串聯(lián)式混合動(dòng)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(dòng)力汽車是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的混合動(dòng)力汽車，其發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出給發(fā)電機(jī)，而不是用以驅(qū)動(dòng)車輛行駛，同時(shí)車輛的動(dòng)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(dòng)力汽車既能保持傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)航久的特點(diǎn)，又能降低油耗和排放[1-2]；相較于燃油車，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，能有效避免低效區(qū)域[3-5]。對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)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(dòng)機(jī)的最小化。

現(xiàn)有攪拌車多采用傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力，而攪拌車工作時(shí)車輛的運(yùn)行速度不高，有較多停車及怠速情況，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)了多元化和電動(dòng)化的趨勢(shì)[10]，為提高車輛的燃油利用效率和降低排放，對(duì)攪拌車進(jìn)行新能源開發(fā)和控制策略的合理設(shè)計(jì)尤為重要。

本文對(duì)一型串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)控制策略和基于最優(yōu)工作曲線的功率跟隨控制策略進(jìn)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(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證與比較分析。

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

1.1 車輛動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在本車中發(fā)動(dòng)機(jī)不與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，而是通過發(fā)電機(jī)將燃料燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。驅(qū)動(dòng)車輛行駛的動(dòng)力不再由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，而是由一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供。與傳統(tǒng)柴油攪拌車相比，從發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到液壓馬達(dá)來帶動(dòng)攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，改變?yōu)閱为?dú)的攪拌電機(jī)來提供。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過動(dòng)力電池傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)與攪拌電機(jī)。

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

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相較于其他混合動(dòng)力車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)完全解耦，行駛狀況的變化并不直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，故在動(dòng)力性上與純電動(dòng)汽車更為相似，整車結(jié)構(gòu)與動(dòng)力傳遞路徑也相對(duì)簡單。相比傳統(tǒng)柴油動(dòng)力攪拌車，由于車輛工作時(shí)有較多對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作不利的低車速、低負(fù)荷狀態(tài)，串聯(lián)混動(dòng)攪拌車可以使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力攪拌車是由一型柴油動(dòng)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量控制策略對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行仿真研究。

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

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的建立

2.1 定點(diǎn)控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)的定點(diǎn)控制策略是基于串聯(lián)式混動(dòng)中發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系解耦這一特性，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在指定工作點(diǎn)上，是最為簡單高效的控制策略[11]。定點(diǎn)控制策略工作點(diǎn)的選擇通常包括2 種：一種為選擇發(fā)動(dòng)機(jī)最高效的工作點(diǎn)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能降低油耗；另一種為選擇發(fā)動(dòng)機(jī)較大功率點(diǎn)，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，可控制發(fā)動(dòng)機(jī)的體積與質(zhì)量，但這種工作點(diǎn)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(dòng)機(jī)功率較大，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為163 kW，對(duì)應(yīng)永磁同步發(fā)電機(jī)也處于效率95%以上的高效工作區(qū)間。

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

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

圖3 定點(diǎn)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(hào)輸入進(jìn)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(dòng)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；mode=1 狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。定點(diǎn)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(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在需求轉(zhuǎn)速，并向發(fā)電機(jī)輸出負(fù)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)而轉(zhuǎn)速過低時(shí)，先給予發(fā)電機(jī)正的轉(zhuǎn)矩以帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。

圖4 定點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(gè)功率下的最佳油耗點(diǎn)構(gòu)成的曲線。隨車輛行駛狀態(tài)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)不斷改變工作點(diǎn)以跟隨車輛需求功率的變化。在該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)電機(jī)、攪拌電機(jī)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)同樣以SOC 值變化為基準(zhǔn)，在30%～60%之間波動(dòng)。

策略中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線如圖5 所示。在盡可能使工作點(diǎn)位于同功率下較低油耗的位置的前提下進(jìn)行工作點(diǎn)的選擇。較低功率下，使相近的工作點(diǎn)工作于同一轉(zhuǎn)速下，使工作點(diǎn)盡可能位于高效區(qū)域且使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)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(diǎn)控制策略相近。但在工作模塊中（如圖6 所示），以車輛實(shí)時(shí)總需求功率為輸入，由查詢表模塊得到當(dāng)前需求功率對(duì)應(yīng)工作曲線下的轉(zhuǎn)速，并通過PID控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(jì)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(yàn)重型商用車燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)力學(xué)仿真模型。在經(jīng)濟(jì)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(jī)始終開啟以使攪拌筒保持旋轉(zhuǎn)。本仿真主要為檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的影響，將SOC 初始值設(shè)定為30%，以使發(fā)動(dòng)機(jī)從循環(huán)開始便進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.2 仿真結(jié)果

圖8 為5 個(gè)C-WTVC 工況下基于發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)控制策略的串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車的電池參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)始終工作于設(shè)定的工作點(diǎn)。

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

圖9為5個(gè)C-WTVC工況下基于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線功率跟隨控制策略的串聯(lián)式混合動(dòng)力攪拌車的電池參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作變化。工作過程出現(xiàn)了5 次充放電，但波動(dòng)幅度和波動(dòng)次數(shù)明顯少于定點(diǎn)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(shí)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(dòng)的原因如圖10 所示。一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與電池電功率變化情況顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的大部分時(shí)間，電池電功率均大于0，即發(fā)電機(jī)提供的功率大于車輛需求功率，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率與電池電功率Fig.10 Engine power and battery electrical power

在5 個(gè)C-WTVC 循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)力攪拌車的工作特點(diǎn)，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，建立了MATLAB/Simulink 控制策略模型，進(jìn)行了整車動(dòng)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(jì)性與定點(diǎn)控制策略相當(dāng)；（2）功率跟隨策略相比定點(diǎn)控制策略能明顯降低電池充放電次數(shù)，對(duì)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(diǎn)，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(dòng)。