增程式混合動力洗掃車能量管理策略研究

高愛云 張風麗

河南科技大學車輛與交通工程學院，洛陽，471003

0 引言

我國傳統雙發動機洗掃車排放差、噪聲大，對環境的污染比較嚴重。目前，我國對節能環保的要求越來越高，對洗掃車市場的需求越來越大，傳統洗掃車已不能滿足現在市場的需求。同時，由于洗掃車滿載質量比較大，現有的動力電池技術不夠成熟，故能夠滿足道路洗掃要求的動力電池和電機等部件比較大，成本比較高。因此發展混合動力洗掃車十分必要[1]。

混合動力環衛洗掃車與普通混合動力車輛在使用環境、運行工況、負載特性等方面都存在較大差異。目前，我國對混合動力汽車能量管理策略進行了大量研究[2-5]，但在環衛洗掃車領域研究相對較少。文獻[6]對增程式電動環衛車動力系統進行了匹配，并對環衛車能量管理策略中的功率流進行了研究；文獻[7]針對單軸混合動力環衛垃圾車進行了研究，僅實現垃圾運輸、傾倒，功能單一，不能滿足清掃、沖洗、抽洗等多功能環衛車的需求；文獻[8]采用并聯式混合動力環衛車，通過設計動力耦合裝置實現模式的切換，但是該結構在洗掃工況時，不易實現洗掃裝置與行走裝置洗掃作業時的動力解耦，容易對清潔效果產生影響。

本文以增程式混合動力洗掃車為研究對象，結合采集的本地作業工況，建立了混合動力系統的數學模型，提出了一種基于發動機轉速模糊PID+電池下垂控制的動態協調的能量管理策略。

1 混合動力系統結構及數學模型

1.1 混合動力系統結構

針對混合動力環衛洗掃車工況特點，采用增程式混合動力系統方案，如圖1所示，發動機輸出的動力沒有和行駛負載直接連接，因此可以實現發動機的輸出與行駛負載解耦，能夠很好地實現動力分配，保證發動機為洗掃作業系統提供比較平穩的轉速，提高清掃效率。

1.發動機 2.離合器 3.分動器 4.洗掃部件5.ISG電機 6.動力電池 7.驅動電機 8.DC/DC變換器圖1 增程式混合動力洗掃車系統結構圖Fig.1 Extended program hybrid cleaning vehiclesystem structure

在系統中，發動機產生的動力經過分動器，分別用于驅動洗掃工作裝置和ISG電機發電；ISG電機通過直流母線與動力電池和驅動電機連接，起到啟動發電一體化的作用；動力總成由電池能源系統提供電能，通過電機控制器調整牽引電動機的輸出特性，控制其正向或反向運轉。

本文基于典型洗掃作業工況建立混合動力洗掃車的數學模型，并對控制策略進行設計。

1.2 系統數學模型

(1)發動機模型。在發動機穩態工作過程中，發動機功率和燃油消耗量受轉矩和轉速的影響。瞬時驅動轉矩與瞬時功率的關系為

(1)

式中，Pice(t) 為瞬時功率，kW；Tice(t)為發動機的瞬時驅動轉矩，N·m；nice(t)為發動機瞬時轉速，r/min。

瞬時驅動轉矩與瞬時燃油消耗量的關系為

(2)

式中，Qice(t)為發動機的瞬時燃油消耗量，L；bice(t)為燃油消耗率，g/(kW·h)；u(t)為行駛車速，km/h；ρ為燃油密度，kg/L；g為重力加速度，本文取9.8 m/s2。

(2)電機模型。發電機與發動機機械連接，又作為機械能與電能轉換的單元，發電機轉子端轉矩、轉速受控制器端輸出直流電壓和電流的影響，有

(3)

電動模式和發電模式時母線端通過的電流

(4)

ISG電機外特性曲線如圖2所示。

圖2 ISG電機外特性曲線圖Fig.2 ISG motor external characteristic curve

(3)電池模型。采用電池內阻建立電池模型：

(5)

式中，Ub,oc為開路電壓，V；Nb為電池組中單體電池串聯數；Ub,VOC(SSOC)為單體電池的開路電壓，V；Rb為電池等效電阻，Ω；Rb,R(SSOC)為單體電池的開路電阻，Ω；SSOC，0為電池初始荷電狀態；Ct為電池可用容量；ib為充放電電流，A；Eb為電池端電壓，V。

2 能量管理控制策略的設計

能量管理控制策略包括穩態能量管理策略設計和動態協調控制。穩態能量管理策略是以滿足功率需求、提高系統電池有效儲備功率為目標，解決混合動力系統各部件在該時刻下的運行狀態的功率分配和模式切換問題的一種能量管理方式[9-10]；動態協調控制是基于動態過程平穩控制的原則，使各部件按照能量管理策略制定的混合動力系統工作模式運行。能量管理控制策略設計見圖3。

圖3 能量管理控制策略設計簡圖Fig.3 Energy management control strategydesign diagram

2.1 穩態能量管理策略設計

混合動力車輛的能量管理策略以燃油消耗最小為目標。本文基于規則的控制策略，制定了混合動力系統的功率分配規則，以防止電池的過充過放。

數學表達式為

SSOC,low

(6)

式中，SSOC,high、SSOC,low分別為電池允許充放電時的荷電狀態上限、下限。

電池的荷電狀態SOC分為3區域：低SOC區(SSOC<40%)，正常SOC區(40%～80%)，高SOC區(SSOC>80%)。當SSOC>SSOC，high時，限制充電，只允許放電；當SSOC

整車需求功率包括洗掃系統和行駛系統需求功率，為了表示功率需求的分配情況(表1)，引入一個參考量ε來描述發動機的工作情況，定義如下：

Preq=Psweep+Prun

(7)

ε=Psweep/Pice

(8)

式中，Psweep為發動機用于洗掃時的功率，kW；Preq為整車需求功率，kW；Prun為行駛系統需求功率，kW。

表1 功率分配表

注：Pem為驅動電機功率，kW。

系統功率分配情況：

(9)

式中，Pisg為ISG電機功率，kW；Pb為電池功率，kW；γ為發動機油門開度，本文根據經驗值進行區間劃分，區間值選取為γ1=12%、γ2=25%、γ3=52%、γ4=75%。

(1)mode1：當油門踏板開度為0<γ≤γ1時，Psweep=0，即發動機輸出到洗掃功率為0，發動機在油門開度為0～γ1區間內通過ISG電機啟動發動機，為發動機起步階段，電池用于ISG電機啟動發動機，電池滿足SSOC>SSOC,low。

(2)mode2：當油門踏板開度為γ1<γ≤γ2時，控制器根據車速、踏板開度、電池荷電狀態分配電機和發動機的功率需求，其行駛負載功率由驅動電機提供，洗掃負載功率來自發動機，電池滿足SSOC>SSOC,high。

(3)mode3：當油門踏板開度為γ2<γ≤γ3時，驅動電機不足以滿足驅動行駛功率，由發動機通過ISG電機，直接通過電傳動作用于驅動電機，不經過儲能裝置，發動機一部分功率用于提供洗掃負載需求功率，一部分用于驅動行駛車輛需求負載功率，此階段為發動機在洗掃和驅動車輛間進行功率分配，電池滿足SSOC,low≤SSOC≤SSOC,high。

(4)mode4：當油門踏板開度為γ3<γ≤γ4時，電池荷電狀態低于自己設定的最低下限值，由發動機通過ISG電機為電池充電，發動機一部分功率用于提供洗掃負載需求功率，一部分用于電池充電功率，電池滿足SSOC

2.2 動態協調控制設計

根據整車穩態目標功率分配控制策略確定穩態目標功率，但由于發動機和電機動態響應特性的不同，使得發動機和電池的實際功率不能按照分配好的穩態目標值進行精確變化，導致發動機輸出功率不在設定的最優工作曲線上[11]。當發動機轉速控制器和DC/DC變換器功率控制器之間沒有耦合關系時，可實現發動機轉速控制和發電機、DC/DC變換器發電系統的解耦控制。本文動態協調中，發動機采用轉速模糊PID控制使整車保持相對穩定的狀態，動力電池采用下垂控制[12-13]，抑制功率波動，保證充放電的可靠性，協調控制的總原理見圖4。

圖4 協調控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of coordinated control

由圖4可知，協調控制主要由發動機轉速協調控制和電池功率協調控制兩部分組成。根據洗掃車行駛負載需求功率和洗掃需求功率，一部分計算出發動機的需求功率，依據發動機轉速查表求出發動機目標轉速，通過模糊PID控制發動機的轉速；另一部分計算行駛負載需求，根據電池荷電狀態確定電池的功率，根據電池電壓查表得到穩態目標電壓Eb，經過電壓控制器和電流控制器調節輸出信號db，并傳輸給DC/DC變換器，變換器中脈寬調制(PWM)信號對變換器中開關器件的通斷進行控制，從而改變輸出電壓的大小，進而改變功率的大小。

2.2.1發動機轉速協調控制

發動機協調控制中采用轉速模糊PID控制策略，發動機轉速模糊PID閉環控制如圖5所示。

圖5 發動機轉速模糊PID控制Fig.5 Engine speed fuzzy PID control

模糊控制器的輸入為發動機的實際轉速和目標轉速之差e及其變化率ec。通過模糊推理得到動態的PID控制參數ΔkP、ΔkI、ΔkD。模糊控制器的輸入量、輸出量的模糊子集設為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},子集元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

隸屬度函數采用對稱隸屬函數，輸入量、輸出量隸屬度函數見圖6。

圖6 隸屬度函數Fig.6 Membership function

在洗掃車作業工況下，發動機控制易受負荷變化或干擾因素的影響，駕駛員需要根據路面情況對洗掃負載轉速進行調節以獲得良好的清掃效率和工作效率，因此洗掃車進行清掃工作時，必須對發動機的轉速進行閉環控制，以達到需求的穩定負載轉速。

期望轉速與實際轉速的誤差及誤差變化率為

e(k)=nopt(k)-nact(k)

(10)

ec(k)=e(k)-e(k-1)

(11)

式中，nopt(k)為發動機目標轉速，r/min；nact(k)為發動機實際轉速，r/min；e(k-1)為前一時刻發動機轉速誤差值。

PID參數滿足模糊修正關系：

(12)

式中，kP0、kI0、kD0為PID控制器初始參數；kP、kI、kD為整定后PID控制器的參數。

PID的離散控制算法為

(13)

式中，T為采樣周期。

選取發動機工作轉速時，由穩態確定的轉速點采用多工作點轉速切換方式，根據車輛的行駛需求功率，對應得到滿足要求的發動機轉速和汽車需求功率。

2.2.2電池功率協調控制

需求功率由發動機和電池兩部分動力源提供，在動態過程中對功率波動修正為

Preq=Popt+ΔP=f(γ,nice,im)+f(dUm/dt)

(14)

式中，Popt為整車目標功率，kW；ΔP為功率變化量。

發動機采用轉速控制，由發動機轉速和功率的關系得到發動機轉速和電壓電流的關系：

(15)

(16)

(17)

式中，Ke為等效電動勢系數；KX為等效阻抗系數；Ug為母線電壓參考值，V。

聯立式(15)～ 式(17)得到發動機的轉速和母線電壓的關系：

(18)

由式(18)可知，發動機轉速與母線電壓和電機功率有關，當出現功率波動，不能按照原先設定的功率分配時，可以調節電壓的大小以抑制功率波動。

母線電壓的控制通過對電池系統下垂控制進行，根據負荷功率需求自動調整輸出功率以確保母線電壓穩定。控制計算如下：

(19)

式中，ψdc為下垂系數；ib_ref為電池電流參考值；Udc_max為DC/DC電壓上限；Udc_min為DC/DC電壓下限。

由電壓和電流的下垂函數關系確定電壓的傳遞函數，母線電壓與ISG電機和發動機傳遞函數如下：

(R(s)-Um)G1(s)-ib=ib_ref

(20)

ib=ib_refG2(s)Gi(s)

(21)

Um=ibGu(s)

(22)

C(s)=UmGisg(s)Gice(s)

(23)

聯立式(20)～ 式(23)消去ib_ref得

C(s)=(R(s)-Um)·

(24)

式中，C(s)為輸出轉速的傳遞函數；R(s)為輸入電池電壓的傳遞函數；G1(s)為電壓環PI控制器的傳遞函數；G2(s)為電流環PI控制器的傳遞函數；Gi(s)為DC/DC控制器的電流傳遞函數；Gu(s)為DC/DC控制器的電壓傳遞函數；Gisg(s)為ISG電機的傳遞函數；Gice(s)為發動機的傳遞函數。

電壓外環電流內環控制見圖7。當出現功率波動時，電壓和電流會影響發動機的轉速控制，通過控制電流電壓可抑制功率波動。當母線電壓小于穩態電壓時，需求功率不足以支撐需求動力，動力電池通過放電輸出功率彌補動力不足，通過調節電壓電流，進而平衡功率波動；反之通過調節電壓電流使發動機給電池充電釋放富裕功率，使發動機轉速穩定。

3 仿真分析

在AVL-CRUISE中建立增程式混合動力洗掃車系統模型，如圖8所示。該模型利用AVL-CRUISE軟件中分層建模的功能，實現洗掃車轉場工況和洗掃工況下的模式切換。本文在設置計算任務時，為洗掃工況添加采集的本地洗掃作業工況，該工況是結合本地城區，選擇當地特定的傳統洗掃車進行洗掃作業工況實驗時的數據。該工作路線為城區的某一洗掃路段，選擇的實驗時間為早上6:00至7:00，盡量避開城市早高峰擁堵時間段，減小行人對車輛運行的影響。一個運行工況時間為2 110 s，選擇4個運行工況，進行仿真模擬，整車參數和動力部件參數如表2、表3所示。

圖7 電壓外環電流內環控制框圖Fig.7 Voltage outer loop current inner loop control block diagram

圖8 增程式混合動力洗掃車聯合仿真模型Fig.8 Combined simulation model of extended-program hybrid cleaning vehicle

表2 整車基本參數

表3 動力部件主要參數

洗掃工況的行駛車速仿真曲線見圖9，可以看出，實際車速能夠實時跟蹤目標車速，說明車輛能夠達到所需的動力要求，控制良好。

圖9 洗掃工況下行駛車速曲線Fig.9 Driving speed curve under sweeping conditions

洗掃循環工況下動力電池的仿真曲線見圖10，本文設置了4個循環工況，電池初始荷電狀態值SSOC，0設置為50%。從圖10a中可以看出，SOC值在電池電量消耗過程中有輕微波動，這是因為洗掃車在制動時能量有所回收，但是洗掃工況下車速比較低，制動能量回收有限；整個洗掃工況中，當SOC值下降到40%時，SOC值開始上升，最后到80%時SOC值不再上升，與所設計的控制策略相符，達到了設計的效果，保護了電池，防止了過沖過放的現象。運行6 114 s之后SOC值開始上升是因為在SOC值下降到40%后，整車控制器會根據SOC值的多少給發動機和發電機發出指令，ISG電機開啟，為電池充電。因此在6 114 s之前，電流小于0，為負值，說明電池一直處在放電狀態，在6 114 s之后電流大于0，為電池充電。圖10b為電池的充放電功率，可以看出充放電功率的波動較小，控制比較好。

(a)動力電池參數隨時間的變化

(b)動力電池充放電功率隨時間的變化圖10 洗掃循環工況下動力電池的仿真曲線Fig.10 Simulation curve of the power battery undersweeping conditions

(a)發動機轉速模糊PID控制效果

(b)洗掃部件轉速圖11 洗掃工況下轉速閉環控制曲線Fig.11 Speed closed loop control curve undersweeping conditions

洗掃循環工況下轉速閉環控制曲線見圖11。從圖11a中可以看出，發動機在清掃模式下處于兩個恒定轉速工作，即發動機雙工作點，在啟動時發動機轉速從零變化到目標轉速2 050 r/min，用時5 s左右達到穩定轉速，并且超調量很小，穩態誤差基本沒有，表明本仿真設計的PID控制器調速效果良好。在發動機運行6 114 s時，發動機轉速出現先降低后升高的現象，這是因為此時模式切換，離合器結合瞬間，ISG電機轉速由540 r/min突然增加至1 953 r/min，發動機轉速由2 050 r/min下降至1 953 r/min，由于機械慣性速度會繼續增大直至穩定，到達發動機穩定轉速2 000 r/min。圖11b為洗掃部件的轉速曲線，可以看出基本穩定，說明發動機轉速閉環控制良好，能夠保證清掃效率。

整個洗掃工況下，驅動電機提供的輸出轉矩如圖12所示，可以看出，驅動電機提供的輸出轉矩相對比較穩定，滿足了洗掃車行駛時的特性要求，驗證了控制策略的正確性。

圖12 洗掃工況下驅動電機的輸出轉矩Fig.12 Output torque of the drive motor undersweeping conditions

洗掃工況下累計油耗對比結果如圖13所示，可以看出，在6 114 s之后的斜率比之前斜率要大，燃油消耗要大，這是因為發動機不僅要提供洗掃部件的需求功率，還要在洗掃工況下通過ISG電機為電池充電。

圖13 洗掃工況下累計油耗對比Fig.13 Comparison of cumulative fuel consumptionunder sweeping conditions

表4所示為整車綜合油耗對比結果，可以看出整車的燃油消耗與傳統雙發動機洗掃車相比得到了很好的改善，轉場模式節油率達到17.7%，洗掃模式節油率達到37.1%。

表4 整車綜合油耗對比

4 結論

(1)針對增程式混合動力洗掃車動態協調控制策略,提出了基于發動機轉速閉環控制策略，經仿真驗證，發動機轉速輸出比較平穩，模式切換時波動較小，保證了洗掃時輸出轉速的平穩性。

(2)提出了功率協調控制策略，經仿真驗證，充放電功率比較穩定，電壓能夠控制在一定范圍內，達到平衡功率波動的目的。

(3)基于AVL-CRUISE和Simulink搭建了增程式混合動力洗掃車聯合仿真平臺，從仿真結果來看，仿真車速能較好地跟蹤目標工況車速，所設計的控制策略能夠滿足轉場運輸和清掃工作的要求，轉場模式節油率達到17.7%，洗掃模式節油率達到37.1%。