黃亞軍，姜雨田，王 昌，趙 勇

（1. 山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073；2. 長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

近年來，隨著推土機需求的持續(xù)增高，其高排放、高能耗的缺點對我國的能源和環(huán)保提出了巨大挑戰(zhàn)［1，2］。同時，隨著環(huán)境污染與能源緊張問題日趨嚴(yán)重，再生制動能量回收成為工程機械節(jié)能的有效解決方法之一。

目前，混合動力技術(shù)在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)日漸成熟并且取得了較為顯著的效果，制動能量回收作為混合動力和純電動車輛所特有的能量回收方式受到了廣泛的關(guān)注［3］，這為工程車輛的研究提供了新思路。但是，乘用車和推土機行駛作業(yè)特性有巨大的差異。由于推土機施工特點比較復(fù)雜，綜合工況的惡劣程度一般難以預(yù)測，負荷隨作業(yè)工況波動范圍較大、頻度較高。另外，推土機作業(yè)過程中，除了要駕駛員技術(shù)過硬外，也要滿足一定的性能要求。因此，應(yīng)根據(jù)工程車輛的特點研究適用于推土機的再生制動能量回收控制策略。本文以推土機為例，采用模糊控制策略，在制動過程中合理分配制動力，使再生制動力能夠得到有效回收。

1 制動力分配及能量回收影響因素

1.1 制動力分配規(guī)則

制動能量回收系統(tǒng)對制動力進行分配的整體思想是在保證車輛安全行駛和駕駛員良好駕駛體驗的前提下盡可能多的對制動能量進行回收。由于混合動力車輛在制動時有純電機制動、機械制動和機電混合制動3種模式，因此制動力合理分配就很關(guān)鍵。本文采用模糊邏輯控制策略，使再生制動力矩和摩擦制動力矩兩者之間得到合理分配，確保兩者始終保持最佳比例。

1.2 制動力回收策略

在不考慮超級電容SOC和車速等條件下，制動能量回收系統(tǒng)的制動力大致分配策略為：

（1）當(dāng)電機所能提供的最大再生制動力大于車輛制動所需求的制動力時，由電機提供車輛進行制動的全部制動力，制動能量回收系統(tǒng)工作在電機制動模式，并對制動能量進行回收。

（2）當(dāng)車輛制動所需求的制動力大于電機所能提供的最大再生制動力時，制動能量回收系統(tǒng)工作在聯(lián)合制動模式，采用機械摩擦制動力和電機再生制動力聯(lián)合制動的模式，只對部分制動能量進行回收。

（3）當(dāng)駕駛員輸入制動強度較大需要進行緊急制動或者超級電容SOC較高時，車輛以機械摩擦方式提供所需制動力實現(xiàn)車輛的制動，不對制動能量進行回收［4］。

1.3 制動能量回收的約束條件

根據(jù)制動能量回收主要影響因素和制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計原則，需要對制動能量回收系統(tǒng)進行以下約束：進行能量回收時的充電電流應(yīng)小于超級電容的最大充電電流；進行能量回收時的充電功率應(yīng)小于超級電容的最大充電功率；超級電容SOC應(yīng)保持在0.2～0.85范圍內(nèi)；制動強度較大時應(yīng)優(yōu)先使用機械制動系統(tǒng)［5］；車速較高或較低時應(yīng)優(yōu)先使用機械制動系統(tǒng)；車輛制動力不能大于地面所能提供的阻力。

2 模糊控制器的設(shè)計

本文所設(shè)計的控制器是以制動強度Z、車速V及超級電容SOC值為輸入量，以制動力分配系數(shù)為輸出量。通過混合動力推土機整車模型得到制動強度、車速及超級電容SOC的值，選擇合適的方法對其進行模糊化處理，對模糊控制器的輸出比例因子進行清晰化處理［6］。

2.1 模糊集合與隸屬度函數(shù)

模糊控制器的輸入輸出模糊推理如圖1所示。由發(fā)動機模型可以直接得到車速V的值，由駕駛員模型可以得到制動強度Z的值，由超級電容計算模型可以得到SOC的值。

圖1 輸入輸出模糊推理圖

對上述的模糊輸入量進行量化處理，可得到車速V的論域為［0，1］，0表示車速為零，1表示車速為11km/h，車速輸入隸屬函數(shù)選用高斯型隸屬函數(shù)表示法；制動強度Z的論域為［0，1］，0表示無制動，1表示緊急制動，其輸入隸屬函數(shù)選用三角形函數(shù)表達式；超級電容SOC的論域為［0，1］，0表示超級電容內(nèi)電荷量為零，1表示超級電容內(nèi)達到最大電荷量，其輸入隸屬函數(shù)選用梯形函數(shù)表達式；模糊輸出量x的論域為［0，1］，0表示再生制動力為零，電機不進行制動，1表示車輛所需制動力全部由電機再生制動提供，此時機械制動不工作，其輸出隸屬函數(shù)選用高斯型。

輸入變量車速V的取值范圍分成5個模糊子集，為{TL，L，M，H，TH}，各自表達的含義為“低，較低，中，較高，高”，其隸屬函數(shù)如圖2所示。

圖2 輸入變量V隸屬函數(shù)

輸入變量制動強度Z的取值范圍分成5個模糊子集，為{VS，S，M，B，VB}，各自表達的含義為“非常小，小，中，大，非常大”，其隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 輸入變量Z隸屬函數(shù)

輸入變量SOC的取值范圍分成3個模糊子集{S，M，B}，各自表達的含義為“小，中，大”，其隸屬函數(shù)如圖4所示。

圖4 輸入變量SOC隸屬函數(shù)

輸出變量x的取值范圍分成5個模糊子集，為{VS，S，M，B，VB}，各自表達的含義為“非常小，小，中，大，非常大”，其隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖5 輸出變量x隸屬函數(shù)

2.2 模糊規(guī)則庫的建立

根據(jù)混合動力推土機行駛作業(yè)以及制動的特性，以制動安全性和制動能量回收為約束條件，通過對發(fā)電機和超級電容工作性能的分析，制定最優(yōu)的控制規(guī)則對制動力作出合理的分配。規(guī)則庫的建立依據(jù)如下：

（1）車速V的大小直接影響車輛制動的安全性以及再生制動能量回收的效率［7］。

（2）制動強度Z的大小和車輛的制動需求以及車輛的制動安全有直接關(guān)系［8］。

（3）超級電容SOC是表示超級電容電量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，對再生制動能量的回收具有較大的約束作用。在超級電容SOC值較大時，表示超級電容電量充足。這時為了保護超級電容部件不受損壞，應(yīng)減小對再生制動能量回收的力度。在SOC值較小時，表示超級電容電量不足，這時為了對超級電容進行充電，可以盡可能對再生制動能量進行回收。因此可以增大車輛總的制動力中電機再生制動力所占的比例，以達到對制動能量充分回收的目的［9］。

按照以上原則，在MATLAB/Simulink軟件fuzzy工具箱中編輯邏輯規(guī)則知識庫。由輸入量V、Z、SOC經(jīng)過模糊規(guī)則庫的邏輯判斷與處理得到輸出量x，輸出量x可由輸出曲面觀測窗觀察。模糊輸出量x的曲面如圖6-圖8所示。

圖6 車速、SOC與制動比例的關(guān)系

圖7 車速、制動強度與制動比例的關(guān)系

圖8 制動強度、SOC與制動比例的關(guān)系

由上述觀測窗口可以對設(shè)計的模糊控制規(guī)則進行觀察與調(diào)試，同時可以根據(jù)仿真結(jié)果對模糊控制規(guī)則進行相應(yīng)的調(diào)整，得到最優(yōu)的模糊控制規(guī)則。

2.3 模糊控制模型

以串聯(lián)混合動力仿真平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)上述分析與設(shè)計，建立基于模糊控制的制動能量回收模型，如圖9所示。

圖9 模糊控制策略仿真模型

3 系統(tǒng)建模

3.1 驅(qū)動電機模型

本文選用上海大郡動力控制技術(shù)有限公司0110WB型105kW電機。電機輸出轉(zhuǎn)矩表達式如下

式中T1（t）為電機動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Treq為電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，N·m；n為電機轉(zhuǎn)速，r/min；Tdmax（n）為轉(zhuǎn)速為n時最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m；Tbmax（n）為轉(zhuǎn)速為n時最大制動轉(zhuǎn)矩，N·m；τ為響應(yīng)時間，s；S為拉氏變換量。

3.2 超級電容模型

對超級電容建模時忽略溫度的影響，并將其等效為一個理想的超級電容C與一個大阻值的電阻Rmax并聯(lián)，再與一個較小阻值的電阻Rmin串聯(lián)［10］。其等效電路如圖10所示。

圖10 超級電容等效電路模型

超級電容充電時其電流I與功率P取負值，放電時取正值。由基爾霍夫電壓定律可得超級電容的輸出電壓

式中SOC為超級電容荷電狀態(tài)；Umin為超級電容最小工作電壓，V；Umax為超級電容最大工作電壓，V；Ur為超級電容實時電壓，V。

超級電容輸入輸出能量

式中E為超級電容最大存儲能量。

為了保證超級電容的工作壽命及充放電效率，在實際充放電過程中將其充放電電壓限制在一個工作區(qū)間內(nèi)，進而設(shè)置超級電容SOC值大小為［0.2，0.85］。

3.3 制動力分配模型

制動能量回收系統(tǒng)對制動力進行分配的整體思想是在保證車輛安全行駛和駕駛員良好駕駛體驗的前提下盡可能多的對制動能量進行回收。以制動強度、車速和超級電容SOC作為控制器的輸入，根據(jù)三者之間參數(shù)的大小以及控制器中的規(guī)則，輸出代表電機制動力在總需求制動力中所占比例的再生制動系數(shù)X。制動能量回收系統(tǒng)制動力分配策略原理如圖11所示。

3.4 動力學(xué)模型

根據(jù)推土機的行駛作業(yè)工況，由推土機行駛作業(yè)理論可得推土機的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

式中Ff為滾動阻力，N；m為整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；α為路面的坡度，°；Fb為車輛制動力，N；Fmax為最大制動力，N；Z為制動強度；α1為制動踏板角位移，°；α0為制動踏板自由行程角位移，°；αmax為制動踏板最大角位移，°。

4 仿真分析

根據(jù)推土機各機構(gòu)間的輸入輸出關(guān)系，基于MATLAB/Simulink平臺建立如圖12所示的混合動力推土機制動能量回收整車仿真模型。其主要仿真參數(shù)：選擇串聯(lián)型混合動力推土機，車質(zhì)量為28000kg，超級電容容量C=3F，發(fā)電機功率為180kW，驅(qū)動電機功率為105kW，最高車速為11km/h，超級電容SOC最佳范圍［0.25，0.85］，SOC初始值為0.5。

圖12 混合動力推土機制動能量回收整車仿真模型

為了驗證推土機制動能量回收系統(tǒng)在不同制動條件下的工作性能，依據(jù)GB/T 35213-2017及GB/T 19929-2014履帶推土機技術(shù)條件與性能的要求，建立高速（11km/h）條件下的緊急制動（制動踏板位移50°）、中度制動（制動踏板位移30°）和輕度制動（制動踏板位移10°）；中速（7km/h）條件下的緊急制動、中度制動和輕度制動；低速（4km/h）條件下的緊急制動、中度制動和輕度制動的90s綜合工況，如圖13所示。圖14和圖15分別為超級電容SOC曲線圖和制動力做功及回收能量曲線圖。

圖13 綜合仿真工況

圖14 超級電容SOC曲線圖

圖15 制動力做功及回收能量曲線圖

由圖14可以看出，當(dāng)推土機加速需求時需求功率較大，超級電容提供能量，超級電容SOC減??；當(dāng)對制動能量進行回收時，超級電容SOC增大，最終超級電容SOC由0.5增大到0.7左右，說明再生制動系統(tǒng)對制動能量進行回收并儲存在超級電容內(nèi)。由圖15可以看出，推土機提供的總制動力做功為599kJ，其中電機提供制動力做功為231kJ，超級電容回收能量為144kJ，因此基于模糊規(guī)則的再生制動能量回收控制策略，可以回收24%的再生制動能量。由以上仿真分析可以看出，所給出的模糊控制策略可以有效地回收再生制動能量。

5 結(jié)束語

本文對串聯(lián)混合動力推土機各部件及制動力分配進行了分析，由臺架試驗數(shù)據(jù)建立了各部件仿真模型，提出以模糊控制能量回收策略對混合動力推土機進行再生制動能量回收。通過仿真，本文所給出的模糊控制策略能有效合理的分配制動力，有效回收再生制動能量144kJ，制動回收率為24%。下一步工作計劃通過實際樣機進行實驗來對本模糊控制策略進行驗證。