魏敬宏,張彤暉,金 薄,紀少波,劉振革,陳忠言

(1.山東大學(xué) 能源與動力工程系, 濟南 250061;2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300;3.山東技師學(xué)院 汽車工程系, 濟南 250200;4.山東氫探新能源科技有限公司, 濟南 250100)

0 引言

面對日益嚴峻的能源危機、大氣污染和溫室效應(yīng)等問題,世界各國紛紛減少對化石燃料的依賴,超過90%的國家正在努力擴大可再生能源的利用[1-2]。歐盟成員國承諾2030年將可再生能源的總份額提高到55%,同時將溫室氣體效應(yīng)凈排放量減少至少55%,到2050年實現(xiàn)碳中和目標[3]。在此背景下,中國也積極提出了“雙碳目標”[4],即力爭二氧化碳排放于2030年前達到峰值,2060年前實現(xiàn)碳中和[5]。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展,我國各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程持續(xù)增加,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中大量使用工程機械。新型基建的興起給工程機械行業(yè)帶來強勁的發(fā)展動力,為工程機械市場提供需求,也為工程機械品類布局重塑提供可能[6]。目前大部分工程機械使用柴油發(fā)動機作為動力源,使其成為溫室氣體的主要排放源之一,此外,柴油機的排放及噪音問題對環(huán)境產(chǎn)生不利影響[7-8]。為此,國家對非道路工程機械的排放要求日趨嚴格,日前發(fā)布了第4階段非道路柴油移動機械及其裝用的柴油機污染物排放控制技術(shù)要求,已于2022年12月1日開始實施[9]。該標準對柴油機的排放物要求更加嚴格,使得柴油機供應(yīng)商需要加裝尾氣后處理裝置,這導(dǎo)致傳統(tǒng)動力工程機械成本增加[10]。因此,工程機械廠家開始進行新能源工程機械的研究。

國外如卡特彼勒、沃爾沃、約翰迪爾、日立建機、川崎等工程機械生產(chǎn)廠商的新能源工程機械產(chǎn)品早已進入商業(yè)化[11]。新能源工程機械的動力來源主要包括油電混合動力、純電動及燃料電池3種。油電混合裝載機的動力系統(tǒng)構(gòu)型可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3種形式[12],動力總成包括柴油機,在使用過程中仍然會存在排放問題[13]。純電動裝載機完全使用動力電池驅(qū)動電機運行,取消了傳統(tǒng)裝載機的液力機械傳動系統(tǒng),使裝載機結(jié)構(gòu)簡化且提高了傳動效率,同時降低了裝載機工作噪音,實現(xiàn)了使用過程的零排放[14]。純電動裝載機按照行駛系統(tǒng)的驅(qū)動類型可分為集中式和分布式,分布式可再細分為前后驅(qū)動橋和四輪獨立驅(qū)動[15]。氫燃料電池裝載機使用過程中零排放,但系統(tǒng)造價昂貴、制氫成本高且氫氣的儲運困難[16]。因此,純電動裝載機是工程機械電動化的主要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)柴油動力裝載機需同時兼顧行走驅(qū)動、液壓系統(tǒng)等多個工作裝置,對于換擋過程中驅(qū)動單元的輸出不能進行有效調(diào)節(jié),所使用的液力變矩器控制較為復(fù)雜且效率較低[17-18]。而電機具有過載能力強、調(diào)速調(diào)矩效果優(yōu)良等優(yōu)點,能夠較好地控制整車的輸出動力,使用雙電機分別驅(qū)動行走系統(tǒng)和液壓工作系統(tǒng),可以取代傳統(tǒng)柴油動力裝載機的液力變矩器等裝置,由行走系統(tǒng)電機主動控制匹配離合器工作,有助于保證整車運行過程中的高效率、低噪聲和使用過程中的零排放,提升換擋品質(zhì)[19]。因此,合理設(shè)計純電動裝載機行走系統(tǒng)并實現(xiàn)純電動裝載機較快地平順換擋具有重要意義。

本文提出了雙電機布置方案純電動裝載機構(gòu)型,使用2個大功率電機分別驅(qū)動行走系統(tǒng)和液壓工作系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)液力傳動中的變矩器。為實現(xiàn)純電動裝載機快速平順的換擋,本文基于電機控制器返回的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速信息制定換擋策略,基于開發(fā)的純電動裝載機完成換擋控制策略的試驗,分別測試不同換擋條件下?lián)Q擋時間、車速和行走電機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果對于工程機械電動化開發(fā)具有較大的借鑒作用。

1 純電動裝載機系統(tǒng)原理

1.1 純電動裝載機整車構(gòu)型

圖1為研究用純電動裝載機構(gòu)型示意圖,主要部件包括動力電池、工作電機、行走電機、液壓泵及變速泵等裝置。該機型配備2個驅(qū)動電機,其中工作電機驅(qū)動液壓泵,為液壓工作裝置油缸、轉(zhuǎn)向油缸和制動器提供壓力;行走電機驅(qū)動車輛行駛系統(tǒng),機械傳動部分利用電機直接驅(qū)動變速箱,在變速箱內(nèi)部的濕式離合器實現(xiàn)齒輪的逐級傳遞,再由萬向傳動軸、前后驅(qū)動橋、輪邊實現(xiàn)整車驅(qū)動,取消變速箱集成的液力變矩器,利用行走電機的正反轉(zhuǎn)特性實現(xiàn)整車前進和倒車,使車輛按照駕駛員意圖行駛。

圖1 試驗用純電動裝載機構(gòu)型

參考相同額定鏟裝質(zhì)量的柴油動力參數(shù),確定了純電動裝載機主要部件的性能參數(shù),其參數(shù)值如表1所示。

表1 裝載機主要部件性能參數(shù)

1.2 純電動裝載機控制系統(tǒng)功能分析

純電動裝載機控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

1) 整車電氣模式管理:根據(jù)硬線信號和CAN信號合理控制整車高低壓上下電。

2) 整車故障診斷與處理:監(jiān)測車輛狀態(tài),判斷整車故障等級并及時采取安全措施保證駕駛員和車輛安全。

3) 行走系統(tǒng)控制:通過硬線信號和CAN信號實現(xiàn)車輛行走、換擋、能量回收、駐坡等功能。

4) 工作系統(tǒng)控制:根據(jù)先導(dǎo)信號控制工作電機轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)電磁閥動作,使裝載機正常進行鏟裝作業(yè)。

5) 遠程監(jiān)控功能:與TBOX進行信息交互,將車輛當前運行狀態(tài)傳送至后臺進行監(jiān)控;接收后臺指令,對整車行走和工作系統(tǒng)進行動力限制。

整車控制器通過獲取車上各種傳感器信號、開關(guān)信號和接收其他部件的CAN消息,綜合判斷駕駛員意圖和車輛狀態(tài)并確定各控制參數(shù),通過硬線輸出信號實現(xiàn)對電磁閥、繼電器等部件的控制,并通過CAN總線下發(fā)指令,實現(xiàn)車輛正常工作。

為了避免CAN總線負載過大引起仲裁,出現(xiàn)優(yōu)先級較低的節(jié)點無法發(fā)出消息的情況,CAN總線需保持較低的負載率[20]。CAN總線負載率越低,越能夠保持實時性,但負載率過低則無法傳遞足夠的數(shù)據(jù),通常負載率控制在30%以下較為合理。為避免CAN總線負載率過高,研究用車型采用了兩路CAN總線,整車CAN架構(gòu)如圖2所示,其中動力CAN包括VCU、BMS、DCDC、行走電機MCU、工作電機MCU及變速泵MCU,車身CAN包括VCU、先導(dǎo)、BCM、TBOX和風(fēng)扇MCU。經(jīng)測試研究用車輛正常工作時,動力CAN和車身CAN負載率分別為27.3%和13.6%左右,處于合理水平。

圖2 整車CAN架構(gòu)

2 換擋控制策略

研究用純電動裝載機采用濕式2擋變速器,由2路液壓裝置分別控制一二擋對應(yīng)離合器的壓緊和松開,使變速箱按不同傳動比輸出轉(zhuǎn)矩。一二擋電磁閥用于控制液壓油路的狀態(tài),本文中由整車控制器控制一二擋電磁閥得失電,實現(xiàn)一二擋切換,控制過程中為保證變速箱安全,必須避免一二擋同時得電,因此在一二擋電磁閥控制中加入了互鎖邏輯。

將換擋模式分為輕載和重載模式,輕重載模式使用先導(dǎo)手柄按鈕進行切換。輕載模式是指允許換擋的模式,一般在進行中短距離轉(zhuǎn)場時使用;重載模式一般應(yīng)用在作業(yè)區(qū)內(nèi)工作的場景,重載模式下,不允許整車升擋,而是保持低速大扭矩狀態(tài)。輕載模式下,由整車控制器判斷是否滿足換擋條件,當行走電機轉(zhuǎn)速升高而轉(zhuǎn)矩降低至一定程度,且加速踏板開度大于90%時,進入升擋過程;當行走電機轉(zhuǎn)速降低而轉(zhuǎn)矩提高至一定程度,且加速踏板開度大于90%時,進入降擋過程。通過標定確定了一二擋的換擋條件,保證換擋過程平順且迅速。

輕載模式下升降擋控制策略如圖3所示,圖4為按照換擋策略搭建的控制算法模型。行走電機具有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速2種控制模式,在正常運行時均使用轉(zhuǎn)矩模式,換擋期間由于需控制電機轉(zhuǎn)速與變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速匹配,需切換至轉(zhuǎn)速模式。當滿足換擋條件時,首先將行走電機當前轉(zhuǎn)矩清零,接著控制當前擋位電磁閥失電并將行走電機切換至轉(zhuǎn)速模式,此時,變速箱進入空擋狀態(tài)。空擋狀態(tài)下,變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速在行駛阻力作用下開始降速,由整車控制器控制行走電機轉(zhuǎn)速,使行走電機轉(zhuǎn)速按目標擋位傳動比計算得到的預(yù)期變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與當前實際的變速箱轉(zhuǎn)速相匹配,當轉(zhuǎn)速匹配后,則控制目標擋位電磁閥得電,同時切換行走電機至轉(zhuǎn)矩模式,完成換擋。考慮電磁閥閉合時間和對應(yīng)換擋機構(gòu)液壓裝置的反應(yīng)時間,閉合目標擋位電磁閥的時間要早于轉(zhuǎn)速同步的時間,故放寬了兩對比轉(zhuǎn)速的同步范圍。

圖3 升降擋控制策略

圖4 換擋控制算法模型原理示意圖

本文中設(shè)計了4種換擋方式,分別為:

1) 滿足正常升擋條件時的升擋;

2) 滿足正常降擋條件時的降擋;

3) 動力電池SOC過高時的升擋;

4) 停車時的降擋。

其中第3種是指車輛在SOC大于95%且下坡時,為避免轉(zhuǎn)速限制模塊引起過度能量回收或電機超速停機,通過增大變速箱傳動比的形式降低行走電機轉(zhuǎn)速,避免電池出現(xiàn)過充問題;停車降擋設(shè)置是指當車速降低至一定程度時,觸發(fā)降擋流程。此4種換擋方式觸發(fā)時,均按照上述的換擋策略執(zhí)行。

3 試驗研究

研究用車型搭配了兩擋變速器,裝載機行走時需實現(xiàn)一二擋平滑切換。行走電機具備轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制模式,在非換擋期間使用轉(zhuǎn)矩控制模式,在換擋期間為確保變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速匹配,需切換至轉(zhuǎn)速控制模式。換擋控制策略的控制目標為換擋期間車速變化平穩(wěn)無頓挫且換擋時間盡可能縮短。

以車輛升擋為例,判斷各換擋條件下多個換擋點的換擋時間、換擋期間車速變化量及行走電機轉(zhuǎn)速變化情況,綜合選取最佳換擋點。其中換擋點由加速踏板開度、行走電機轉(zhuǎn)速和當前轉(zhuǎn)矩需求決定。各換擋點換擋條件如表2。

表2 換擋點換擋條件

圖5為換擋點1時的車速和行走電機轉(zhuǎn)速曲線,其中換擋標志位在一擋電磁閥失電至二擋電磁閥得電期間為高電平,可以該高電平持續(xù)時間作為換擋時間。由車速曲線可看出,當車輛狀態(tài)達到換擋點1時,一擋電磁閥失電,此時車速在行駛阻力作用下開始下降,二擋電磁閥得電時,由于電磁閥響應(yīng)以及液壓系統(tǒng)控制離合器壓緊需要一定時間,約200～300 ms,在此時間內(nèi),車速仍呈現(xiàn)下降趨勢,直至二擋離合器完全接合,車速開始上升。圖5(b)為各轉(zhuǎn)速曲線,其中折算變速箱輸出軸曲線是由實際電機轉(zhuǎn)速按照二擋速比進行換算的,換擋期間需使此轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速匹配?？紤]電磁閥和液壓系統(tǒng)有一定響應(yīng)時間,在換擋控制策略中本文放寬了電機轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速同步條件的限制,在折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與實際變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速完全同步之前,當兩者轉(zhuǎn)速相差10 r/min以內(nèi),就控制二擋電磁閥得電。

圖5 換擋點1車速轉(zhuǎn)速曲線

以換擋時車速變化量、換擋時間及轉(zhuǎn)速同步時的平順性作為衡量換擋質(zhì)量的參數(shù),換擋控制目標為換擋時間盡可能短、換擋時車速波動小且轉(zhuǎn)速同步平穩(wěn)。由于折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速測量方式和周期不同,前者是通過接收行走電機控制器CAN消息計算得到的,其更新周期為50 ms,后者是由VCU采集霍爾傳感器計算得到的,其更新周期為5 ms。在進行轉(zhuǎn)速同步控制的過程中,以折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速的更新周期來計算2個轉(zhuǎn)速間的偏差。

圖5為換擋點1對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線。由5(a)換擋標志位曲線可知,一擋電磁閥于1.61 s失電,二擋電磁閥于2.33 s得電,換擋時間為 0.72 s;一擋電磁閥失電時車速為換擋前最高值,為12.9 km/h,二擋電磁閥得電一段時間后車速達到最低值,為11.1 km/h,換擋期間車速波動值為1.8 km/h。但一擋電磁閥斷開后,車速出現(xiàn)多次波動且波動幅度較大,這說明由于換擋點設(shè)置不合理,導(dǎo)致車輛換擋時出現(xiàn)了較強的頓挫感,因此不能作為最佳換擋點。

圖6為換擋點2對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖6(a)可知,一擋電磁閥于1.65 s失電,二擋電磁閥于2.31 s得電,換擋時間為0.66 s;一擋電磁閥失電時車速為13.1 km/h,二擋電磁閥得電一段時間后電變速箱離合器完全接合,此時車速為11.7 km/h,故換擋期間車速波動值為1.4 km/h。由圖6(b)可以看出,換擋期間電機轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速變化曲線平滑,未出現(xiàn)波動,表明換擋時車速和轉(zhuǎn)速過渡平穩(wěn),無頓挫現(xiàn)象。

圖6 換擋點2車速轉(zhuǎn)速曲線

圖7為換擋點3對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖7(a)可知,一擋電磁閥于1.7 s失電,二擋電磁閥于2.51 s得電,換擋時間為0.81 s;一擋電磁閥失電時車速為13.8 km/h,二擋離合器結(jié)合時車速為換擋時最低值12 km/h,換擋期間車速變換量為1.8 km/h,但在二擋電磁得電到離合器完全接合期間,車速出現(xiàn)波動,換擋平順性較差。由圖7(b)可以看出換擋期間電機以轉(zhuǎn)速模式調(diào)速時出現(xiàn)了一定波動,說明電機調(diào)速目標值與當前值之差過大,引起了一定程度的轉(zhuǎn)速超調(diào),導(dǎo)致調(diào)速末期轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)引起了車速波動。

圖7 換擋點3車速轉(zhuǎn)速曲線

圖8為換擋點4對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖8可知,一擋電磁閥于1.88 s失電,二擋電磁閥于3.24 s得電,換擋時間約1.36 s;轉(zhuǎn)速在換擋期間由14.3 km/h降低至11.8 km/h,車速降低2.5 km/h,這是由于該換擋點對應(yīng)轉(zhuǎn)速條件較高,電機進行調(diào)速的范圍擴大,導(dǎo)致電機調(diào)速過程不平穩(wěn)并出現(xiàn)了一定程度超調(diào),同時調(diào)整時間有所延長,車速在行駛阻力影響下降低幅度更大。

圖8 換擋點4車速轉(zhuǎn)速曲線

綜合對以上各換擋點對應(yīng)車速和轉(zhuǎn)速的分析,換擋點4換擋時間較其他點明顯延長,且行走電機轉(zhuǎn)速調(diào)整時出現(xiàn)超調(diào)情況,車速下降也較多,實際駕駛時出現(xiàn)了明顯的動力中斷。換擋點1、2、3換擋時間相差不大,在0.6～0.8 s,換擋點1和3均出現(xiàn)了較明顯的車速抖動,對比之下,換擋點2在換擋時車速過渡平穩(wěn),實際駕駛中動力跟隨較為迅速,故選擇換擋點2為最佳換擋點。

4 結(jié)論

1) 研究用車型采用兩擋變速箱,本文基于純電動裝載機運行參數(shù)、行走電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信息及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速制定換擋策略,由整車控制器向行走電機控制器下發(fā)控制策略計算參數(shù)。使用Simulink搭建換擋控制算法模型并基于自動代碼生成技術(shù)完成程序編譯。

2) 進行實車試驗,分別測試各換擋點下裝載機車速、電機轉(zhuǎn)速和一二檔電磁閥狀態(tài),計算換擋時間和換擋期間車速變化值以衡量換擋速度和換擋時車輛平順性。試驗表明,所開發(fā)換擋策略換擋時間最快可達0.66 s,換擋時車速波動最小為1.4 km/h。