混聯式混合動力叉車能量管理策略研究

孫 駿，徐 回，胡 悅

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽，合肥 230009）

傳統的內燃叉車以內燃機為主要動力，雖然動力性能佳，但是尾氣排放和噪聲對環境污染大。電動叉車雖然對環境污染較小，但是由于電池技術的限制，功率小，作業時間短。混合動力叉車結合了內燃叉車和電動叉車兩者的優點，不僅保證了動力性，燃油經濟性也得到了提高，并且減小了對環境的危害[1]。

混聯式混合動力叉車是一種同時具有串聯式混合動力叉車和并聯式混合動力叉車特征的車輛，其內燃機和電機可以分別單獨工作，或者共同工作，并且內燃機的機械能可以通過發電機轉化為電能給電池組充電或供電機使用。混聯式混合動力叉車含有3個動力單元：內燃機、牽引電機、油泵電機，它們的工作模式在混合動力叉車工作的過程中是動態變化的，因此混合動力叉車的運行特性較復雜，而且混合動力叉車包含了內燃機、電動機、電池等多個被控對象，控制難度較大。再者，混合動力叉車與混合動力汽車相比多了起升下降裝置，工作模式變得復雜，能量管理的難度也隨之加大。圖1是一種混聯式混合動力叉車系統方案圖。叉車正常行駛時與汽車的控制策略類似，可以工作在內燃機單獨驅動、電機單獨驅動或者混合驅動3種模式下，實現對內燃機的最優控制，對電池的在線充電以及制動時的能量回收。而叉車處于作業狀態時，需要內燃機單獨或者與電機共同驅動液壓泵工作，進行起升或者下降的動作，下降時候的勢能可以進行回收。在行駛和作業的過程中，油泵電機都可以作為發電機給電池組充電。

1 基于模式分層的混聯式混合動力叉車的控制策略

模式分層控制策略可以將叉車的工作模式按照不同的層次分為多個獨立的工作模式及其子模式，各模式之間根據外界輸入和叉車狀態的改變而實現遷移。因此確定混合動力叉車所有的工作狀態以及這些狀態之間的轉移條件至關重要。提出的混聯式混合動力叉車的控制策略包括兩部分：一部分是模式管理策略，模式管理策略依據當前整車各個部件運行的狀態以及駕駛員的操作來決定叉車工作的最佳工作模式。另一部分是協調控制策略，協調控制策略依據混合動力叉車不同的工作模式計算內燃機、牽引電機、油泵電機所需求的轉矩，并且控制制動時的能量回收。因此，混聯式混合動力叉車工作模式的劃分、模式管理策略和協調控制策略構成了混合動力叉車控制的基礎。

1.1 混合動力叉車工作模式分層

根據圖1所示的混聯式混合動力叉車系統方案，確定了7種在實際作業中常出現的工作狀態：輕載驅動、重載驅動（定義叉取的貨物大于2 t時為重載）、怠速、輕載起升、重載起升、輕載下降、重載下降。混聯式混合動力叉車的一個主要特征是能夠實現在線充電的功能，電池是一個重要的被控對象，要求內燃機、牽引電機、油泵電機等關鍵部件在不同的電池荷電狀態（State of Charge，SOC）水平下有不同的工作模式，因此基于電池充分發揮性能和最大使用壽命的原則，將SOC分為3個層次，混聯式混合動力叉車就有了21個基本子模式。為了在實際叉車運行的過程中能夠有效地實現這21個子模式的控制，采用分層決策的思想，將21個子模式分層。驅動模式、起升模式、下降模式控制量以及能量流動路徑有很大的區別，定為3個一級子模式。在驅動模式中為了更好地控制內燃機，將怠速這一模式單獨劃分出來。各個模式又依據有無負載和SOC的狀態逐級向下劃分，達到能量的最優控制。具體的分層模式如圖2所示。在混合動力叉車實際的作業過程中，控制策略根據駕駛員對驅動力、起升下降力以及制動力的需求、車輛當前狀態、電池狀態等條件來決定叉車的工作狀態。

1.2 各模式能量管理

正常行駛模式下內燃機為主要的動力源，牽引電機作為輔助動力源使用，在較高的SOC水平下，它與內燃機聯合驅動叉車行駛。牽引電機的工作點與SOC的值有關，當SOC處于0.8～1.0之間時，牽引電機在加速踏板行程大于0.5時開始工作，而在SOC處于0.3～0.8之間時，工作點提高到了0.6。在SOC處于0.3以下時，牽引電機停止工作，并且內燃機的油門開度只有踏板模擬量的一半，強制減小車速，及時提醒駕駛員應該停車充電。內燃機除了驅動叉車外，在輕載行駛和SOC低于0.8的情況下，拖動油泵電機給電池組充電，充電的程度依據SOC值的不同而不同，SOC高于0.3時，表征充電程度的充電系數為-0.05，SOC低于0.3時，此系數達到了-0.15。充電過程只有在電磁離合器閉合的狀態才能進行，而電磁離合器只有在內燃機轉速低于1 200 r/min時才閉合。在重載驅動模式中，需要大量的能量用于驅動，因此，內燃機不給電池組充電。

怠速模式下牽引電機不工作，加速踏板行程通常情況下較小，內燃機轉速很低，但是為了能夠在較低SOC水平下拖動油泵電機給電池組充電，在SOC低于0.8時，內燃機的轉速自動提升至1 100 r/min。充電的程度與SOC的值相關，當SOC高于0.3時，充電系數為-0.1，而SOC低于0.3時，充電系數為-0.5。在充電的情況下，電磁離合器閉合。

起升模式下依據載荷情況分為輕載起升和重載起升，這兩種模式下牽引電機都不工作。輕載起升時，內燃機一方面帶動兩個液壓泵進行起升的動作，另一方面在SOC小于0.8時拖動油泵電機給電池組充電，充電系數在SOC大于0.3時為-0.1，小于0.3時為-0.2，充電過程中控制內燃機的轉速小于1 200 r/min。電磁離合器始終處于閉合的狀態。特別的是，在SOC小于0.3時，油門開度只有踏板量的一半，強制減小起升速度，提醒駕駛員應該停止工作。重載起升時，內燃機和油泵電機各帶一個液壓泵工作，油泵電機的轉速與起升拉桿的開度近似成正比。因需要更多的能量進行起升的工作，內燃機不給泵電機充電，電磁離合器一直處于斷開的狀態。在SOC小于0.3時，強制減小節氣門開度。

下降模式下牽引電機停止工作，此模式依據載荷情況同樣可以分為輕載下降和重載下降。下降模式下，一般通過下降的勢能來給電池組充電，并且此時的油門開度較小[13-14]。但是，輕載下降時，由于勢能較小，僅僅依靠勢能不足以給電池組充電，因此在SOC小于0.8的情況下，內燃機的轉速被提升到1 100 r/min，電磁離合器閉合，內燃機拖動油泵電機給電池組充電。在SOC大于0.3時，充電系數為-0.1，SOC小于0.3時，充電系數為-0.5。在重載下降模式中，內燃機在SOC大于0.3時提供一定的動力，電磁離合器一直處于斷開狀態。電池組的充電依靠重物下降時液壓泵反拖油泵電機實現這一過程。下降的快慢與下降拉桿的開度近似成正比。

1.3 協調控制策略

模式管理器確定了在不同的混合動力叉車工作狀態的切換條件以及在特定的工作狀態下各個部件的工作模式，輸出的為節氣門開度因子、電機工作點、充電系數、離合器開關狀態，因此模式管理器不能完全直接地對能量進行控制，需要依靠協調控制器中的協調控制策略來進行轉矩的分配，制動能量的回收。協調控制模塊以加速踏板位置信號、制動踏板位置信號、節氣門開度因子、內燃機轉速、電機工作點、SOC為輸入，輸出為內燃機油門開度信號、電機占空比、機械制動信號。節氣門開度因子作為權重與加速踏板信號一起決定油門開度的大小。在正常行駛時，節氣門開度因子的值為1。需要強制減少車速時，此值為0.5。當怠速模式與輕載下降模式在中SOC狀態下，此值為2，作為一個開關量切換到調節內燃機轉速的PI控制系統實時的控制節氣門開度，從而控制內燃機轉速在1 100 r/min左右；電機占空比是表征電機在整個工作過程中所占有的比例，它依據電機工作點來進行換算。車輛減速制動或下坡時，電機運行在發電狀態，將車輛的動能轉化為電能儲存在動力電池中，當需求的減速度大于電機所能提供的最大減速度時，不足部分由機械制動提供，共同完成減速停車。

2 仿真和結果分析

2.1 前向式混聯式混合動力叉車系統建模

整個前向仿真模型是依據整車動力學，各個部件的工作原理以及能量在整個前向回路的流動狀態，基于Matlab/Simulink仿真環境下建立的。前向式混聯式混合動力叉車仿真系統包括駕駛員、整車控制器、內燃機、起升下降裝置、油泵電機、牽引電機、電池、整車動力系統共8個模塊，這8個模塊又可以分為控制器、部件、動力系統和起升下降系統4個部分，其中最重要的為控制器。混合動力叉車的控制器具有分層結構，頂層為駕駛員的操作，中間層為整車控制器，底層為各個部件控制器。中間層的整車控制器依據頂層駕駛員的操作和整車動力系統以及各個部件的狀態，根據混合動力叉車的控制策略，向底層部件控制器發出指令，由部件控制器對各個部件實行控制，并且返回整車控制器的模式管理策略和協調控制策略所需要的狀態參數[15]。

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混聯式混合動力叉車的模式管理器是以混合動力叉車的狀態分類分層為基礎的，狀態切換過程具有離散事件的特征，因此整車控制器中的模式管理器仿真模型是基于Matlab/Stateflow建立的[15-16]。圖3建立了模式管理器的Stateflow模型。當仿真開始執行時，所有的系統都進行初始化，默認的狀態是正常行駛模式，隨后依次判斷轉移條件是否滿足從而執行相對應的狀態轉移。混聯式混合動力叉車控制策略的控制參數有起升信號（Lift_signal）、負載信號（Load_signal）、方向開關信號（Direction_signal）、當前SOC。用形式語言來描述這4個參數，例如圖3中起升信號（Lift_signal）可以區分為3個輸入數據。（1）數據 CL1：Lift_signal＞ 0；（2）數據CL2：Lift_signal=0；（3）數據 CL3：Lift_signal＜ 0。這些輸入數據構成了模式之間的遷移條件，例如進入中SOC狀態下的輕載起升模式的路徑為：首先激活正常行駛模式，判斷起升信號大于0為真，遷移條件CL1生效，轉入起升基本模式。隨后判斷遷移條件CLO1和CS2為真，進入指定模式。

在Simulink中構建的整車模型的仿真平臺如圖4所示，Stateflow模型生成的控制邏輯可以直接嵌入到Simulink中，實現數據流的傳輸與驅動。圖中，最上方為循環工況模塊，駕駛員模型（包括起升信號、負載信號、方向開關信號的給定）和整車控制器模型；中間為內燃機模塊、傳動系統模塊以及整車動力學模塊；最下方為起升下降裝置模塊、油泵電機模塊、牽引電機模塊以及電池模塊（電池模塊采用的是內阻模型）

2.2 仿真研究

為了驗證分層式規則邏輯能量控制策略對于混聯式混合動力叉車燃油經濟性的影響，使用JB/T 3300—92中的能耗試驗標準制定仿真循環工況，整個仿真時間為112 s，如圖5所示，進行了仿真。整車參數見表1，另外內燃機額定功率為46.9 kW，電池的額定電壓為80 V，容量為100 Ah。

圖6是目標車速與最高車速的跟蹤圖，從圖中可以看出跟蹤效果很好，駕駛員模型中的PI控制發揮了很好的作用，能很好地反映真實的行駛狀況。

表1 整車參數

圖7是電池組初始SOC設定為0.7時，仿真循環中SOC變化的曲線圖，反映了能量存儲系統的工作狀況。圖8是內燃機的轉速變化曲線圖。圖9是內燃機、牽引電機和油泵電機的功率曲線圖，圖中正值表示輸出功率，負值表示吸收功率，反映了內燃機和電機在整個工作循環下的工作狀況。從這3幅圖中可以看出如下變化趨勢。

（1）重載驅動（0～22 s和35～57 s），內燃機作為主要動力源，牽引電機提供輔助動力，在加速行駛時內燃機與牽引電機共同輸出功率，減速和制動時牽引電機吸收功率給電池組充電，SOC值上升，由于牽引電機消耗電能，SOC值整體趨于下降。油泵電機在這個工況中不工作。

（2）重載起升（22～28 s），內燃機和油泵電機共同輸出起升所需的功率，牽引電機不工作，此時沒有多余的功率可以吸收，油泵電機消耗電能SOC值下降。

（3）重載下降（28～35 s），油泵電機吸收重物下降時的勢能，給電池組充電，SOC值上升。此時牽引電機不工作。

（4）輕載驅動（57～78 s和91～112 s）,內燃機和牽引電機共同提供行駛功率，當內燃機轉速低于1 200 r/min時，電磁離合器吸合，內燃機拖動油泵電機給電池組充電，SOC值有上升的過程，但總體呈下降趨勢。

（5）輕載起升（78～84 s），內燃機輸出起升所需的功率，并且將富余的功率用于拖動油泵電機給電池組充電，SOC呈上升趨勢，牽引電機不工作。

（6）輕載下降（84～91 s），內燃機轉速小于1 200 r/min時，電磁離合器吸合，內燃機拖動油泵電機給電池組充電，牽引電 機不工作，SOC有上升的趨勢。

整個循環過程中牽引電機起到了削峰填谷的作用，油泵電機發揮了發電機的作用，實現了對電池組的充電，內燃機大部分的時間都工作在最優工作區，說明制定的控制策略能夠有效控制內燃機運行在高效率區域。SOC有明顯的上升過程，實現了在線充電的功能。仿真112 s結束后，SOC從初始值0.7變化到0.682 8，可以計算出在該工況下，每小時耗電量為55.29 Ah。與此同時循環過程中叉車所消耗的燃油量為7.18 L/h，而傳統內燃叉車所消耗的燃油量為12.98 L/h，混合動力叉車燃油消耗量比傳統內燃叉車減少了5.80 L/h，但是混合動力叉車比內燃叉車消耗了更多的電量，從廣義油耗（即將耗電量折算成燃油消耗量后與內燃機實際的燃油消耗量相加后得到的油耗量）的角度出發，依據能量守恒的換算關系，計算出總的燃油消耗量為8.90 L/h，節油率為31.4%。

動力性仿真是在目標車速提高2倍之后測得的，整個循環過程中，滿載最高車速為17.74 km/h，空載最高車速為18.31 km/h，這兩項指標均滿足了設計值，說明提出的分層式邏輯規則能量管理控制策略保證了叉車的動力性。

3 結論

本文根據混聯式混合動力叉車的系統結構及其能量流動的規律，提出了分層式邏輯規則能量管理控制策略，將混合動力叉車復雜的控制邏輯分層劃分，確定了3級共21個模式，利用負載信號，起升下降信號，方向開關信號，SOC信號實現了模式之間的遷移。在Matlab/Simulink仿真環境下，以前向式混聯式混合動力叉車的整車模型為仿真平臺，基于有限狀態機形式語言在Matlab/Stateflow軟件環境下設計了混聯式混合動力叉車分層式邏輯規則能量管理控制策略仿真模型。基于JB/T 3300—92循環工況進行了仿真試驗，試驗結果表明提出的控制策略有效提高了混合動力叉車的燃油經濟性，并且保證了混合動力叉車的動力性。

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