李志勇，蘇銀松，李忠玉，左獻(xiàn)寶，徐信芯

（1.長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710064；2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，新鄉(xiāng)453000）

0 概述

根據(jù)中國交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中國公路養(yǎng)護(hù)比例逐年增加，截止到2020年，公路養(yǎng)護(hù)比例已經(jīng)高達(dá)98.8%，養(yǎng)護(hù)裝備需求激增。2020年中國正式提出碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)，此后“雙碳”目標(biāo)升級(jí)為國家戰(zhàn)略，在“雙碳”戰(zhàn)略推動(dòng)下，中國汽車產(chǎn)業(yè)新能源化整體進(jìn)程明顯提速。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，混合動(dòng)力逐步受到關(guān)注。迄今為止，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)被證明是最經(jīng)濟(jì)可行的選擇，其使用比電動(dòng)車更小的電池組，與傳統(tǒng)汽車相似，是達(dá)到非常高的燃油經(jīng)濟(jì)性和非常低的排放的最實(shí)際的解決方案［1-4］。公路養(yǎng)護(hù)裝備與乘用車不同，公路養(yǎng)護(hù)裝備基本功能除了行駛外還有道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)，在引入電驅(qū)動(dòng)時(shí)，需同時(shí)考慮基本的行駛功能及工作工況［5］。同步碎石封層車作為同步碎石封層技術(shù)中的專用設(shè)備，在公路養(yǎng)護(hù)方面發(fā)揮著巨大作用［6-9］。同步碎石封層車是典型的循環(huán)式作業(yè)類工程機(jī)械，在撒布作業(yè)和轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)負(fù)荷和速度相差較大。目前應(yīng)用在公路養(yǎng)護(hù)中的同步碎石封層車的動(dòng)力源為柴油機(jī)，針對(duì)速度和負(fù)荷變化較大的循環(huán)工況，無法保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻工作在高效率區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于調(diào)速段，工作點(diǎn)一直變動(dòng)且分散在各個(gè)區(qū)域，造成能源浪費(fèi)［10-11］。使用混合動(dòng)力裝置時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)揮“削峰填谷”的作用，可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)在性能最佳的區(qū)域工作，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能［12-13］。參照混合動(dòng)力汽車和混合動(dòng)力工程機(jī)械車輛，提出一種油電混合動(dòng)力同步碎石封層車設(shè)計(jì)思想，保留原有的底盤裝置，底盤仍然采用發(fā)動(dòng)機(jī)，上裝部分采用電機(jī)加電池的電驅(qū)動(dòng)［14-15］。針對(duì)同步碎石封層車周期循環(huán)特點(diǎn)，本文中設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力同步碎石封層車，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式與能源管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少污染物排放。

1 同步碎石封層車增程電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同步碎石封層車在料場(chǎng)裝滿碎石和瀝青，并將瀝青加熱到設(shè)定溫度供后續(xù)使用。為保證精準(zhǔn)完成封層作業(yè)，撒布桿和撒布器根據(jù)封層作業(yè)需求調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，皮帶輸料機(jī)向撒布器內(nèi)輸料，同步碎石封層車行駛至作業(yè)地點(diǎn)后，以恒定速度進(jìn)行撒布作業(yè)，為保證瀝青和碎石的粘結(jié)，作業(yè)速度較低。同步碎石封層車在完成封層作業(yè)后返回料場(chǎng)，重復(fù)滿載運(yùn)輸—封層作業(yè)—空載返回這一循環(huán)行駛工況。傳統(tǒng)的同步碎石封層車動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)。除了同步碎石封層車速度和負(fù)荷變化較大導(dǎo)致的整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性不夠高以外，傳統(tǒng)同步碎石封層車多采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)工作部件的精密度要求高于電傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)，從而增加了整車的成本。對(duì)于沒有供料車配合的間斷型同步碎石封層車，因液壓穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)效率較低，不適宜行駛較長距離，無法保證同步碎石封層車長時(shí)間連續(xù)工作，工作效率較低。同步碎石封層車混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，底盤采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，工作裝置能量由動(dòng)力電池組提供，采用多電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)瀝青泵、導(dǎo)熱油泵、撒布滾筒、螺旋分料器。其中，系統(tǒng)的核心為整車控制器（vehicle control unit，VCU），發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組也稱為輔助動(dòng)力單元（auxiliary power unit，APU）。在滿載運(yùn)輸工況中，整車需求能量較大，采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組共同作為能量源。在車輛空載返回和封層作業(yè)時(shí)，若動(dòng)力電池組電量充足則采用電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電池電量匱乏時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與電池組共同為同步碎石封層車提供能量，同時(shí)將多余的能量回收到電池組中。相比傳統(tǒng)同步碎石封層車，混動(dòng)同步碎石封層車減少了液壓傳動(dòng)中一些零件，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，布局更靈活，提高了傳動(dòng)效率。

圖1 混動(dòng)同步碎石封層車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 增程混動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)與分析

2.1 同步碎石封層車工況分析

混動(dòng)同步碎石封層車作業(yè)循環(huán)分為裝料準(zhǔn)備階段、滿料運(yùn)輸階段、封層作業(yè)階段、空載返回階段4個(gè)階段，其中后3 個(gè)階段為行駛工況同步碎石封層車在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的行駛速度和負(fù)荷曲線如圖2所示。滿料運(yùn)輸階段整車質(zhì)量為52 540 kg，設(shè)定速度為60 km/h；封層作業(yè)階段，整車質(zhì)量由52 540 kg降至25 540 kg，作業(yè)速度勻速不變，設(shè)為5 km/h；空載返回階段，整車質(zhì)量為25 540 kg，速度比滿載略高，設(shè)定為70 km/h。

圖2 同步碎石封層車負(fù)荷—速度曲線

2.2 同步碎石封層車增程混動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

通過對(duì)同步碎石封層車工況分析，采用負(fù)荷和速度設(shè)定相應(yīng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式；然后根據(jù)原同步碎石封層車設(shè)定改造后的整車性能指標(biāo)，基于整車動(dòng)力性要求，計(jì)算混動(dòng)同步碎石封層車最大需求功率，對(duì)動(dòng)力元件進(jìn)行參數(shù)匹配與選型；最后校核動(dòng)力性能是否符合混動(dòng)同步碎石封層車動(dòng)力性能指標(biāo)?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)在電池組電量不足時(shí)為整車提供能量，返回速度按最高速度90 km/h 計(jì)算，同步碎石封層車空載質(zhì)量mno_load為25 540 kg。計(jì)算混動(dòng)同步碎石封層車在空載返回時(shí)所需最大功率Pre為242 kW，考慮到能量轉(zhuǎn)換造成的損耗，發(fā)動(dòng)機(jī)選擇玉柴YC6M390—30，其性能參數(shù)如表1 所示。

表1 YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性如圖3 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為288 kW，混動(dòng)同步碎石封層車工作轉(zhuǎn)速范圍位于1 150 r/min～1 450 r/min 之間時(shí)燃油消耗率最低。

圖3 YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性

3 增程混動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式研究

3.1 同步碎石封層車增程混合驅(qū)動(dòng)模式

混動(dòng)同步碎石封層車在滿料運(yùn)輸時(shí)，整車的需求功率較大，采用混合驅(qū)動(dòng)模式，將工作模式設(shè)定至發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并且由發(fā)動(dòng)機(jī)與電池同時(shí)為同步碎石封層車提供能源，保證其可以正常工作，能量流向如圖4 所示。混動(dòng)同步碎石封層車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量流動(dòng)關(guān)系見式（1）和式（2）。

圖4 混動(dòng)同步碎石封層車混合驅(qū)動(dòng)模式示意圖

式中，Pm、PGen、Pb分別為同步碎石封層車行駛電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池組的輸出功率，kW；ηm、ηGen分別為行駛電機(jī)、發(fā)電機(jī)的效率，%。

3.2 同步碎石封層車增程混動(dòng)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

混動(dòng)同步碎石封層車整車控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示，整車控制結(jié)構(gòu)由控制頂層、協(xié)同層、執(zhí)行層三部分組成。從圖5 可以看出各個(gè)控制單元的作用：操作員根據(jù)實(shí)時(shí)路況和當(dāng)前同步碎石封層車工況模式踩踏油門或者剎車踏板，在控制頂層中計(jì)算出同步碎石封層車當(dāng)下需求轉(zhuǎn)矩；協(xié)同層根據(jù)控制頂層計(jì)算結(jié)果，控制不同動(dòng)力元件的狀態(tài)，對(duì)動(dòng)力元件發(fā)出指令以配合同步碎石封層車在不同工況中的需求，除此之外協(xié)同層還根據(jù)執(zhí)行層回饋的信息對(duì)其進(jìn)行控制，如電池電量低于下限值時(shí)關(guān)閉電池，不允許其繼續(xù)放電；執(zhí)行層則是根據(jù)上一層中的同步碎石封層車控制器發(fā)出的信號(hào)來完成相應(yīng)的開啟和調(diào)整，滿足同步碎石封層車在不同工況的能量需求。

圖5 混動(dòng)同步碎石封層車整車控制結(jié)構(gòu)示意圖

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在最優(yōu)區(qū)域，避免長期處于調(diào)速階段，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，在滿足同步碎石封層車功率需求的前提下，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)工作高效區(qū)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)能滿足同步碎石封層車功率需求的工作點(diǎn)。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖發(fā)動(dòng)機(jī)工作高效區(qū)形狀可能不同，常采用恒轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)矩原則選用工作點(diǎn)式，原理圖如圖6 所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油高效區(qū)的長軸為水平方向時(shí)選用恒轉(zhuǎn)矩控制，選擇根據(jù)同步碎石封層車轉(zhuǎn)速需求來設(shè)置A1B1這條直線上的任意兩個(gè)點(diǎn)作為工作點(diǎn)，A1B1直線也可根據(jù)同步碎石封層車需求功率上下平移；若發(fā)動(dòng)機(jī)燃油高效區(qū)的長軸為垂直方向時(shí)選用恒轉(zhuǎn)速控制，選擇根據(jù)同步碎石封層車轉(zhuǎn)矩需求來設(shè)置A2B2這條直線上的任意兩個(gè)點(diǎn)作為工作點(diǎn)，A2B2直線也可根據(jù)同步碎石封層車需求功率左右平移。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)雙工作點(diǎn)原理圖

3.3 增程混動(dòng)系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)研究

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式分析，對(duì)同步碎石封層車增程混動(dòng)系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)進(jìn)行研究?；靹?dòng)同步碎石封層車所需發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率為248.88 kW，結(jié)合YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖可知，最優(yōu)工作區(qū)域的長軸為垂直方向，則采用恒轉(zhuǎn)速控制。在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率的基礎(chǔ)上，為保證混動(dòng)同步碎石封層車的經(jīng)濟(jì)性能，盡量選取比油耗值較小的工作模式。結(jié)合YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖，選取恒定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，功率分別為249 kW、192 kW、147 kW的A（高負(fù)荷）、B（中負(fù)荷）、C（低負(fù)荷）3 個(gè)工作點(diǎn)，其參數(shù)如表2 所示，圖7 為工作點(diǎn)分布位置。

圖7 YC6M390—30 發(fā)動(dòng)機(jī)3 個(gè)工作點(diǎn)的分布

表2 混動(dòng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)3 個(gè)工作點(diǎn)參數(shù)

為避免電池過度充放電及保證電池電量（state of charge，SOC）下限值能為同步碎石封層車加速和爬坡提供足夠能量，控制混動(dòng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)起停的電池SOC 上下限值分別為0.85、0.30。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式可由整車需求功率進(jìn)行有效判斷。圖8 為混動(dòng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)3 種工作模式間切換的詳細(xì)說明，以此設(shè)計(jì)增程式車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助能量源間的能源管理策略。撒布作業(yè)模式下，當(dāng)SOC 大于0.30 時(shí)采用動(dòng)力電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)SOC 小于0.30 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，在C 點(diǎn)工作，設(shè)定為行車充電模式，將多余的能量回收到電池組。滿載運(yùn)輸模式功率需求量較大，設(shè)定為混合驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)SOC 大于0.30 且需求功率P大于工作點(diǎn)B 功率PB時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在B 點(diǎn)，反之工作在C 點(diǎn)；當(dāng)SOC 小于0.30 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作在A 點(diǎn)?？蛰d返回模式下，此工作階段功率需求遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的工作點(diǎn)，設(shè)定為行車充電模式。當(dāng)SOC 大小0.30 時(shí)采用動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)需求功率P大于工作點(diǎn)C 的功率PC時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在B 點(diǎn)，多余的能量?jī)?chǔ)存在電池里，而需求功率小于PC時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在C 點(diǎn)。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停，當(dāng)蓄電池SOC 達(dá)到0.85 時(shí)，再由電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

圖8 混動(dòng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式切換邏輯

4 同步碎石封層車增程混動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

在對(duì)同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配研究的基礎(chǔ)上搭建如圖9 所示的整車性能仿真平臺(tái)，仿真模型的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)根據(jù)實(shí)際廠家給出的參數(shù)進(jìn)行建模，模型的精度誤差不超過工程允許應(yīng)用的10%。

圖9 同步碎石封層車混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

為驗(yàn)證同步碎石封層車增程混動(dòng)系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的可行性與合理性，在自定義的同步碎石封層車工況中進(jìn)行仿真，對(duì)電池電量和發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式切換情況進(jìn)行分析，如圖10 所示。圖中滿載運(yùn)輸工況混動(dòng)同步碎石封層車處于混合驅(qū)動(dòng)模式，設(shè)置電池電量SOC 初始值為其上限值（0.85），發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式隨需求功率不斷變化。在滿載運(yùn)輸工況下，電池SOC 由0.85 降到0.58。在撒布作業(yè)工況，SOC 大于SOC 下限，混動(dòng)同步碎石封層車處于純電動(dòng)模式，此工況行駛速度為5 km/h，需求能量較小，且整車質(zhì)量逐漸減小，電池消耗較小，SOC 由0.58 降到0.48?？蛰d返回工況下開始時(shí)電池SOC大于SOC 下限，混動(dòng)同步碎石封層車為純電驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)SOC 降到0.30 時(shí)進(jìn)入行車充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)以補(bǔ)充車輛行駛能量，并將多余能量回收到動(dòng)力電池組。

圖10 SOC 變化及發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)切換曲線

根據(jù)設(shè)定的同步碎石封層車行駛工況對(duì)其進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析與對(duì)比，混動(dòng)同步碎石封層車在一個(gè)行駛工況內(nèi)的車速、行駛里程及加速度如圖11 所示。

圖11 混動(dòng)同步碎石封層車循環(huán)工況

圖12 為傳統(tǒng)同步碎石封層車與混動(dòng)同步碎石封層車在一個(gè)行駛工況內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率對(duì)比曲線。從圖中可以看出，由于混動(dòng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)和行駛系統(tǒng)機(jī)械解耦，和車輪之間沒有直接的機(jī)械聯(lián)系，外負(fù)荷的變化不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳范圍內(nèi)工作，提高了整車經(jīng)濟(jì)性。

圖12 同步碎石封層車輸出特性對(duì)比曲線

傳統(tǒng)同步碎石封層車和混動(dòng)同步碎石封層車燃油消耗量對(duì)比如圖13 所示。在4 個(gè)工作循環(huán)中，傳統(tǒng)同步碎石封層車燃油消耗量為85.22 L，混動(dòng)同步碎石封層車燃油消耗量為64.16 L，改造后的混動(dòng)同步碎石封層車節(jié)油率為24.7%，可見相比傳統(tǒng)同步碎石封層車，在合理的動(dòng)力參數(shù)匹配和能源管理系統(tǒng)配合下混動(dòng)同步碎石封層車經(jīng)濟(jì)性能得到了較大改善。

圖13 同步碎石封層車?yán)鄯e燃油消耗量對(duì)比

5 結(jié)論

（1）能源管理策略仿真顯示混合同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在各工作點(diǎn)之間進(jìn)行良好切換，制動(dòng)能量得到了有效的回收，能量回收率為20.34%。

（2）對(duì)比傳統(tǒng)同步碎石封層車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗率變化曲線，混動(dòng)同步碎石封層車的發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直工作在最佳范圍內(nèi)，波動(dòng)較小。同時(shí)，4 個(gè)循環(huán)工況內(nèi)的燃油消耗量相比傳統(tǒng)同步碎石封層車降低了24.7%，經(jīng)濟(jì)性能得到了較大改善。