(武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430070)
混合動力汽車由于增加了電動機這一動力源,使得其驅動力分配控制成為了熱點問題。文獻[1]針對多軸獨立電驅動車輛采用了分層控制的驅動力協(xié)調分配控制。文獻[2]采用分層最優(yōu)轉矩控制策略實現(xiàn)了四輪驅動電動汽車的操縱性和穩(wěn)定性的提升。文獻[3]提出了利用模糊控制器協(xié)調控制制動控制器、驅動控制器和防滑控制器的新型協(xié)調控制方法。文獻[4]提出了綜合效率最優(yōu)的能量分配策略與協(xié)調控制算法實現(xiàn)了系統(tǒng)效率和模式切換過程中的平穩(wěn)性優(yōu)化。文獻[5]提出了根據車輛動力學和車輛行駛狀態(tài)的轉矩分配方式,使得牽引力控制系統(tǒng)的性能得到提升。文獻[6]提出了2種多輪驅動轉矩協(xié)調控制策略,改善了車輛行駛時的動力性和穩(wěn)定性。文獻[7]開發(fā)了基于邏輯門限及Fuzzy-PI的驅動防滑控制算法。
根據已有的汽車理論,結合1臺52T分離軸式并聯(lián)混合動力礦用自卸車,利用已建立整車模型以及控制策略模型,通過聯(lián)合仿真驗證了驅動力協(xié)調分配控制策略的有效性。
本文研究的分離軸式混合動力礦用自卸車的動力系統(tǒng),區(qū)別于常見的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)以及并聯(lián)式混合動力系統(tǒng),在前軸增設了電驅動系統(tǒng),使礦用自卸車在滿載爬坡時具有更好的動力性能。該動力系統(tǒng)的結構如圖1所示。
圖1 分離軸式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結構示意Fig.1 Structural sketch of separated axle parallel hybrid powertrain
分離軸式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的主要動力源包括電動機以及發(fā)動機;動力傳動路徑有2條,一條是從發(fā)動機通過變速器、分動箱、差速器到后軸驅動輪,另一條是從電動機經傳動軸、差速器到前軸驅動輪。
前軸電驅系統(tǒng)被定義為電輔助驅動系統(tǒng),不具備單獨驅動整車的能力。它可以根據整車功率需求情況以及發(fā)動機負荷情況參與或退出驅動,當車輛以一定速度制動時,電輔助制動系統(tǒng)參與制動并回收部分能量。
基于已有的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)試驗數據,能夠利用插值的方法求出發(fā)動機輸出轉矩的函數表達式。通過給定的發(fā)動機節(jié)氣門開度及發(fā)動機轉速,獲得當前狀態(tài)下發(fā)動機的輸出轉矩Te,即:
式中:Te為發(fā)動機輸出轉矩,N·m;ne為發(fā)動機轉速,r/min;α為發(fā)動機節(jié)氣門開度,%。
電機的控制模式采用轉矩控制,整車控制器通過向電機控制器發(fā)送轉矩指令,實現(xiàn)對電動機輸出轉矩的控制。電機的輸出性能(轉矩Tm,功率Pm分別由式(2),式(3))利用在試驗臺架上測得的數據通過查表的方法獲得,再進行動態(tài)修正。
式中:Tm為電機轉矩,N·m;γ為節(jié)氣門開度,%;ωm為電機轉速,r/min。
輪胎模型需要能夠較好反應車輛在運行過程中輪胎與地面作用力的數學模型。運動過程中,輪胎與地面之間縱向作用力表示為
式中:Cs,max為最大滑移修正系數;Cs1,Cs2為滑移修正系數;vr為實際車速,km/h;Sw為輪胎滑移率,%;rw,dyn為輪胎動態(tài)滾動半徑,m。
對于一個確定的滑移率,輪胎能夠提供的最大縱向驅動力為
式中:Fin為驅動輪輸入驅動力,N;μtire為輪胎摩擦系數;μroad為路面摩擦系數。
根據牛頓第二定律,車輛行駛過程中的驅動力阻力存在以下平衡關系式
式中:Tv為汽車驅動轉矩,N·m;rw為各驅動輪的滾動半徑,m;f為滾動阻力系數;Cd為空氣阻力系數;Af為汽車迎風面積,m2;δ為汽車旋轉質量換算系數;Jw為驅動半軸和對應驅動輪的轉動慣量,kg·m2。
對整車進行受力分析,得到前、后軸法向載荷Fz,f,F(xiàn)z,r與整車結構參數以及行駛坡道和加速度之間的關系式為
當驅動力大于輪胎和地面之間的摩擦力時,驅動輪就會發(fā)生滑轉,因此驅動力應小于輪胎和路面之間的最大摩擦力。路面的驅動附著條件可以表示為
相對于傳統(tǒng)發(fā)動機動力系統(tǒng),分離軸式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)增設了電輔助驅動系統(tǒng),可以通過調節(jié)電機輸出扭矩實現(xiàn)整車動力輸出的調節(jié)。其主要的控制思想是充分利用電機驅動/制動能力,使發(fā)動機更多地工作在高效區(qū)間,整車具有更高的動力性、經濟性、運輸效率并回收部分制動能量。
根據電機參與情況,將整車驅動模式分為4種:
①對于發(fā)動機負荷適中,行駛過程中整車無更大動力需求時,發(fā)動機單獨驅動車輛。
②整車滿載運輸起步加速或滿載爬坡等在發(fā)動機大負荷時,電動機進行輔助驅動,增大車輛滿載爬坡時的動力性,車輛為全輪驅動模式。
③當礦車空載行駛在水平路面上或者滿載下坡工況等發(fā)動機負荷較小的情況下,電動機充當發(fā)電機對蓄電池進行充電,以減少車輛充電次數,同時提升發(fā)動機的負荷率,此時為行車發(fā)電模式。
④當車輛制動時,電輔助系統(tǒng)參與制動,對制動能量進行回收。
通過以上分析,整車的工作模式可以分為發(fā)動機驅動模式、混合驅動模式、行車發(fā)電模式、制動能量回收模式。其中發(fā)動機驅動模式不需要進行驅動力協(xié)調分配控制。圖2描述了不同工作模式的能量流。
圖2(a)為發(fā)動機驅動模式。這種驅動模式下能量流從發(fā)動機經變速器、差速器傳到驅動輪。
圖2(b)為全輪混合驅動模式。該驅動模式是整車結構布置的主要目的,旨在增大地面附著力利用率,提升運輸效率。此時,發(fā)動機驅動后軸,電動機驅動前軸。
圖2 不同工作模式的能量流示意Fig.2 Energy flow diagram of different working mode
圖2(c)為行車發(fā)電模式。發(fā)動機輸出動力到后軸,部分能量通過地面?zhèn)鬏數角拜S傳遞至電動機發(fā)電,最終將電能儲存到蓄電池當中。對于發(fā)動機高速空載行駛時,通過電動機發(fā)電實現(xiàn)發(fā)動機負荷率的提升。電動機進入發(fā)電狀態(tài)時,需要合理設置電動機的發(fā)電扭矩,實現(xiàn)車輛穩(wěn)定行駛。
圖2(d)為制動能量回收模式,部分制動能量通過電機進行發(fā)電。對于制動發(fā)電過程,需要根據制動踏板開度調整制動轉矩,并根據一般的附著條件,設定一個制動轉矩上限。
根據各驅動模式的分析,設計了一種分層驅動力協(xié)調控制算法??刂破鞯妮斎霝榧铀偬ぐ逍盘?、制動踏板信號、前后軸軸荷、車速;輸出為電動機和發(fā)動機負載命令。
整個控制系統(tǒng)分為3層:控制器上層根據加速踏板信號、制動踏板信號和車速信號進行整車驅動模式的切換;中層依據不同工作模式結合軸荷進行驅動力協(xié)調分配;下層利用PID控制算法通過實時監(jiān)測各驅動輪的滑移率進行驅動防滑控制。分層控制系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 分層控制系統(tǒng)Fig.3 Hierarchical control system
控制器上層主要進行驅動模式的選擇以及切換。當發(fā)動機負荷率<60%時,進入行車發(fā)電模式;當60%<發(fā)動機負荷率<90%時,發(fā)動機單獨驅動;當發(fā)動機負荷率>90%,同時車速≯20 km/h時,電輔助驅動系統(tǒng)投入工作,車輛為全輪驅動模式。制動過程中,電機發(fā)電進行能量回收,同時需要考慮電池的充放電特性,防止電池過度充電以及過度放電。以電池SOC(state of charge)作為判斷條件,上限值設置為80%,下限值設置為20%。上層驅動模式切換的判斷邏輯如圖4所示。
圖4 驅動模式切換原理Fig.4 Drive mode switching principle
中層驅動力協(xié)調分配控制算法,可以使當發(fā)動機和電動機都工作時,發(fā)動機輸出力矩和電機輸出力矩相協(xié)調,因此采用基于軸荷以及動力源最大輸出轉矩的驅動力協(xié)調分配方式。
下層控制車輛行駛在分離路面以及低附著路面上時,各驅動輪能夠最大限度的利用地面附著力,通過檢測各驅動輪的滑移率利用PID控制算法進行驅動轉矩修正。下層PID控制流程如圖5所示。
圖5 下層PID控制流程Fig.5 Flow chart of lower PID control
最終的控制命令輸入到整車模型中,轉化為電機和發(fā)動機的負載命令,同時整車模型運行反饋輸出當前車輛狀態(tài)的信息,進行下一步控制計算??刂七^程中運用了邏輯門限值控制、PID控制,控制系統(tǒng)的算法簡單、魯棒性好、可靠性高。
根據所提出的控制策略,在Matlab/Simulink中建立了控制模型,基于一輛已經完成混合動力系統(tǒng)改裝的52T礦用自卸車,在AVL-Cruise中建立了整車動力學模型,該整車參數如表1所示。同時,根據驅動力協(xié)調控制的功能建立了相應的仿真工況,進行聯(lián)合仿真分析。
表1 整車參數Tab.1 Parameter of dump truck
圖6和圖7分別為純發(fā)動機動力系統(tǒng)和分離軸式混合動力系統(tǒng)的動力性仿真結果。圖6為不同坡道上礦車滿載能夠達到的最高車速。圖7為滿載的礦車在不同檔位下的最大爬坡度。由圖可見,分離軸式混合動力系統(tǒng)較傳統(tǒng)動力系統(tǒng),具有較好的動力性能,最高車速和最大爬坡度均有所提升。
圖6 不同坡度下的最高車速Fig.6 Maximum velocity at different slopes
圖7 不同檔位下最大爬坡度Fig.7 Maximum gradability at different gears
針對驅動力矩分配控制器上層所設計的工況,為滿載的車輛行駛在坡度由水平路面逐漸增大到9%然后逐漸下降到水平路面。圖8為車輛行駛過程中,發(fā)動機輸出轉矩和電機輸出轉矩隨時間的變化情況。由圖可見,當時間約為70 s時,電驅動系統(tǒng)投入工作,此時它分擔了發(fā)動機的輸出轉矩,降低了發(fā)動機的負荷;在350 s時電驅系統(tǒng)退出工作,發(fā)動機負荷再次上升,實現(xiàn)了對發(fā)動機負荷的調節(jié)。在模式切換過程中,轉換到驅動橋的總輸出轉矩發(fā)生了輕微波動。
圖8 變坡度工況的驅動力輸出Fig.8 Power output at variable condition
圖9為電動機轉矩系數、前軸軸荷系數、發(fā)動機轉矩系數、后軸軸荷系數隨時間的變化規(guī)律。由圖可見,隨著路面坡度的上升,前軸軸荷系數逐漸下降,經過驅動力協(xié)調控制的電動機轉矩系數也隨之下降,而發(fā)動機轉矩系數隨著后軸軸荷系數的增大而增大。
圖9 軸荷系數以及轉矩系數變化趨勢Fig.9 Change trend of axle weight coefficientand torque coefficient
圖10為車輛由常規(guī)路面,突然行駛至在低附著的均一路面 (摩擦系數0.1)時的滑移率和驅動力,以及滑移率隨著時間的變化關系。同時進行了有滑移控制和無滑移控制的對比。
圖10 有、無滑移控制的對比Fig.10 Comparison of with and without slip ratio control
由圖可見,當車輛突然行駛到低附著路面時,前輪發(fā)生嚴重打滑,滑移率超過60%。經過PID控制,對驅動電機的驅動轉矩進行了防滑修正,最終將實際滑移率控制在15%左右;前軸的驅動力也由原來的2650 N提高到2800 N,從而有效地防止了驅動輪的過度滑轉,提高了路面附著力的利用率。
通過對傳統(tǒng)多軸礦用運輸車輛的動力學以及工況分析,分析了現(xiàn)有車輛動力系統(tǒng)結構動力性不足的原因。對原有車輛增設了電輔助驅動系統(tǒng),并利用基于動態(tài)軸荷的動態(tài)轉矩分配方式,實現(xiàn)了動力源之間的轉矩協(xié)調分配控制,大幅度提高了礦用自卸車在大坡度下的動力性能,最大爬坡度提升4%,在12%坡度上的最高行駛速度提升21.4%。同時采用PID控制對驅動輪滑移率進行閉環(huán)自動控制。動力系統(tǒng)自動化控制為整車自動駕駛必不可少的一個環(huán)節(jié),為將來礦車自動化運輸打下基礎。
[1] 范晶晶,羅禹貢,張弦,等.多軸獨立電驅動車輛驅動力的協(xié)調控制[J].清華大學學報:自然科學版,2011,51(4):478-481.
[2] Kang J,kyongsu Y,Heo H.Control allocation based optimal torque vectoring for 4WD electric vehicle[J].SAE Technical Paper,2012(1):246.
[3] Ran X,Zhao X,Chen J,et al.Novel coordinated algorithm for traction control system on split friction and slope road[J].Int J Automot Technol,2016,17(5):817-827.
[4] 杜波,秦大同,段志輝,等.新型并聯(lián)式混合動力汽車模式切換協(xié)調控制[J].中國機械工程,2012,6(23):739-744.
[5] LI Hong-zhi,Li Liang,Song Jian,et al.Algorithm for calculating torque base in vehicle traction control system[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012,25(6):1130-1137.
[6] 褚文博,羅禹貢,趙峰,等.分布式驅動電動汽車驅動轉矩協(xié)調控制[J].汽車工程,2012,34(3):185-189.
[7] 趙治國,顧君,余卓平.四輪驅動混合動力轎車驅動防滑控制研究[J].機械工程學報,2011,47(14):83-98.
[8] 闞萍,邱利宏,錢立軍,等.基于Willans Line的雙軸驅動混合動力越野車實時能量管理[J].中國機械工程,2016,27(11):1546-1553.
[9] 謝鳴.分離軸式混合動力四輪驅動汽車牽引力控制研究[D].重慶:重慶大學,2015.