純電動裝載機整車控制策略及仿真研究

盧照昕，景一佳，鄭中山，江 帥

(1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 純電動裝載機系統(tǒng)構(gòu)成

目前市場上純電動裝載機的技術(shù)路線主要有2 種，一種是雙電機驅(qū)動，電機一作為行駛驅(qū)動電機，電機二作為工作系統(tǒng)電機；另一種技術(shù)路線是三電機驅(qū)動，電機一和電機二作為行駛驅(qū)動電機，電機三作為工作系統(tǒng)電機。電機都采用永磁電機或開關(guān)磁阻電機，因各方案的側(cè)重方向和實施對象不同，各有優(yōu)缺點。本項目涉及純電動裝載機整車控制策略及仿真應(yīng)用，選擇具有較廣泛適用度的雙電機驅(qū)動方案（圖1）。

圖1 雙電機驅(qū)動技術(shù)路線動力構(gòu)型圖

2 純電動裝載機系統(tǒng)構(gòu)成

純電動裝載機與內(nèi)燃機裝載機相比，力學(xué)過程本質(zhì)上相同，區(qū)別在于采用不同的動力源。根據(jù)某廠家內(nèi)燃機6t 裝載機動力系統(tǒng)性能參數(shù)確定純電動裝載機整車動力匹配參數(shù)、電源系統(tǒng)和電子電氣架構(gòu)。

2.1 電機匹配

裝載機工作時電動機消耗主要體現(xiàn)在行走和液壓工作所需功率，行走電機所需功率按照裝載機滿載工作時額定驅(qū)動力Ft所需額定功率Pe和峰值功率Pm確定，即

式中：Ft為驅(qū)動力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

根據(jù)滿載時的最高車速（40km/h）和持續(xù)爬坡度（30°）計算整車所需的額定功率Pe，即

式中：G為滿載裝載機重量，N；f為滾動阻力系數(shù)，N/kN；um為最高車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；θ為持續(xù)爬坡度；uic為持續(xù)爬坡時的車速，km/h。

裝載機行走電機的額定功率Pe取Pve和Pie的最大值。

裝載機行走電機的轉(zhuǎn)速匹配和扭矩匹配根據(jù)式（4）和式（5）計算

式中：r為車輪半徑，m；nm為電機峰值轉(zhuǎn)速，r/min；Tmax為最大扭矩，Nm；Pmax為最大功率，kW。

純電動裝載機液壓工作電機功率

式中：PA為工作液壓泵的輸出壓力，MPa；Q為工作液壓泵的流量，L/min；?b為工作液壓泵效率。

根據(jù)上述理論可計算出純電動6t 裝載機的行走電機和工作電機參數(shù)如表1 所示。

表1 純電動裝載機6t裝載機動力參數(shù)

2.2 動力電池匹配

動力蓄電池包的電量是影響純電動裝載機工作時間的決定性因素，按照續(xù)航時間5h，充電時間1h 的工況要求計算動力蓄電池匹配參數(shù)。

電池容量C（單位Ah）可根據(jù)式（7）計算

式中：P為工作電機和行走電機的總功率；t為單次可持續(xù)工作時間；U為電池的額定電壓。

根據(jù)裝載機工況的不同，電池的峰值功率為

綜上所示，本項目純電動裝載機電壓平臺579.6V，電池電量351kWh。

3 純電動裝載機整車模型搭建

3.1 整車控制策略研究

整車控制策略是純電動工程機械的核心技術(shù)，其優(yōu)劣直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性等性能。本項目將6t 純電動裝載機的控制策略細分為上下電控制、換擋控制、加速踏板控制、動臂控制、翻斗控制等16 項控制功能，各策略如下。

1）上電控制策略 空擋并且4 個先導(dǎo)壓力傳感器壓力值低于2bar 時才能啟動。整車控制器（Vehicular Communication Unit，VCU）檢測到ON 信號，各核心部件開始自檢，若有故障，VCU將故障碼、故障等級、故障節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至儀表顯示，若無故障，VCU 發(fā)送上高壓電指令給BMS，BMS 接收到指令后，自檢無故障后閉合電池箱內(nèi)繼電器并反饋接觸器狀態(tài)，電池上高壓完成。

2）下電控制策略 VCU 檢測到ON 信號消失后，VCU 依次切斷各個附件，VCU 接收到各執(zhí)行單元停機狀態(tài)后，發(fā)送接觸器斷開指令，整車完成下電。

3）加速踏板控制策略 VCU 檢測到油門踏板信號，控制行走電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)油門減小時，進行再生制動（滑行回饋）。

4）換擋控制策略 VCU 檢測換擋手柄輸出的24V+信號判斷司機擋位需求。掛F 擋條件：靜態(tài)時，在剎車被踩下時允許掛F 擋，否則變速箱不會進入擋位；換N 擋條件：任何條件下，R擋和F 擋與N 擋可以直接切換；換R 擋條件：靜態(tài)時，在剎車被踩下時允許掛R 擋，否則變速箱不會進入擋位。

5）行車制動控制策略 剎車燈亮；反饋制動踏板踩下幅度信號，作為制動能量回收信息輸入，控制能量回收程度；靜態(tài)時，作為F 擋和R換擋的判斷條件。

6）駐車制動控制策略 顯示器手剎燈亮；半坡啟動-實現(xiàn)坡道輔助；手剎未釋放進行行駛，VCU 發(fā)送信息，增加蜂鳴報警。

7）動臂舉升下降控制策略 當(dāng)VCU 檢測到動臂舉升或下降，壓力傳感器的壓力值對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，0～4bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為800rpm；4～10bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為800～1 500rpm線性變化；10～20bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為1 500～2 300rpm 線性變化。

8）翻斗裝卸控制策略 當(dāng)VCU 檢測到鏟斗裝卸壓力傳感器的壓力值對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，0～2bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為800rpm；2～10bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為800～1 500rpm線性變化；10～25bar 時，控制液壓電機轉(zhuǎn)速為1 500～2 300rpm 線性變化。

9）轉(zhuǎn)向控制策略 液壓電機怠速800rpm。

10）多態(tài)選擇控制策略 VCU 收到顯示器模式信號，根據(jù)設(shè)定扭矩上限值控制行走電機。

11）模式選擇控制策略 VCU 收到顯示器模式信號，根據(jù)設(shè)定響應(yīng)時間參數(shù)，控制行走電機。

12）倒車限速控制策略 在READY 條件下，在倒擋狀態(tài)，限制車速不超過16km/h。

13）最高車速限制控制策略 在READY 條件下，在前進狀態(tài)下，限制車速不超過40km/h。

14）手剎限功率控制策略 啟動過程及行車過程中，接收到手剎信號，驅(qū)動電機限功至50%。

15）充電過程互鎖控制策略 充電過程中，BMS檢測充電槍連接狀態(tài)并通過CAN報文發(fā)出，若充電槍未拔出，VCU 控制主接觸器不能吸合，另VCU 采集到充電槍連接狀態(tài)后，不發(fā)送扭矩。

16）故障管理策略 根據(jù)電機控制器以及BMS 發(fā)出的故障信息進行等級處理以及整車控制器進行環(huán)境及各個傳感器的運行狀態(tài)進行故障判定。故障等級分為三級，一級故障儀表顯示預(yù)警VCU 不做處理，二級故障整車進入跛行，三級故障整車在車速接近零的時候開始進入下電流程。

3.2 軟件應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計

整車控制器是裝載機的核心控制部件，它采集加速踏板、換擋手柄、制動踏板、翻斗操作手柄、臂架操作手柄等數(shù)字信號或模擬信號，接收電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）、電機控制單元（Motor Control Unit，MCU）、中控屏等各個子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，對接收到的數(shù)據(jù)信息按照控制策略進行解析和診斷，并發(fā)送相應(yīng)的指令控制下層的執(zhí)行機構(gòu)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，整車控制器的集成度越來越高，功能越來越強大。此項目的電動裝載機采用雙電機技術(shù)方案，根據(jù)IO 口數(shù)量和通訊要求，整車控制器采用Hip-ECU4000，微三核32 位控制器，具有4 路CAN、1 路RS232、2 路RS485 通訊和1 路車載以太網(wǎng)，支持Simulink 的應(yīng)用層模型式開發(fā)，可以使用VCT工具完成一鍵生成HEX文件。

整車CAN 網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2 所示。整個應(yīng)用層模型由任務(wù)調(diào)度、信號輸入采集、控制策略模塊、信號輸出4 個主要模塊組成。任務(wù)調(diào)度模塊是按照設(shè)計要求，將模型分為不同時間周期的調(diào)度任務(wù)，最快周期為10ms，最大1 000ms，分為輸入任務(wù)調(diào)度和輸出任務(wù)調(diào)度。信號輸入模塊主要分為CAN 信號輸入采集和硬線輸入信號采集?？刂撇呗阅K主要根據(jù)采集的信號判斷車輛信息，進行車輛狀態(tài)判斷，實現(xiàn)上下電、扭矩請求、扭矩協(xié)調(diào)、電氣附件管理和故障判斷處理功能。信號輸出模塊主要實現(xiàn)不同調(diào)度周期的CAN信號發(fā)送和硬線驅(qū)動信號輸出功能。

圖2 純電動裝載機CAN拓撲圖

3.3 純電動裝載機控制策略搭建

在Simulink 環(huán)境下搭建純電動裝載機整車控制策略模型，包括狀態(tài)機模塊、駕駛員扭矩請求模塊、高壓系統(tǒng)模塊、低壓電附件模塊、READY模塊和故障判斷模塊。

根據(jù)CREO 建立的純電動裝載機三維模型，將Simulink 作為服務(wù)器，建立與CREO 之間的聯(lián)系，在config.pro 文件中設(shè)置路徑，使用multibody 進行控制策略和三維模型的聯(lián)合實時仿真，如圖3 所示。

圖3 純電動裝載機CREO與Simulink聯(lián)合仿真模型

4 控制策略仿真與測試結(jié)果分析

4.1 控制策略仿真

在Simulink 中設(shè)置裝載機操作界面（圖4），通過自定義Input 信號，模擬駕駛員操作，動畫演示純電動裝載機可以實現(xiàn)前進、后退、加減速、翻斗鏟卸和臂架升降等基本動作，該模型滿足純電動裝載機開發(fā)的基本要求。

圖4 純電動裝載機整機狀態(tài)仿真圖

4.2 測試結(jié)果分析

通過VCT 工具將整車控制策略Simulink 模型轉(zhuǎn)換成HEX 文件，燒錄至整車控制器，通過CANOE 監(jiān)測整車信號狀態(tài)，如圖5 所示。純電動裝載機行走電機轉(zhuǎn)速滿足電機特性曲線，工作電機怠速800rpm，轉(zhuǎn)速隨負載改變，從實測信號曲線看出，行走電機扭矩符合VCU 扭矩，整車策略符合電控功能需求。

圖5 純電動裝載機電機狀態(tài)信號測試圖

5 結(jié)論

本文對某6t 純電動裝載機進行研究，通過動力性計算匹配三電系統(tǒng)，在Simulink 中搭建控制策略與CREO三維模型進行聯(lián)合仿真，得到結(jié)論如下。

1）通過動力性計算得出，行走電機額定轉(zhuǎn)速1 000rpm，額定扭矩1 200Nm，峰值功率240kW，工作電機額定轉(zhuǎn)速2 000rpm，額定扭矩500Nm，峰值功率180kW，電壓平臺579.6V，電量351kWh。

2）通過Simulink 和CREO 的聯(lián)合仿真與動畫演示，本項目制定的16 項整車控制策略滿足純電動裝載機的電控基本要求。

3）通過試驗測試，裝載機運行平穩(wěn)，滿足基本工況的使用。通過對比VCU 扭矩指令和實際電機扭矩，也證明了該電動策略的可行性。