán)[12]。

圖7 C-WTVC 循環(huán)工況Fig.7 C-WTVC drive cycle

使用Cruise 軟件建立車輛動力學(xué)仿真模型。在經(jīng)濟性仿真過程中，為使負(fù)荷更接近工作負(fù)荷，設(shè)定攪拌車一直處于工作狀態(tài)，即攪拌車裝載工作容積的混凝土，質(zhì)量為滿載質(zhì)量，且攪拌電機始終開啟以使攪拌筒保持旋轉(zhuǎn)。本仿真主要為檢驗發(fā)動機控制策略的影響，將SOC 初始值設(shè)定為30%，以使發(fā)動機從循環(huán)開始便進入工作狀態(tài)。

3.2 仿真結(jié)果

圖8 為5 個C-WTVC 工況下基于發(fā)動機定點控制策略的串聯(lián)式混合動力攪拌車的電池參數(shù)與發(fā)動機工作變化。圖中可以看到，在工作循環(huán)中出現(xiàn)了多次充放電的情況，電池SOC 值有10 次明顯的波動，而發(fā)動機工作時始終工作于設(shè)定的工作點。

圖8 定點控制策略仿真情況Fig.8 Simulation of fixed-point control strategy

圖9為5個C-WTVC工況下基于發(fā)動機最優(yōu)曲線功率跟隨控制策略的串聯(lián)式混合動力攪拌車的電池參數(shù)與發(fā)動機工作變化。工作過程出現(xiàn)了5 次充放電，但波動幅度和波動次數(shù)明顯少于定點控制策略，反映了制定的功率跟隨策略的發(fā)電功率更接近車輛行駛需求的真實功率，且能夠降低電池充放電帶來的損失。

圖9 功率跟隨控制策略仿真情況Fig.9 Simulation of power following control strategy

功率跟隨策略下，電池SOC 仍然有較大波動的原因如圖10 所示。一個循環(huán)周期內(nèi)發(fā)動機功率與電池電功率變化情況顯示，在發(fā)動機工作的大部分時間，電池電功率均大于0，即發(fā)電機提供的功率大于車輛需求功率，這是由于發(fā)動機工作曲線下限為提高工作效率而選取了較大的75 kW 導(dǎo)致的。

圖10 發(fā)動機功率與電池電功率Fig.10 Engine power and battery electrical power

在5 個C-WTVC 循環(huán)工況下，發(fā)動機定點控制策略的燃油消耗情況為57.31 L/100km，而功率跟隨策略則為58.40 L/100km，該車采用功率跟隨策略的油耗情況與定點控制策略油耗基本相當(dāng)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某串聯(lián)式混合動力攪拌車的工作特點，分析了發(fā)動機控制策略，建立了MATLAB/Simulink 控制策略模型，進行了整車動力學(xué)仿真，分析結(jié)果顯示：（1）該攪拌車采用功率跟隨策略的燃油經(jīng)濟性與定點控制策略相當(dāng)；（2）功率跟隨策略相比定點控制策略能明顯降低電池充放電次數(shù)，對電池壽命更友好；（3）該功率跟隨策略為追求高效率而選取了較高的最低功率點，這將發(fā)電功率長期高于需求功率，從而導(dǎo)致電池SOC 值的波動。