混聯式寬體自卸車動力系統控制策略研究

張港峽 ，仝夢瑋 ，李 昭

(1.長安大學，陜西 西安 710054；2.主函數智能科技有限公司，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礦用寬體自卸車一般采用較大功率的發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下，發動機往往工作在燃油消耗較差的區域，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約空間。

近年來，隨著自卸車行業的快速發展，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濟性，寬體自卸車逐漸出現了混合動力化的趨勢，相繼出現了串聯式、并聯式及混聯式等結構的混合動力系統。同時也有不少學者對相關理論與技術問題進行了研究，其中針對混合動力系統的控制策略成為了研究重點之一。孟開創等[1]針對分布式的并聯混合動力礦用自卸車，設計了基于邏輯門限值的控制策略，并結合混合動力寬體自卸車模型進行了控制系統仿真分析；李忠利等[2]以并聯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]針對單軸并聯型混合動力礦用自卸車，設計了基于模糊控制的控制策略，并利用粒子群優化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)對模糊控制器參數進行了優化。

上述文獻的研究對象均為并聯式混合動力寬體自卸車，但并聯式混合動力寬體自卸車運行在常見的“重載上坡-空載下坡”的礦區時有一定的局限性：并聯式混合動力系統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動電機的動力輸出，在連續運輸作業時其電池荷電狀態(State of Charge，SOC)難以保持平衡。由于混聯式寬體自卸車擁有比并聯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電可同時運行，可將更多能量轉化儲存在電池中，因此更適合應用在“重載上坡-空載下坡”工況中。考慮到目前研究多針對并聯式混合動力寬體自卸車，因此本文對一種混聯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 混聯式混合動力系統結構

混聯式寬體自卸車混合動力系統結構如圖1所示，相關系統參數如表1所示。混動系統中有兩個動力源，分別為相對于傳統燃油寬體自卸車功率較小的發動機和驅動電機，兩者動力疊加與傳統燃油寬體自卸車的發動機功率相當，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濟性。

表1 整車基本參數表

圖1 混聯式混合動力寬體自卸車的動力系統結構

2 混聯式混合動力系統控制策略設計

本文所研究的寬體自卸車主要應用在露天礦區一種常見的“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，經過連續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，如此反復循環運輸。在“重載上坡-空載下坡”進行運輸的寬體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。

2)寬體自卸車滿載與空載時質量相差較大，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往返運輸。

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

2.1 純電驅動模式

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

Tm，cmd=Treq

(1)

其中，Tm，cmd為驅動電機目標扭矩，Nm；Treq為整車需求扭矩，Nm。

2.2 混合驅動模式

混合驅動模式主要應用在寬體自卸車重載上坡場景，混合驅動模式下電磁離合器處于結合狀態，發動機且與驅動電機連接至同一驅動軸，同時為中后橋提供驅動力，啟動/發電一體化電機(Integrated Starter and Generator，ISG)既不發電也不驅動。處于混合驅動模式時，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約束的條件下，可使用極小值原理求解最優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控制問題的目標優化函數。

(2)

定義驅動電機的扭矩作為控制量，電池電量SOC為狀態量，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，系統狀態方程為

(5)

其中，Qnom為系統流量，Pbat為系統壓力，Voc為容積，則約束條件為：

(6)

定義哈密頓函數為：

(7)

λ(t)可看作油電等效因子，m為函數變量

(8)

(9)

系統狀態邊界為：

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

u*(t)=argminH(x(t)，u(t)，λ(t)，t)

(12)

在已知油電等效因子的前提下，最優控制量求解流程可由圖3表示。

圖3 ECMS策略求解最優控制變量流程

2.3 再生制動模式

再生制動模式主要應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、電池SOC修正系數和坡度修正系數。三種修正系數的曲線如圖4所示。

圖4 三種修正系數曲線示意圖

2.4 增程發電模式

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

圖5 增程發電模式下發動機-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對應的最優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控制問題的常用方法。

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

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

圖7 重載上坡最優等效因子隨電池初始SOC變化曲線圖

圖8 重載上坡初始SOC與最優等效因子和單次工況循環油耗關系曲線

3 仿真分析

本文選取某“重載上坡，空載下坡”的礦區實地工況作為仿真循環工況，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°之內變化。對圖6所示的目標工況進行10次循環仿真，仿真結果如圖10和圖11所示。

經仿真分析，本文所提出的控制策略能夠達到預期的控制目標，能使混聯式混合動力寬體自卸車持續穩定的運行在目標礦區，10次工況循環總油耗為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 發動機和驅動電機扭矩曲

圖11 重載上坡階段發動機工作點分布圖

表2 控制策略仿真參數

4 結論

本文針對混聯式寬體自卸車混合動力系統，提出了一種基于規則與ECMS結合的控制策略，經過仿真驗證，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，發動機工作在較為經濟的區域；同時在單趟來回運輸后，電池SOC值基本能夠保持一致。經過多趟運輸統計，在提出的控制策略下，混聯式混合動力寬體自卸車相對于工作在同工況傳統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試驗礦區工況，并且能夠同時保證寬體自卸車的動力性和燃油經濟性。