張 君，桑盛遠(yuǎn)

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006；2.太原重型機械設(shè)備協(xié)同創(chuàng)新中心， 太原 030024；3.太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

氣電混合動力清掃車在環(huán)境衛(wèi)生建設(shè)中得到了越來越多的重視[1-7]，而對于礦山區(qū)域內(nèi)道路垃圾的清掃車輛[8-11]卻關(guān)注的較少。對于混合動力清掃車技術(shù)的研究，文獻(xiàn)[12-18]介紹了目前我國高校以及科研機構(gòu)在氣電混合動力清掃車關(guān)于驅(qū)動方案、控制理論、經(jīng)濟性能等方面的研究成果及關(guān)鍵零部件的開發(fā)。但是仍然面對的問題是沒有解決關(guān)鍵技術(shù)或者是尚未很好的掌握核心技術(shù)。

鑒于上述問題，本文在一款傳統(tǒng)的雙發(fā)動機驅(qū)動的掃路車基礎(chǔ)上，滿足防爆要求，將其改造成礦用氣電混合動力清掃車，并且對該清掃車動力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和控制研究。主要研究內(nèi)容如下：

首先在傳統(tǒng)道路清掃車的基礎(chǔ)上設(shè)計出新的動力系統(tǒng)布置方案，進(jìn)行了關(guān)鍵部件參數(shù)的匹配，制定了清掃車轉(zhuǎn)場模式和清掃模式下的動力系統(tǒng)傳遞路線。提出了礦用電動清掃車混合動力系統(tǒng)的控制策略，最后在matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了動力系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行離線仿真，驗證了混合動力系統(tǒng)方案控制策略的可行性和優(yōu)越性，最終達(dá)到了提高動力學(xué)、燃油經(jīng)濟性的目標(biāo)。

1 整車動力系統(tǒng)方案設(shè)計及基本參數(shù)

1.1 動力系統(tǒng)方案設(shè)計

原型車動力系統(tǒng)布置方案如(圖1a)所示。傳統(tǒng)道路清掃車原始動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理改造，設(shè)計出新的動力系統(tǒng)布置方案，如圖1b所示。

圖1 道路清掃車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比Fig.1 The structure comparison of power system for road sweeper

新方案只采用一個主發(fā)動機，舉升機構(gòu)直接由變速器、液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)舉升作業(yè)。發(fā)動機、動力耦合器的連接實現(xiàn)清掃車的行走作業(yè)，電機、動力耦合器的連接實現(xiàn)清掃作業(yè)，清掃車行駛系統(tǒng)和清掃作業(yè)系統(tǒng)的動力切換由動力耦合器完成。動力耦合器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of power coupler structure

變速器和電機的輸出動力作為耦合器的輸入部分；行駛系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)作為耦合器的輸出部分。風(fēng)機動力和掃刷機構(gòu)的液壓動力都來自作業(yè)系統(tǒng)。上述結(jié)構(gòu)決定了清掃車輛在轉(zhuǎn)場模式和清掃模式下動力系統(tǒng)的動力傳遞路線，具體為：

(1)轉(zhuǎn)場運輸模式

動力傳遞路線為：

變速箱輸出軸/動力分流器一軸 → 一軸固聯(lián)齒輪及接合套 → 一軸行駛動力輸出齒輪同步器 → 行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力輸出軸。

(2)清掃模式

動力傳遞路線分為行駛動力路線和工作動力路線，分別為：

行駛動力

電機動力輸入軸/動力分流器二軸 → 二軸固聯(lián)齒輪及接合套 → 二軸行駛動力輸出齒輪同步器 → 二軸空套行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力輸出齒輪 → 行駛動力

工作動力

變速箱輸出軸/動力分流器一軸→一軸固聯(lián)齒輪及接合套→一軸工作動力輸出齒輪同步器→一軸空套工作動力輸出齒輪→工作動力輸出雙聯(lián)齒輪→工作動力輸出錐齒輪→工作動力輸出軸

表1 動力耦合器工作狀態(tài)

表1給出了兩種模式下各關(guān)鍵部件的工作情況，顯然，所設(shè)計的動力傳動方案中取消了副發(fā)動機，實現(xiàn)了減重、環(huán)保、可靠性高、控制性能好的目標(biāo)。

1.2 車型基本參數(shù)及性能要求

道路清掃車的基本參數(shù)如表2所示。

表2 道路清掃車基本參數(shù)及設(shè)計要求

氣電混合動力清掃車的性能參數(shù)如表3所示。

表3 道路清掃車設(shè)計要求

2 雙動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)匹配

在考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出特性、發(fā)動機萬有特性、電機輸出特性、車輛的布置空間，以及動力耦合器的結(jié)構(gòu)等因素后，確定動力耦合器(如圖2所示)中齒輪11與齒輪6的傳動比iz1=5.76；齒輪2與齒輪14的傳動比iz2=0.6，齒輪13處錐齒輪傳動比iz3=1.76.

2.1 發(fā)動機參數(shù)匹配

本文設(shè)計的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案中，發(fā)動機的選擇準(zhǔn)則設(shè)計如下：

(1)掃路車可達(dá)到預(yù)期的最高車速；(2)掃路車具有一定的爬坡性能；(3)掃路車在清掃模式下可提供作業(yè)系統(tǒng)的需求動力；(4)最大程度保證發(fā)動機工作在最優(yōu)工作區(qū)間。

(1)轉(zhuǎn)場模式

根據(jù)轉(zhuǎn)場運輸模式下的最高車速要求，發(fā)動機的計算功率為：Pev≥

(1)

經(jīng)計算，Peu≥127.61 kW.

根據(jù)轉(zhuǎn)場模式下的最大爬坡度要求，發(fā)動機的計算功率為：

(2)

經(jīng)計算，Pei≥91.33 kW.

綜合最高車速和最大爬坡度要求，按照高選原則，有：

Pe≥max(Peu,Pei)

(3)

故初選發(fā)動機在轉(zhuǎn)場模式下的功率為127.61

kW.

(2)清掃模式

在清掃模式下，有：

Pe≥PF+PS

(4)

式中:PF、PS分別為風(fēng)機、掃刷機構(gòu)的最大需求功率，kW.

經(jīng)計算，Pe≥40 kW.為節(jié)約成本，考慮原型車的發(fā)動機輸出特性，如圖3所示，其中，圖4、圖5分別為發(fā)動機在100%負(fù)荷下的外特性以及萬有特性。發(fā)動機參數(shù)匹配如表4.

表4 發(fā)動機匹配參數(shù)

圖3 發(fā)動機外特性Fig.3 Engine external characteristics

圖4 發(fā)動機萬有特性Fig.4 Engine mapping characteristics

顯然，原型車的發(fā)動機功率能夠覆蓋前面計算功率且接近計算功率，不妨?xí)哼x該款發(fā)動機，并繼續(xù)對其轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行校核。

針對設(shè)計要求提出的最高車速、爬坡度要求，不僅要滿足整車功率需求，還應(yīng)結(jié)合傳動系統(tǒng)速比，校核發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩是否滿足驅(qū)動力需求。根據(jù)所選的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩外特性以及表1中給出的各個檔位傳動比，繪制出整車驅(qū)動力及行駛阻力平衡曲線，如圖5所示，以及整車最大爬坡度曲線，如圖6所示。由圖5-6可知，該款發(fā)動機能較好的與轉(zhuǎn)場模式下的性能需求相匹配。

圖5 驅(qū)動力及行駛阻力平衡圖Fig.5 Driving force and resistance balance diagram

圖6 各檔位最大爬坡度Fig.6 Maximum climb slope for each gear position

同時，進(jìn)一步考慮清掃模式下的經(jīng)濟性。清掃模式下，根據(jù)風(fēng)機轉(zhuǎn)速需求以及液壓系統(tǒng)的傳動比關(guān)系，可反推得到，動力分流器的輸入端額定轉(zhuǎn)速應(yīng)為1 500 rpm，因此，結(jié)合發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍及變速器速比，可知，在額定清掃工況下，可選擇變速器4、5、6檔，根據(jù)表2給出的工作機構(gòu)額定負(fù)載功率，計算出不同檔位時發(fā)動機的工況點的分布情況，結(jié)合圖4給出的發(fā)動機萬有特性，可查的各個工作點對應(yīng)的燃油消耗率，對比分析發(fā)現(xiàn)，直接選擇檔(V檔)時，發(fā)動機的燃油消耗率最低，為229.2 g/kW·h，如表5所示，基本接近發(fā)動機的最低燃油消耗率值。

表5 清掃巡航模式下不同檔位下發(fā)動機工作點 (需求轉(zhuǎn)速為1 500 rpm)

2.2 電機參數(shù)匹配

氣電混合動力清掃車的最大爬坡度確定電機最大轉(zhuǎn)矩，記電機額定功率、最高轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)矩分別為Pmv、nmax及Tmax，則有：

(5)

按照最大爬坡度確定電機峰值功率，即：

(6)

(7)

經(jīng)計算，Pm≥12.4 kW，Tmax=226 Nm,nmax=3 903 rpm

按照上述計算參數(shù)，綜合考慮電機性能、成本及外形尺寸等因素，最終選擇某款電機，其實際參數(shù)如表6所示。

表6 驅(qū)動電機匹配參數(shù)

2.3 動力電池參數(shù)匹配

選擇高比能量鋰電池作為清掃模式下整車行駛時的動力源。

電池電壓等級應(yīng)與電機電壓等級相一致，參照GBT 18488.1-2001中推薦的電源電壓等級，并結(jié)合電機控制器電壓輸入范圍，選擇動力電池電壓平臺為336 V，電池類型選擇單體電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池，電池成組方式為105節(jié)單體電池串聯(lián)。

(1)電池組需求能量

電池組儲存的能量直接決定了整車在純電動模式下的續(xù)航時間或續(xù)駛里程，故電池組需求能量由式(8)進(jìn)行計算：

(8)

式中：E為電池組需求總能量，kWh；Pavr為純電動模式，也即清掃模式下電機的平均功耗，kW；t為要求的續(xù)航時間，h，可按下式(9)計算；ηm，ηb分別為電機的工作效率和電池的充放電效率，DOD為電池最大放電深度，一般取為90%.

(9)

式中，Sreq為要求的續(xù)駛里程，usw為平均巡航車速，取10 km/h.

(2)電池容量計算

在計算出電池組需求能量后，結(jié)合電池電壓，對電池容量進(jìn)行估算，有：

(10)

式中：C為電池容量，Ah；E為電池組能量，kWh；UB為電池組總電壓，V.

將整車參數(shù)代入式(8)、(9)及式(10)，計算得到：E=42 kWh，C=125 Ah，具體如表7所示。

表7 動力電池匹配參數(shù)

3 整車仿真模型的建立

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

為了實現(xiàn)掃路車不同模式下的驅(qū)動方案，本文設(shè)計了以整車控制器(VCU)為總調(diào)度單元的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示，發(fā)動機ECU、電機控制器、電池管理單元作為獨立的子控制器，通過CAN總線與VCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，共同完成清掃車的整車功能。

根據(jù)清掃車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和作業(yè)功能需求，在制定整車控制策略時，將整車工作模式劃分為轉(zhuǎn)場模式和清掃模式，模式的判斷由整車控制器綜合駕駛員輸入信息完成，電機控制器和發(fā)動機ECU作為控制系統(tǒng)的子節(jié)點，由整車控制器進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，控制策略流程如圖8所示。

圖7 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Vehicle control system structure

圖8 整車控制策略流程圖Fig.8 Flow chart of vehicle control strategy

3.2 駕駛員模型

駕駛員模型有PID控制和模糊控制兩種方式可供選擇[19-24]，本文采用PID駕駛員模型，以實際車速和目標(biāo)車速的偏差。

3.3 發(fā)動機模型

本文采用基于實驗數(shù)據(jù)的查表建模方法建立發(fā)動機模型。

發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩由節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速決定，忽略其動態(tài)特性時，有：

Te=f(αe,ne)

(11)

式中，Te發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，Nm；αe為節(jié)氣門開度；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min.而函數(shù)關(guān)系Te=f(αe,ne)可通過發(fā)動機臺架試驗測得，如圖9所示。

圖9 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出特性Fig.9 Engine torque output characteristics

發(fā)動機的燃油消耗率由發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速決定，在某一轉(zhuǎn)速ne轉(zhuǎn)矩Te下的燃油消耗率可由式(12)表示：

ge=f(ne,Te)

(12)

式中，ge表示發(fā)動機在(ne,Te)點的燃油消耗率，g/(kW·h).函數(shù)關(guān)系f可由發(fā)動機的萬有特性(見圖4)插值得到。

于是，某時刻油耗B的計算公式為：

B=gePe

(13)

式中：B——發(fā)動機每小時燃油消耗量，g/h；

Pe——發(fā)動機輸出功率，kW.

燃油消耗量表達(dá)式為：

(14)

式中：Vfuel表示燃油消耗總量，g；t表示仿真時間，s.

3.4 電機驅(qū)動系統(tǒng)模型

電機驅(qū)動系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，忽略電機內(nèi)部復(fù)雜的變量關(guān)系，采用試驗建模方法建立電機模型，有：

Tm(nm)=β·Tm_max(nm)

(15)

式中：Tm為電機實際轉(zhuǎn)矩，Nm；β為加速踏板開度，Tm_max為當(dāng)前轉(zhuǎn)速nm下電機可輸出的最大轉(zhuǎn)矩，Nm，可由電機外特性曲線得到。

驅(qū)動系統(tǒng)效率由電機轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩決定，如式(16)，在驅(qū)動電機穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上(見圖10)，采用多項式擬合的方法建立電機驅(qū)動系統(tǒng)效率數(shù)值模型：

ηm=Eff(nm,Tm)

(16)

式中：ηm為電機效率，nm為電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速，函數(shù)關(guān)系Eff由圖10給出的效率曲面插值實現(xiàn)，而效率曲面同樣通過臺架測試獲得。

圖10 電機效率曲面Fig.10 Efficiency map of the motor

于是，電機驅(qū)動系統(tǒng)在仿真過程中消耗的能量由式(17)給出。

(17)

式中：Vele為電機驅(qū)動系統(tǒng)消耗的電池能量，J；Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；nm為電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min，t為仿真時間，s.

3.5 電池模型

電池模型負(fù)責(zé)根據(jù)電機驅(qū)動系統(tǒng)需求功率，實時計算電池母線電壓、電流以及電池荷電狀態(tài)(SOC)。采用開路電壓-內(nèi)阻模型時，開路電壓、內(nèi)阻被認(rèn)為是關(guān)于電池溫度、SOC的函數(shù)[25-26]，此時，母線電壓U、電流I以及電池SOC分別由式(18)、(20)和(21)給出。

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：U、Uoc分別表示電池輸出電壓和開路電壓，V，Rint為電池組內(nèi)阻，Ω，在仿真過程中可由圖13插值計算；Pmr為電機驅(qū)動系統(tǒng)輸入功率，W；CN為電池額定容量，Ah.

3.6 作業(yè)系統(tǒng)模型

掃路車的作業(yè)系統(tǒng)在固定檔位作業(yè)時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速恒定、掃刷機構(gòu)轉(zhuǎn)速恒定，即系統(tǒng)消耗功率恒定，仿真過程中采用額定負(fù)載。

3.7 整車動力學(xué)模型

只考慮車輛的縱向運動時，由汽車縱向行駛方程式，可獲得車輛的縱向運動狀態(tài)，即:

(22)

式中：Tt表示發(fā)動機或電機輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；ua表示車速，km/h；du/dt表示車輛加速度，m/s2；δ表示旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取1.015.

4 整車性能仿真及結(jié)果分析

基于Maltab/Simulink平臺，分別對清掃車在轉(zhuǎn)場、清掃兩種模式下的運行狀態(tài)下仿真分析。

4.1 轉(zhuǎn)場模式仿真分析

掃路車處于轉(zhuǎn)場運輸模式時，只有行駛系統(tǒng)工作。轉(zhuǎn)運路段多為夜間城市路段，路況良好、車流量小，很少存在頻繁停車等工況，因此，參照文獻(xiàn)[25-26],制定了如圖11所示的轉(zhuǎn)運模式循環(huán)工況，整個循環(huán)工況持續(xù)時間1 200 s，平均車速46.95 km/h.仿真參數(shù)分別按表2、表3取值，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖11 轉(zhuǎn)場模式循環(huán)工況Fig.11 Transiting mode cycle

圖12(a)為實際車速對期望車速的跟隨情況，從圖中可看出仿真模型與實現(xiàn)期望車速的跟隨存在微小的偏差。

圖12(b)為變速器檔位的變化情況，仿真時采用車速、加速踏板開度兩參數(shù)經(jīng)濟性換檔規(guī)律，當(dāng)實際車速大于換檔車速時，升檔，當(dāng)實際車速小于降檔車速時，降檔；而升檔車速和降檔車速與踏板開度有關(guān)，由預(yù)先制定好的換檔規(guī)律給出。由圖12(b)可以看出，隨著循環(huán)車速的變化，變速器檔位在1～6檔之間切換合理，符合實際工況需求。

圖12(c)、12(d)分別為轉(zhuǎn)場運輸模式下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩以及油耗的變化情況。其中，轉(zhuǎn)矩的不斷調(diào)節(jié)使得車輛實際車速較好的跟蹤目標(biāo)車速，而在完成整個循環(huán)工況后，發(fā)動機的油耗值為3.2 kg，因此，轉(zhuǎn)場模式下混合動力掃路車的百公里油耗V100可由式(23)計算：

圖12 轉(zhuǎn)場模式仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results in transiting mode

(23)

式中：Vcyc為循環(huán)工況燃油消耗量，kg；ucyc_ave為循環(huán)工況平均車速，km/h.

經(jīng)計算，轉(zhuǎn)場模式下混合動力掃路車的百公里油耗為：

V100=24.34(L/100 km)

(24)

4.2 清掃模式仿真分析

在清掃模式下，掃路車行駛系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)同時工作。根據(jù)夜間清掃作業(yè)時速度慢的工況，制定的循環(huán)工況如圖13所示。具體規(guī)劃為當(dāng)總路程為3.45 km，總時間為1 200 s，進(jìn)行仿真。清掃檔桿位置14所示，為了減少能源浪費，采用2檔，可以保證車速較快的時候清潔程度也高；若較低速度的時候直接采用一檔即可保證完成清潔任務(wù)。仿真參數(shù)分別按表2、表3取值，仿真結(jié)果如圖14所示。

圖13 清掃模式循環(huán)工況Fig.13 Working mode cycle

圖14 清掃檔桿位置Fig.14 Working mode rod position

圖15(a)為清掃模式下實際車速對期望車速的目標(biāo)跟隨狀況，結(jié)果表明較好，車速跟蹤過程中電機轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖15(b)所示，可見，電機輸出轉(zhuǎn)矩能夠根據(jù)目標(biāo)車速的變化而迅速做出調(diào)整；電池的輸出電壓、電流分別見圖15(c)、15(d)、15(e)，可得SOC值一直下降。電機需求功率瞬間增大/減小發(fā)生在車輛的加速時候；電池的電壓、電流發(fā)生突變，和實際車輛運行狀態(tài)相一致。電池電壓與電機的輸出轉(zhuǎn)矩變化基本上沒有太大的出入。

圖15(f)為清掃機構(gòu)的轉(zhuǎn)速變化情況，其與圖14給出的檔桿位置一致。圖15(f)是清掃機構(gòu)轉(zhuǎn)速變化情況，與之相對應(yīng)的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)過程見圖15(g)，二者變化吻合；調(diào)速過程中發(fā)動機油耗情況見圖15(h)，掃路車工作1 200 s，發(fā)動機油耗為2.47 kg，則清掃模式下混合動力掃路車的小時油耗為：

(25)

式中：Vw_cyc為循環(huán)工況時間內(nèi)的發(fā)動機油耗量，kg；Tcyc為循環(huán)工況時間，s；Vw為發(fā)動機小時油耗，L/h.計算可知：

Vw=8.82 L/h

(26)

在清掃模式下，未改造的掃路車帶兩個發(fā)動機的總油耗是12 L/h，節(jié)油率：

Ls=26.5%

(27)

圖15 清掃模式仿真結(jié)果Fig.15 Working mode simulation result

計劃每天清掃5 h，轉(zhuǎn)場運輸50 km，得到混合動力掃路車每天的油耗：

(28)

因此，混合動力掃路車的總節(jié)油率：

(29)

表8為經(jīng)濟性能指標(biāo)和仿真結(jié)果的對比表。可得：新方案下的綜合節(jié)油率提高了2%.

表8 清掃車燃油經(jīng)濟性

5 結(jié)論

本文設(shè)計出了礦用電動清掃車的新動力系統(tǒng)布置方案，進(jìn)行了關(guān)鍵部件參數(shù)的匹配。在轉(zhuǎn)場模式和清掃模式下，設(shè)置了混合動力傳動系統(tǒng)的傳遞路線和控制策略，用Matlab/Simulink驗證了該控制策略的可行性和優(yōu)越性，最終提高了清掃車的動力學(xué)和燃油經(jīng)濟性。