同轴并联混合动力路灯车控制策略

 

    同轴并联混合动力路灯车控制策略     珠海路灯车出租, 珠海路灯车租赁, 路灯车出租  路灯车是一种典型的工程机械，其能耗及其分配规律很有代表性．路灯车有长距离行车和作业两种常用的工况，其中长距离行车能耗规律较单一，不作为本文研究内容；作业工况则因作业的模式、物料和装卸距离等因素的变化呈现多样性，但从总体上来看仍表现出很强的规律性，归纳起来有以下几点．１．１作业具有明显的周期性与其他工程机械一样，路灯车在作业过程中要周而复始地完成同样的工作，表现出了极强的规律性和周期性．如Ｖ形作业循环包括：驶向料堆—铲掘—倒退—驶向运输车—举升卸料—空载回程６个工作阶段，且对于一定的物料和作业距离，不仅每个循环总时长一定，每个作业阶段的时刻也基本一致，具有极强的规律性，非常适合应用混合动力技术解决其能耗和排放问题．

　　　　１．２输出功率的急剧波动性路灯车要同时满足传动系统和工作装置两方面的能量需求，这两部分载荷都具有急剧变化的特点，合成后整机的输出功率波动性更加剧烈，如图１所示．对于传统路灯车，要求发动机具有较宽的工作范围，由内燃机动力学可知，发动机仅在有限的工作区间具有良好的油耗和排放特性，一旦偏离最优区间其油耗和排放性能急剧下降．混合动力技术对于稳定发动机工作点、降低油耗和改善排放具有独特的优势，为路灯车提供了切实可行的节能减排方略．

　　　　１．３作业强度大能耗率高电能是最理想能源之一，电能在机动设备上的应用有电网供电和移动电源两种形式．其中，电网供电需要架设供电电缆还受到场地电源供应情况的制约，限制了路灯车的机动性和灵活性；路灯车特别是大中型路灯车作业强度很大，平均一个工作日的耗油量在３００ｋｇ左右，约相当于１０００ｋＷ·ｈ的电量，目前的移动电源尚不能满足这样大的电量供应要求．混合动力技术仍采用传统的液体燃料作为能源供应方式，既保留了传统路灯车补能方便和能量密度大的特性，又有效地降低了路灯车的能耗和排放，是路灯车当前最具前景的节能减排方案之一．

　　　１．４传动效率较低为了适应插入工况行驶阻力突然增加和避免发动机熄火的要求，同时也为了保护传动部件不受损伤，路灯车普遍采用液力变矩器自动适应载荷的突变．变矩器是通过液力传递动力的，其传动效率η随变矩器涡轮转速ｎ增加呈明显的抛物线变化规律．　变矩器高效区转速下限；ｎＴ为变矩器最高效率转速；ｎＴｐ－ｕｐ为变矩器高效区转速上限；ｎＴｍａｘ为变矩器涡轮最高输出转速；η＊为最高传动效率．当路灯车负荷增大时，涡轮转速即将低于ｎＴｐ－ｄｏｗｎ，进入电机助力模式，增加动力源的输出功率，从而使变矩器仍保持在高效率区；当路灯车负荷较低时，涡轮转速即将超过ｎＴｐ－ｕｐ，进入驱动发电模式，降低动力源的输出功率，从而维持涡轮转速保持在高效率区．

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　　　２混合动力路灯车结构方案：　混合动力系统包括两种以上的能量转化装置，它们以不同的连接方式驱动负载构成了不同的混合动力结构．与汽车相似路灯车也有串联式、并联式和混联式之分．本文所讨论的同轴并联混合动力路灯车的结构方案，发动机动力输出轴上连接电机转子，发动机和启动－发电一体化电机动力经磁场耦合后，一方面驱动液压系统，另一方面经液力变矩器驱动传动系统．该方案的特点是：结构简单，部件布置容易，传动系统中仍保留变矩器，储能装置采用超级电容．由于发动机和电机同轴并联，转速不能解耦，该方案不能实现纯电动和再生制动等工作模式，只有发动机单独驱动模式、电机助力模式和驱动发电模式．针对这种混合动力结构本文从以下几方面考虑其控制策略问题．

　　　　载荷感知问题：　传统路灯车靠柴油机的调速特性根据机手的油门踏板输入信号自动调节发动机的负荷使之与路灯车的载荷自动适应．混合动力路灯车需要准确的感知载荷的大小，并根据载荷、电容带电状态和发动机工作点等信息决定混合动力系统的工作模式，各种工作模式对机手的输入指令响应不同，发动机单独驱动模式要求发动机动力满足整机载荷；电机助力模式要求发动机保持在经济负荷，不足动力由电机动力补充；驱动发电模式要求发动机保持在经济负荷，多余的动力拖动电机为电容充电．载荷的感知是实现混合动力路灯车节能减排控制的先决条件．

　　　油门踏板感知方案：　混合动力汽车普遍采用加速踏板反映驾驶员对动力的要求，为了更真实地反映车辆的运行状态还选取车速作为辅助控制信号．图４为某路灯车松散物料作业循环的油门踏板信号变化情况，由图可见油门踏板除了短暂停车时间外，几乎均处于１００％开度，混合动力路灯车如果采用油门踏板信号作为载荷感知量，那么将有超过６０％的时间需要电机助力，将导致整个工作循环超级电容ＳＯＣ难以平衡．所以采用加速踏板感知混合动力路灯车载荷的变化有一定的局限性．　

　　变矩器转速比感知方案：　同轴并联混合动力路灯车保留了变矩器，变矩器的转速比在一定程度上能够反映载荷的变化情况，且通过变矩器的转速比感知载荷可以方便地实现提高变矩器效率的目标．但是路灯车除了驱动传动系统外还要驱动液压系统，且液压泵的阻力矩较大，变化范围很宽，变矩器的转速比无法感知这部分载荷，因此也不能全面反映载荷的变化情况．

　　　需求转矩在线估计方案：　　路灯车的动力输出包括传动系统和液压系统两部分，要全面地反映载荷变化情况，必须将这两部分阻力矩累加，即ＴＤ＝∑Ｔｐ＋ＴＢ（１）式中：ＴＤ为路灯车的总驱动转矩；Ｔｐ为液压油泵驱动阻力矩；ＴＢ为液力变矩器泵轮输入转矩．液压油泵的驱动阻力矩可以用泵的出口压力、排量和工作效率表示，即Ｔｐ＝ｐｑ／２πη（２）式中：ｐ为泵的出口压力；ｑ为泵的排量；η为泵的工作效率．即液压油泵的驱动阻力矩在泵的排量和工作效率一定的基础上，仅随出口压力变化，估计泵的工作阻力时只需监测泵的出口压力．液压泵的驱动阻力具有线性可叠加性，即总的液压阻力矩等于所有液压泵的驱动阻力矩之和．传动系所分配到的驱动转矩等于液力变矩器泵轮输入转矩，它可以表示为ＴＢ＝λＢ（ｉ）ρｇｎ２ＢＤ５：λＢ为液力变矩器的泵轮转矩系数，λＢ随变矩器转速比ｉ变化，可以通过试验测定它们的变化关系，表示成关于ｉ的一组数表λＢ（ｉ）；ρ为液压油密度；ｇ为重力加速度；ｎＢ为泵轮转速；Ｄ为液力变矩器循环圆直径．即泵轮输入转矩在结构参数已知的情况下，仅随液力变矩器的泵轮转速和涡轮转速变化．如此同轴并联混合动力路灯车的载荷就可以通过液压泵出口压力、液力变矩器泵轮转速和涡轮转速等变量感知．

　　　　　工作模式的划分：　混合动力技术的基本思想就是让发动机运行在效率较高的工作区域，工作效率较低的区域通过电机助力或拖动电机发电的方式将发动机工作点拉回到高效区域．根据发动机的输出特性制定经济转矩，加上一定的容差便形成了发动机的经济工作区域，混合动力路灯车要力争将发动机控制在经济区域工作．将上述载荷感知方案估算得到的路灯车总驱动转矩在发动机输出特性上划分出同轴并联混合动力路灯车的各种工作模式的区域．即ＴＤ＜Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）＋ΔＴｅ，ＴＥ＝Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ），Ｔｍ＝Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）－ＴＤＴｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）－ΔＴｅ＞ＴＤ＞Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）＋ΔＴｅ，ＴＥ＝ＴＤ，Ｔｍ＝０ＴＤ＞Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）＋ΔＴｅ，ＴＥ＝Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ），Ｔｍ＝ＴＤ－Ｔｅ－ｏｐｔ（　４）式中：Ｔｅ－ｏｐｔ（ｎｅ）为发动机的经济工作转矩，该最优转矩随发动机转速ｎｅ变化而变化；ΔＴｅ为发动机最优工作转矩的容差；ＴＥ为发动机实际工作转矩；Ｔｍ为电机实际工作转矩．结合电容ＳＯＣ形成同轴并联混合动力路灯车的完整控制策略如图５所示，图中ｎＢ为液力变矩器泵轮转速；ｎＴ为液力变矩器涡轮转速；ｐＷ为工作泵出口压力；ＴＷ为工作泵驱动转矩；ｑＷ为工作泵排量；ηＷ为工作泵效率；ｐＳ为转向泵出口压力；ＴＳ为转向泵驱动转矩；ηＳ为转向泵效率；ｑＳ为转向泵排量；ｐＦ为散热泵出口压力；ＴＦ为散热泵驱动转矩；ｑＦ为散热泵排量；ηＦ为散热泵效率；ＰＢ为制动泵出口压力；ＴＢ为制动泵驱动转矩；ｑＢ为制动泵排量；ηＢ为制动泵效率；ＳＯＣＨ为ＳＯＣ上限；ＳＯＣＬ为ＳＯＣ下限．

　　　　　仿真验证：为了验证上述控制策略的有效性，本文采用所述的方法，利用Ｃｒｕｉｓｅ软件搭建混合动力路灯车仿真平台，嵌入采用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ编写控制策略，通过联合仿真检验本文提出的控制策略的有效性．仿真模型按照路灯车常用的Ｖ形作业循环运行，作业距离为１５ｍ，将Ｖ形循环的载荷按照时间序列加载到仿真平台上，仿真平台通过仿真计算得到变矩器泵轮输入转矩、工作泵出口压力、转向泵出口压力、制动泵出口压力和散热泵出口压力，并通过这些仿真结果计算出路灯车总驱动转矩．总驱动转矩要求，根据本文提出的混合动力路灯车控制策略划分发动机的工作区域，在发动机和电机之间合理分配驱动转矩，整个工作循环发动机和电机工作情况的仿真结果．发动机转矩仅在经济燃油区域，不足的转矩或盈余动力均由电机来平衡，总的输出转矩刚好满足驱动转矩的需求．最终的仿真结果显示该控制策略使整机节油１１％左右．

　　　　本文详细阐述了同轴并联混合动力路灯车的载荷感知方案和控制策略，主要得出以下结论：（１）路灯车输出功率具有周期性急剧波动特性且能耗率较高，较适合应用混合动力技术解决其油耗高和排放重的问题．（２）混合动力路灯车的结构形式多种多样，要根据各种混合动力路灯车的结构特点分别制定相应控制策略．（３）载荷感知问题是制定同轴并联混合动力路灯车控制策略的关键，经比较本文选定转矩在线估计方案感知路灯车的载荷，并根据该载荷感知方案制定同轴并联混合动力路灯车的控制策略．（４）利用同轴并联混合动力路灯车的仿真平台验证了本文提出的控制策略的有效性，并取得约１１％的节油效果．http://www.13823423455.com/

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