混聯(lián)式寬體自卸車動力系統(tǒng)控制策略研究

張港峽 ，仝夢瑋 ，李 昭

(1.長安大學(xué)，陜西 西安 710054；2.主函數(shù)智能科技有限公司，陜西 西安 710076)

0 引言

寬體自卸車是一種專門用于煤礦、沙石骨料礦等露天礦山的工程運輸車輛，其在運輸往返過程中車輛載荷變化大，往返路線坡度變化大且運輸路線通常較為固定。為盡可能提高運輸能力傳統(tǒng)礦用寬體自卸車一般采用較大功率的發(fā)動機來滿足重載時的動力性要求，但在返程等整車負載率低的狀態(tài)下，發(fā)動機往往工作在燃油消耗較差的區(qū)域，如本文所研究的寬體自卸車，由于其擔負的礦料運輸任務(wù)要求車輛“重載上坡-空載下坡”，因此在部分工況還存在較大的能耗節(jié)約空間。

近年來，隨著自卸車行業(yè)的快速發(fā)展，寬體自卸車能耗大、排放差的問題日益凸顯，為進一步提高車輛的燃油經(jīng)濟性，寬體自卸車逐漸出現(xiàn)了混合動力化的趨勢，相繼出現(xiàn)了串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式等結(jié)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)。同時也有不少學(xué)者對相關(guān)理論與技術(shù)問題進行了研究，其中針對混合動力系統(tǒng)的控制策略成為了研究重點之一。孟開創(chuàng)等[1]針對分布式的并聯(lián)混合動力礦用自卸車，設(shè)計了基于邏輯門限值的控制策略，并結(jié)合混合動力寬體自卸車模型進行了控制系統(tǒng)仿真分析；李忠利等[2]以并聯(lián)式礦用混合動力自卸車為研究對象，進行了模糊控制策略的研究；董杰等[3]針對單軸并聯(lián)型混合動力礦用自卸車，設(shè)計了基于模糊控制的控制策略，并利用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)對模糊控制器參數(shù)進行了優(yōu)化。

上述文獻的研究對象均為并聯(lián)式混合動力寬體自卸車，但并聯(lián)式混合動力寬體自卸車運行在常見的“重載上坡-空載下坡”的礦區(qū)時有一定的局限性：并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中電池充電的電量主要取決于下坡制動回收的電量，若同時要保證重載上坡時驅(qū)動電機的動力輸出，在連續(xù)運輸作業(yè)時其電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)難以保持平衡。由于混聯(lián)式寬體自卸車擁有比并聯(lián)式寬體自卸車更多的工作模式，其在下坡時制動能量回收與增程發(fā)電可同時運行，可將更多能量轉(zhuǎn)化儲存在電池中，因此更適合應(yīng)用在“重載上坡-空載下坡”工況中。考慮到目前研究多針對并聯(lián)式混合動力寬體自卸車，因此本文對一種混聯(lián)式混合動力礦用寬體自卸車的控制策略進行研究，提出基于規(guī)則與等效燃油消耗最少(Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS)原則的控制策略，并通過在目標工況下仿真對所提出的控制策略進行驗證。

1 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混聯(lián)式寬體自卸車混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示?；靹酉到y(tǒng)中有兩個動力源，分別為相對于傳統(tǒng)燃油寬體自卸車功率較小的發(fā)動機和驅(qū)動電機，兩者動力疊加與傳統(tǒng)燃油寬體自卸車的發(fā)動機功率相當，通過制定合理的控制策略，可兼顧寬體自卸車的動力性和燃油經(jīng)濟性。

表1 整車基本參數(shù)表

圖1 混聯(lián)式混合動力寬體自卸車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制策略設(shè)計

本文所研究的寬體自卸車主要應(yīng)用在露天礦區(qū)一種常見的“重載上坡-空載下坡”工況中，運輸模式簡圖如圖2所示，寬體自卸車在礦坑中的裝料點處裝滿礦料后滿載爬坡，經(jīng)過連續(xù)的上坡路段后到達卸料點，將礦料卸下，然后空車再沿原路下坡返回到裝料點，如此反復(fù)循環(huán)運輸。在“重載上坡-空載下坡”進行運輸?shù)膶掦w自卸車有如下工作特點：

圖2 寬體自卸車的運行模式簡圖

1)寬體自卸車通常只工作在滿載上坡或空載下坡兩種狀態(tài)。

2)寬體自卸車滿載與空載時質(zhì)量相差較大，滿載爬坡時整車負載率大，需求功率高，而空載下坡時整車負載率小，需求功率低。

3)寬體自卸車單次運輸距離短，運輸路線基本保持不變且沿運輸路線重復(fù)往返運輸。

混合動力系統(tǒng)的工作模式可分為四種：純電驅(qū)動、混合驅(qū)動、再生制動和增程發(fā)電。基于寬體自卸車的目標工況特點以及混合動力系統(tǒng)的特點，各工作模式對混動系統(tǒng)元件的控制及對應(yīng)的工作場景說明如下。

2.1 純電驅(qū)動模式

純電驅(qū)動模式主要應(yīng)用在寬體自卸車起步階段和空載下坡階段。純電驅(qū)動模式下電磁離合器斷開，整車僅由驅(qū)動電機驅(qū)動，因此：

Tm，cmd=Treq

(1)

其中，Tm，cmd為驅(qū)動電機目標扭矩，Nm；Treq為整車需求扭矩，Nm。

2.2 混合驅(qū)動模式

混合驅(qū)動模式主要應(yīng)用在寬體自卸車重載上坡場景，混合驅(qū)動模式下電磁離合器處于結(jié)合狀態(tài)，發(fā)動機且與驅(qū)動電機連接至同一驅(qū)動軸，同時為中后橋提供驅(qū)動力，啟動/發(fā)電一體化電機(Integrated Starter and Generator，ISG)既不發(fā)電也不驅(qū)動。處于混合驅(qū)動模式時，可利用ECMS策略對兩動力源進行扭矩分配。ECMS策略的理論基礎(chǔ)為極小值原理，若以重載上坡階段的燃油消耗最小為控制目標，在滿足混合動力系統(tǒng)約束的條件下，可使用極小值原理求解最優(yōu)控制量滿足控制目標。

定義J為混合動力寬體自卸車在重載上坡階段最優(yōu)控制問題的目標優(yōu)化函數(shù)。

(2)

定義驅(qū)動電機的扭矩作為控制量，電池電量SOC為狀態(tài)量，即

u(t)=Tm，cmd

(3)

x(t)=SOC(t)

(4)

其中x(t)為過程變量來簡化計算，系統(tǒng)狀態(tài)方程為

(5)

其中，Qnom為系統(tǒng)流量，Pbat為系統(tǒng)壓力，Voc為容積，則約束條件為：

(6)

定義哈密頓函數(shù)為：

(7)

λ(t)可看作油電等效因子，m為函數(shù)變量

(8)

(9)

系統(tǒng)狀態(tài)邊界為：

(10)

極小值條件為：

H(u(t)，x*(t)，λ*(t)，t)≥H(u*(t)，x*(t)，λ*(t)，t)

?u(t)∈M(t)，?t∈[t0，tf]

(11)

使哈密頓函數(shù)H(u(t)，x*(t)，λ*(t)，t)為最小的控制量即為最優(yōu)控制量，在每一時刻求解哈密頓函數(shù)的最小值，得出的控制量即為瞬時最優(yōu)的驅(qū)動電機扭矩，對哈密頓函數(shù)的最小值進行連續(xù)求解，即可得到最優(yōu)的控制量序列：

u*(t)=argminH(x(t)，u(t)，λ(t)，t)

(12)

在已知油電等效因子的前提下，最優(yōu)控制量求解流程可由圖3表示。

圖3 ECMS策略求解最優(yōu)控制變量流程

2.3 再生制動模式

再生制動模式主要應(yīng)用在寬體自卸車空載下坡階段且駕駛員松開油門踏板時，再生制動模式下電磁離合器斷開，驅(qū)動電機輸出制動扭矩，同時回收部分電能到電池中。再生制動模式下電機指令扭矩為：

Tm，cmd=Tm，maxvαSOCαRα

(13)

其中，vα，SOCα和Rα分別為車速修正系數(shù)、電池SOC修正系數(shù)和坡度修正系數(shù)。三種修正系數(shù)的曲線如圖4所示。

圖4 三種修正系數(shù)曲線示意圖

2.4 增程發(fā)電模式

增程發(fā)電模式的主要應(yīng)用場景為寬體自卸車停車裝/卸料階段和空載下坡階段。增程發(fā)電模式運行時電磁離合器斷開，發(fā)動機和ISG電機組的狀態(tài)不受車輛運行狀態(tài)影響，在滿足發(fā)電功率的前提下，可選取發(fā)動機與ISG聯(lián)合電機組效率高的工作點發(fā)電。增程發(fā)電模式下的發(fā)電功率示意圖如圖5所示。

圖5 增程發(fā)電模式下發(fā)動機-ISG電機組功率變化示意圖

綜上所述，寬體自卸車在“重載上坡-空載下坡”礦區(qū)運輸場景下各個階段主要的工作模式如圖6所示。

圖6 寬體自卸車各個運輸階段的工作模式簡圖

在制定的控制策略中，設(shè)定目標SOC為0.3后，油電等效因子的取值受到電池SOC的初始值的影響[4]，在已知道路工況的前提下，可利用打靶法對不同初始SOC對應(yīng)的最優(yōu)等效因子進行試探取值[4]，打靶法是使用極小值原理求解混合動力車輛最優(yōu)控制問題的常用方法。

設(shè)定SOCtarget為0.3，不同初始SOC對應(yīng)的最優(yōu)油電等效因子如圖7所示。混合動力寬體自卸車在目標礦區(qū)穩(wěn)定的運行時，需要確保電池在單次循環(huán)前后電量一致。寬體自卸車在重載上坡階段，若驅(qū)動電機用電過多，則在之后的階段會消耗更多的燃油為電池補充電量；若驅(qū)動電機用電過少，則發(fā)動機在重載上坡階段消耗的燃油將會增多，因此，電池SOC使用區(qū)間對整個循環(huán)工況的油耗有著重要的影響。

將圖7中不同的電池SOC初始值與對應(yīng)的最優(yōu)等效因子代入到單個循環(huán)工況中進行計算，得到重載上坡初始SOC與最優(yōu)等效因子和單次工況循環(huán)油耗的關(guān)系，如圖8所示，觀察圖8的油耗結(jié)果，當電池初始SOC為0.55時，單個循環(huán)工況油耗最小，因此將0.55～0.3作為電池SOC目標使用區(qū)間。

圖7 重載上坡最優(yōu)等效因子隨電池初始SOC變化曲線圖

圖8 重載上坡初始SOC與最優(yōu)等效因子和單次工況循環(huán)油耗關(guān)系曲線

3 仿真分析

本文選取某“重載上坡，空載下坡”的礦區(qū)實地工況作為仿真循環(huán)工況，其速度-時間曲線與坡度-里程曲線如圖9所示。目標工況單趟單次運距為1.59 km，道路坡度在±10°之內(nèi)變化。對圖6所示的目標工況進行10次循環(huán)仿真，仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

經(jīng)仿真分析，本文所提出的控制策略能夠達到預(yù)期的控制目標，能使混聯(lián)式混合動力寬體自卸車持續(xù)穩(wěn)定的運行在目標礦區(qū)，10次工況循環(huán)總油耗為118.23 L，相對于147.25 L的同款燃油車型的燃油消耗量，節(jié)油率達到19.7%。

圖9 目標工況速度-時間曲線與坡度-里程曲線圖

圖10 發(fā)動機和驅(qū)動電機扭矩曲

圖11 重載上坡階段發(fā)動機工作點分布圖

表2 控制策略仿真參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對混聯(lián)式寬體自卸車混合動力系統(tǒng)，提出了一種基于規(guī)則與ECMS結(jié)合的控制策略，經(jīng)過仿真驗證，控制策略能夠保證寬體自卸車在重載上坡時動力充足；在空載下坡時寬體自卸車能夠進行制動能量回收，發(fā)動機工作在較為經(jīng)濟的區(qū)域；同時在單趟來回運輸后，電池SOC值基本能夠保持一致。經(jīng)過多趟運輸統(tǒng)計，在提出的控制策略下，混聯(lián)式混合動力寬體自卸車相對于工作在同工況傳統(tǒng)燃油寬體自卸車油耗能夠降低19.7%。綜上所述，本文所提出的控制策略能夠適應(yīng)試驗礦區(qū)工況，并且能夠同時保證寬體自卸車的動力性和燃油經(jīng)濟性。