增程式混合動力洗掃車能量管理策略研究

高愛云 張風麗

河南科技大學車輛與交通工程學院，洛陽，471003

0 引言

我國傳統(tǒng)雙發(fā)動機洗掃車排放差、噪聲大，對環(huán)境的污染比較嚴重。目前，我國對節(jié)能環(huán)保的要求越來越高，對洗掃車市場的需求越來越大，傳統(tǒng)洗掃車已不能滿足現(xiàn)在市場的需求。同時，由于洗掃車滿載質(zhì)量比較大，現(xiàn)有的動力電池技術(shù)不夠成熟，故能夠滿足道路洗掃要求的動力電池和電機等部件比較大，成本比較高。因此發(fā)展混合動力洗掃車十分必要[1]。

混合動力環(huán)衛(wèi)洗掃車與普通混合動力車輛在使用環(huán)境、運行工況、負載特性等方面都存在較大差異。目前，我國對混合動力汽車能量管理策略進行了大量研究[2-5]，但在環(huán)衛(wèi)洗掃車領域研究相對較少。文獻[6]對增程式電動環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)進行了匹配，并對環(huán)衛(wèi)車能量管理策略中的功率流進行了研究；文獻[7]針對單軸混合動力環(huán)衛(wèi)垃圾車進行了研究，僅實現(xiàn)垃圾運輸、傾倒，功能單一，不能滿足清掃、沖洗、抽洗等多功能環(huán)衛(wèi)車的需求；文獻[8]采用并聯(lián)式混合動力環(huán)衛(wèi)車，通過設計動力耦合裝置實現(xiàn)模式的切換，但是該結(jié)構(gòu)在洗掃工況時，不易實現(xiàn)洗掃裝置與行走裝置洗掃作業(yè)時的動力解耦，容易對清潔效果產(chǎn)生影響。

本文以增程式混合動力洗掃車為研究對象，結(jié)合采集的本地作業(yè)工況，建立了混合動力系統(tǒng)的數(shù)學模型，提出了一種基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速模糊PID+電池下垂控制的動態(tài)協(xié)調(diào)的能量管理策略。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學模型

1.1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對混合動力環(huán)衛(wèi)洗掃車工況特點，采用增程式混合動力系統(tǒng)方案，如圖1所示，發(fā)動機輸出的動力沒有和行駛負載直接連接，因此可以實現(xiàn)發(fā)動機的輸出與行駛負載解耦，能夠很好地實現(xiàn)動力分配，保證發(fā)動機為洗掃作業(yè)系統(tǒng)提供比較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，提高清掃效率。

1.發(fā)動機 2.離合器 3.分動器 4.洗掃部件5.ISG電機 6.動力電池 7.驅(qū)動電機 8.DC/DC變換器圖1 增程式混合動力洗掃車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Extended program hybrid cleaning vehiclesystem structure

在系統(tǒng)中，發(fā)動機產(chǎn)生的動力經(jīng)過分動器，分別用于驅(qū)動洗掃工作裝置和ISG電機發(fā)電；ISG電機通過直流母線與動力電池和驅(qū)動電機連接，起到啟動發(fā)電一體化的作用；動力總成由電池能源系統(tǒng)提供電能，通過電機控制器調(diào)整牽引電動機的輸出特性，控制其正向或反向運轉(zhuǎn)。

本文基于典型洗掃作業(yè)工況建立混合動力洗掃車的數(shù)學模型，并對控制策略進行設計。

1.2 系統(tǒng)數(shù)學模型

(1)發(fā)動機模型。在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作過程中，發(fā)動機功率和燃油消耗量受轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的影響。瞬時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與瞬時功率的關系為

(1)

式中，Pice(t) 為瞬時功率，kW；Tice(t)為發(fā)動機的瞬時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m；nice(t)為發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速，r/min。

瞬時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與瞬時燃油消耗量的關系為

(2)

式中，Qice(t)為發(fā)動機的瞬時燃油消耗量，L；bice(t)為燃油消耗率，g/(kW·h)；u(t)為行駛車速，km/h；ρ為燃油密度，kg/L；g為重力加速度，本文取9.8 m/s2。

(2)電機模型。發(fā)電機與發(fā)動機機械連接，又作為機械能與電能轉(zhuǎn)換的單元，發(fā)電機轉(zhuǎn)子端轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速受控制器端輸出直流電壓和電流的影響，有

(3)

電動模式和發(fā)電模式時母線端通過的電流

(4)

ISG電機外特性曲線如圖2所示。

圖2 ISG電機外特性曲線圖Fig.2 ISG motor external characteristic curve

(3)電池模型。采用電池內(nèi)阻建立電池模型：

(5)

式中，Ub,oc為開路電壓，V；Nb為電池組中單體電池串聯(lián)數(shù)；Ub,VOC(SSOC)為單體電池的開路電壓，V；Rb為電池等效電阻，Ω；Rb,R(SSOC)為單體電池的開路電阻，Ω；SSOC，0為電池初始荷電狀態(tài)；Ct為電池可用容量；ib為充放電電流，A；Eb為電池端電壓，V。

2 能量管理控制策略的設計

能量管理控制策略包括穩(wěn)態(tài)能量管理策略設計和動態(tài)協(xié)調(diào)控制。穩(wěn)態(tài)能量管理策略是以滿足功率需求、提高系統(tǒng)電池有效儲備功率為目標，解決混合動力系統(tǒng)各部件在該時刻下的運行狀態(tài)的功率分配和模式切換問題的一種能量管理方式[9-10]；動態(tài)協(xié)調(diào)控制是基于動態(tài)過程平穩(wěn)控制的原則，使各部件按照能量管理策略制定的混合動力系統(tǒng)工作模式運行。能量管理控制策略設計見圖3。

圖3 能量管理控制策略設計簡圖Fig.3 Energy management control strategydesign diagram

2.1 穩(wěn)態(tài)能量管理策略設計

混合動力車輛的能量管理策略以燃油消耗最小為目標。本文基于規(guī)則的控制策略，制定了混合動力系統(tǒng)的功率分配規(guī)則，以防止電池的過充過放。

數(shù)學表達式為

SSOC,low

(6)

式中，SSOC,high、SSOC,low分別為電池允許充放電時的荷電狀態(tài)上限、下限。

電池的荷電狀態(tài)SOC分為3區(qū)域：低SOC區(qū)(SSOC<40%)，正常SOC區(qū)(40%～80%)，高SOC區(qū)(SSOC>80%)。當SSOC>SSOC，high時，限制充電，只允許放電；當SSOC

整車需求功率包括洗掃系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)需求功率，為了表示功率需求的分配情況(表1)，引入一個參考量ε來描述發(fā)動機的工作情況，定義如下：

Preq=Psweep+Prun

(7)

ε=Psweep/Pice

(8)

式中，Psweep為發(fā)動機用于洗掃時的功率，kW；Preq為整車需求功率，kW；Prun為行駛系統(tǒng)需求功率，kW。

表1 功率分配表

注：Pem為驅(qū)動電機功率，kW。

系統(tǒng)功率分配情況：

(9)

式中，Pisg為ISG電機功率，kW；Pb為電池功率，kW；γ為發(fā)動機油門開度，本文根據(jù)經(jīng)驗值進行區(qū)間劃分，區(qū)間值選取為γ1=12%、γ2=25%、γ3=52%、γ4=75%。

(1)mode1：當油門踏板開度為0<γ≤γ1時，Psweep=0，即發(fā)動機輸出到洗掃功率為0，發(fā)動機在油門開度為0～γ1區(qū)間內(nèi)通過ISG電機啟動發(fā)動機，為發(fā)動機起步階段，電池用于ISG電機啟動發(fā)動機，電池滿足SSOC>SSOC,low。

(2)mode2：當油門踏板開度為γ1<γ≤γ2時，控制器根據(jù)車速、踏板開度、電池荷電狀態(tài)分配電機和發(fā)動機的功率需求，其行駛負載功率由驅(qū)動電機提供，洗掃負載功率來自發(fā)動機，電池滿足SSOC>SSOC,high。

(3)mode3：當油門踏板開度為γ2<γ≤γ3時，驅(qū)動電機不足以滿足驅(qū)動行駛功率，由發(fā)動機通過ISG電機，直接通過電傳動作用于驅(qū)動電機，不經(jīng)過儲能裝置，發(fā)動機一部分功率用于提供洗掃負載需求功率，一部分用于驅(qū)動行駛車輛需求負載功率，此階段為發(fā)動機在洗掃和驅(qū)動車輛間進行功率分配，電池滿足SSOC,low≤SSOC≤SSOC,high。

(4)mode4：當油門踏板開度為γ3<γ≤γ4時，電池荷電狀態(tài)低于自己設定的最低下限值，由發(fā)動機通過ISG電機為電池充電，發(fā)動機一部分功率用于提供洗掃負載需求功率，一部分用于電池充電功率，電池滿足SSOC

2.2 動態(tài)協(xié)調(diào)控制設計

根據(jù)整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略確定穩(wěn)態(tài)目標功率，但由于發(fā)動機和電機動態(tài)響應特性的不同，使得發(fā)動機和電池的實際功率不能按照分配好的穩(wěn)態(tài)目標值進行精確變化，導致發(fā)動機輸出功率不在設定的最優(yōu)工作曲線上[11]。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器和DC/DC變換器功率控制器之間沒有耦合關系時，可實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機、DC/DC變換器發(fā)電系統(tǒng)的解耦控制。本文動態(tài)協(xié)調(diào)中，發(fā)動機采用轉(zhuǎn)速模糊PID控制使整車保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，動力電池采用下垂控制[12-13]，抑制功率波動，保證充放電的可靠性，協(xié)調(diào)控制的總原理見圖4。

圖4 協(xié)調(diào)控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of coordinated control

由圖4可知，協(xié)調(diào)控制主要由發(fā)動機轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制和電池功率協(xié)調(diào)控制兩部分組成。根據(jù)洗掃車行駛負載需求功率和洗掃需求功率，一部分計算出發(fā)動機的需求功率，依據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速查表求出發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，通過模糊PID控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；另一部分計算行駛負載需求，根據(jù)電池荷電狀態(tài)確定電池的功率，根據(jù)電池電壓查表得到穩(wěn)態(tài)目標電壓Eb，經(jīng)過電壓控制器和電流控制器調(diào)節(jié)輸出信號db，并傳輸給DC/DC變換器，變換器中脈寬調(diào)制(PWM)信號對變換器中開關器件的通斷進行控制，從而改變輸出電壓的大小，進而改變功率的大小。

2.2.1發(fā)動機轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制

發(fā)動機協(xié)調(diào)控制中采用轉(zhuǎn)速模糊PID控制策略，發(fā)動機轉(zhuǎn)速模糊PID閉環(huán)控制如圖5所示。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速模糊PID控制Fig.5 Engine speed fuzzy PID control

模糊控制器的輸入為發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速之差e及其變化率ec。通過模糊推理得到動態(tài)的PID控制參數(shù)ΔkP、ΔkI、ΔkD。模糊控制器的輸入量、輸出量的模糊子集設為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},子集元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

隸屬度函數(shù)采用對稱隸屬函數(shù)，輸入量、輸出量隸屬度函數(shù)見圖6。

圖6 隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function

在洗掃車作業(yè)工況下，發(fā)動機控制易受負荷變化或干擾因素的影響，駕駛員需要根據(jù)路面情況對洗掃負載轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)以獲得良好的清掃效率和工作效率，因此洗掃車進行清掃工作時，必須對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，以達到需求的穩(wěn)定負載轉(zhuǎn)速。

期望轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差及誤差變化率為

e(k)=nopt(k)-nact(k)

(10)

ec(k)=e(k)-e(k-1)

(11)

式中，nopt(k)為發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，r/min；nact(k)為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，r/min；e(k-1)為前一時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速誤差值。

PID參數(shù)滿足模糊修正關系：

(12)

式中，kP0、kI0、kD0為PID控制器初始參數(shù)；kP、kI、kD為整定后PID控制器的參數(shù)。

PID的離散控制算法為

(13)

式中，T為采樣周期。

選取發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速時，由穩(wěn)態(tài)確定的轉(zhuǎn)速點采用多工作點轉(zhuǎn)速切換方式，根據(jù)車輛的行駛需求功率，對應得到滿足要求的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和汽車需求功率。

2.2.2電池功率協(xié)調(diào)控制

需求功率由發(fā)動機和電池兩部分動力源提供，在動態(tài)過程中對功率波動修正為

Preq=Popt+ΔP=f(γ,nice,im)+f(dUm/dt)

(14)

式中，Popt為整車目標功率，kW；ΔP為功率變化量。

發(fā)動機采用轉(zhuǎn)速控制，由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的關系得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速和電壓電流的關系：

(15)

(16)

(17)

式中，Ke為等效電動勢系數(shù)；KX為等效阻抗系數(shù)；Ug為母線電壓參考值，V。

聯(lián)立式(15)～ 式(17)得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和母線電壓的關系：

(18)

由式(18)可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與母線電壓和電機功率有關，當出現(xiàn)功率波動，不能按照原先設定的功率分配時，可以調(diào)節(jié)電壓的大小以抑制功率波動。

母線電壓的控制通過對電池系統(tǒng)下垂控制進行，根據(jù)負荷功率需求自動調(diào)整輸出功率以確保母線電壓穩(wěn)定。控制計算如下：

(19)

式中，ψdc為下垂系數(shù)；ib_ref為電池電流參考值；Udc_max為DC/DC電壓上限；Udc_min為DC/DC電壓下限。

由電壓和電流的下垂函數(shù)關系確定電壓的傳遞函數(shù)，母線電壓與ISG電機和發(fā)動機傳遞函數(shù)如下：

(R(s)-Um)G1(s)-ib=ib_ref

(20)

ib=ib_refG2(s)Gi(s)

(21)

Um=ibGu(s)

(22)

C(s)=UmGisg(s)Gice(s)

(23)

聯(lián)立式(20)～ 式(23)消去ib_ref得

C(s)=(R(s)-Um)·

(24)

式中，C(s)為輸出轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)；R(s)為輸入電池電壓的傳遞函數(shù)；G1(s)為電壓環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)；G2(s)為電流環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)；Gi(s)為DC/DC控制器的電流傳遞函數(shù)；Gu(s)為DC/DC控制器的電壓傳遞函數(shù)；Gisg(s)為ISG電機的傳遞函數(shù)；Gice(s)為發(fā)動機的傳遞函數(shù)。

電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制見圖7。當出現(xiàn)功率波動時，電壓和電流會影響發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，通過控制電流電壓可抑制功率波動。當母線電壓小于穩(wěn)態(tài)電壓時，需求功率不足以支撐需求動力，動力電池通過放電輸出功率彌補動力不足，通過調(diào)節(jié)電壓電流，進而平衡功率波動；反之通過調(diào)節(jié)電壓電流使發(fā)動機給電池充電釋放富裕功率，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

3 仿真分析

在AVL-CRUISE中建立增程式混合動力洗掃車系統(tǒng)模型，如圖8所示。該模型利用AVL-CRUISE軟件中分層建模的功能，實現(xiàn)洗掃車轉(zhuǎn)場工況和洗掃工況下的模式切換。本文在設置計算任務時，為洗掃工況添加采集的本地洗掃作業(yè)工況，該工況是結(jié)合本地城區(qū)，選擇當?shù)靥囟ǖ膫鹘y(tǒng)洗掃車進行洗掃作業(yè)工況實驗時的數(shù)據(jù)。該工作路線為城區(qū)的某一洗掃路段，選擇的實驗時間為早上6:00至7:00，盡量避開城市早高峰擁堵時間段，減小行人對車輛運行的影響。一個運行工況時間為2 110 s，選擇4個運行工況，進行仿真模擬，整車參數(shù)和動力部件參數(shù)如表2、表3所示。

圖7 電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.7 Voltage outer loop current inner loop control block diagram

圖8 增程式混合動力洗掃車聯(lián)合仿真模型Fig.8 Combined simulation model of extended-program hybrid cleaning vehicle

表2 整車基本參數(shù)

表3 動力部件主要參數(shù)

洗掃工況的行駛車速仿真曲線見圖9，可以看出，實際車速能夠?qū)崟r跟蹤目標車速，說明車輛能夠達到所需的動力要求，控制良好。

圖9 洗掃工況下行駛車速曲線Fig.9 Driving speed curve under sweeping conditions

洗掃循環(huán)工況下動力電池的仿真曲線見圖10，本文設置了4個循環(huán)工況，電池初始荷電狀態(tài)值SSOC，0設置為50%。從圖10a中可以看出，SOC值在電池電量消耗過程中有輕微波動，這是因為洗掃車在制動時能量有所回收，但是洗掃工況下車速比較低，制動能量回收有限；整個洗掃工況中，當SOC值下降到40%時，SOC值開始上升，最后到80%時SOC值不再上升，與所設計的控制策略相符，達到了設計的效果，保護了電池，防止了過沖過放的現(xiàn)象。運行6 114 s之后SOC值開始上升是因為在SOC值下降到40%后，整車控制器會根據(jù)SOC值的多少給發(fā)動機和發(fā)電機發(fā)出指令，ISG電機開啟，為電池充電。因此在6 114 s之前，電流小于0，為負值，說明電池一直處在放電狀態(tài)，在6 114 s之后電流大于0，為電池充電。圖10b為電池的充放電功率，可以看出充放電功率的波動較小，控制比較好。

(a)動力電池參數(shù)隨時間的變化

(b)動力電池充放電功率隨時間的變化圖10 洗掃循環(huán)工況下動力電池的仿真曲線Fig.10 Simulation curve of the power battery undersweeping conditions

(a)發(fā)動機轉(zhuǎn)速模糊PID控制效果

(b)洗掃部件轉(zhuǎn)速圖11 洗掃工況下轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線Fig.11 Speed closed loop control curve undersweeping conditions

洗掃循環(huán)工況下轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線見圖11。從圖11a中可以看出，發(fā)動機在清掃模式下處于兩個恒定轉(zhuǎn)速工作，即發(fā)動機雙工作點，在啟動時發(fā)動機轉(zhuǎn)速從零變化到目標轉(zhuǎn)速2 050 r/min，用時5 s左右達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，并且超調(diào)量很小，穩(wěn)態(tài)誤差基本沒有，表明本仿真設計的PID控制器調(diào)速效果良好。在發(fā)動機運行6 114 s時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，這是因為此時模式切換，離合器結(jié)合瞬間，ISG電機轉(zhuǎn)速由540 r/min突然增加至1 953 r/min，發(fā)動機轉(zhuǎn)速由2 050 r/min下降至1 953 r/min，由于機械慣性速度會繼續(xù)增大直至穩(wěn)定，到達發(fā)動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速2 000 r/min。圖11b為洗掃部件的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出基本穩(wěn)定，說明發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制良好，能夠保證清掃效率。

整個洗掃工況下，驅(qū)動電機提供的輸出轉(zhuǎn)矩如圖12所示，可以看出，驅(qū)動電機提供的輸出轉(zhuǎn)矩相對比較穩(wěn)定，滿足了洗掃車行駛時的特性要求，驗證了控制策略的正確性。

圖12 洗掃工況下驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩Fig.12 Output torque of the drive motor undersweeping conditions

洗掃工況下累計油耗對比結(jié)果如圖13所示，可以看出，在6 114 s之后的斜率比之前斜率要大，燃油消耗要大，這是因為發(fā)動機不僅要提供洗掃部件的需求功率，還要在洗掃工況下通過ISG電機為電池充電。

圖13 洗掃工況下累計油耗對比Fig.13 Comparison of cumulative fuel consumptionunder sweeping conditions

表4所示為整車綜合油耗對比結(jié)果，可以看出整車的燃油消耗與傳統(tǒng)雙發(fā)動機洗掃車相比得到了很好的改善，轉(zhuǎn)場模式節(jié)油率達到17.7%，洗掃模式節(jié)油率達到37.1%。

表4 整車綜合油耗對比

4 結(jié)論

(1)針對增程式混合動力洗掃車動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略,提出了基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略，經(jīng)仿真驗證，發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸出比較平穩(wěn)，模式切換時波動較小，保證了洗掃時輸出轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。

(2)提出了功率協(xié)調(diào)控制策略，經(jīng)仿真驗證，充放電功率比較穩(wěn)定，電壓能夠控制在一定范圍內(nèi)，達到平衡功率波動的目的。

(3)基于AVL-CRUISE和Simulink搭建了增程式混合動力洗掃車聯(lián)合仿真平臺，從仿真結(jié)果來看，仿真車速能較好地跟蹤目標工況車速，所設計的控制策略能夠滿足轉(zhuǎn)場運輸和清掃工作的要求，轉(zhuǎn)場模式節(jié)油率達到17.7%，洗掃模式節(jié)油率達到37.1%。