混联式混合动力叉车能量管理策略研究

孙 骏，徐 回，胡 悦

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽，合肥 230009）

传统的内燃叉车以内燃机为主要动力，虽然动力性能佳，但是尾气排放和噪声对环境污染大。电动叉车虽然对环境污染较小，但是由于电池技术的限制，功率小，作业时间短。混合动力叉车结合了内燃叉车和电动叉车两者的优点，不仅保证了动力性，燃油经济性也得到了提高，并且减小了对环境的危害[1]。

混联式混合动力叉车是一种同时具有串联式混合动力叉车和并联式混合动力叉车特征的车辆，其内燃机和电机可以分别单独工作，或者共同工作，并且内燃机的机械能可以通过发电机转化为电能给电池组充电或供电机使用。混联式混合动力叉车含有3个动力单元：内燃机、牵引电机、油泵电机，它们的工作模式在混合动力叉车工作的过程中是动态变化的，因此混合动力叉车的运行特性较复杂，而且混合动力叉车包含了内燃机、电动机、电池等多个被控对象，控制难度较大。再者，混合动力叉车与混合动力汽车相比多了起升下降装置，工作模式变得复杂，能量管理的难度也随之加大。图1是一种混联式混合动力叉车系统方案图。叉车正常行驶时与汽车的控制策略类似，可以工作在内燃机单独驱动、电机单独驱动或者混合驱动3种模式下，实现对内燃机的最优控制，对电池的在线充电以及制动时的能量回收。而叉车处于作业状态时，需要内燃机单独或者与电机共同驱动液压泵工作，进行起升或者下降的动作，下降时候的势能可以进行回收。在行驶和作业的过程中，油泵电机都可以作为发电机给电池组充电。

1 基于模式分层的混联式混合动力叉车的控制策略

模式分层控制策略可以将叉车的工作模式按照不同的层次分为多个独立的工作模式及其子模式，各模式之间根据外界输入和叉车状态的改变而实现迁移。因此确定混合动力叉车所有的工作状态以及这些状态之间的转移条件至关重要。提出的混联式混合动力叉车的控制策略包括两部分：一部分是模式管理策略，模式管理策略依据当前整车各个部件运行的状态以及驾驶员的操作来决定叉车工作的最佳工作模式。另一部分是协调控制策略，协调控制策略依据混合动力叉车不同的工作模式计算内燃机、牵引电机、油泵电机所需求的转矩，并且控制制动时的能量回收。因此，混联式混合动力叉车工作模式的划分、模式管理策略和协调控制策略构成了混合动力叉车控制的基础。

1.1 混合动力叉车工作模式分层

根据图1所示的混联式混合动力叉车系统方案，确定了7种在实际作业中常出现的工作状态：轻载驱动、重载驱动（定义叉取的货物大于2 t时为重载）、怠速、轻载起升、重载起升、轻载下降、重载下降。混联式混合动力叉车的一个主要特征是能够实现在线充电的功能，电池是一个重要的被控对象，要求内燃机、牵引电机、油泵电机等关键部件在不同的电池荷电状态（State of Charge，SOC）水平下有不同的工作模式，因此基于电池充分发挥性能和最大使用寿命的原则，将SOC分为3个层次，混联式混合动力叉车就有了21个基本子模式。为了在实际叉车运行的过程中能够有效地实现这21个子模式的控制，采用分层决策的思想，将21个子模式分层。驱动模式、起升模式、下降模式控制量以及能量流动路径有很大的区别，定为3个一级子模式。在驱动模式中为了更好地控制内燃机，将怠速这一模式单独划分出来。各个模式又依据有无负载和SOC的状态逐级向下划分，达到能量的最优控制。具体的分层模式如图2所示。在混合动力叉车实际的作业过程中，控制策略根据驾驶员对驱动力、起升下降力以及制动力的需求、车辆当前状态、电池状态等条件来决定叉车的工作状态。

1.2 各模式能量管理

正常行驶模式下内燃机为主要的动力源，牵引电机作为辅助动力源使用，在较高的SOC水平下，它与内燃机联合驱动叉车行驶。牵引电机的工作点与SOC的值有关，当SOC处于0.8～1.0之间时，牵引电机在加速踏板行程大于0.5时开始工作，而在SOC处于0.3～0.8之间时，工作点提高到了0.6。在SOC处于0.3以下时，牵引电机停止工作，并且内燃机的油门开度只有踏板模拟量的一半，强制减小车速，及时提醒驾驶员应该停车充电。内燃机除了驱动叉车外，在轻载行驶和SOC低于0.8的情况下，拖动油泵电机给电池组充电，充电的程度依据SOC值的不同而不同，SOC高于0.3时，表征充电程度的充电系数为-0.05，SOC低于0.3时，此系数达到了-0.15。充电过程只有在电磁离合器闭合的状态才能进行，而电磁离合器只有在内燃机转速低于1 200 r/min时才闭合。在重载驱动模式中，需要大量的能量用于驱动，因此，内燃机不给电池组充电。

怠速模式下牵引电机不工作，加速踏板行程通常情况下较小，内燃机转速很低，但是为了能够在较低SOC水平下拖动油泵电机给电池组充电，在SOC低于0.8时，内燃机的转速自动提升至1 100 r/min。充电的程度与SOC的值相关，当SOC高于0.3时，充电系数为-0.1，而SOC低于0.3时，充电系数为-0.5。在充电的情况下，电磁离合器闭合。

起升模式下依据载荷情况分为轻载起升和重载起升，这两种模式下牵引电机都不工作。轻载起升时，内燃机一方面带动两个液压泵进行起升的动作，另一方面在SOC小于0.8时拖动油泵电机给电池组充电，充电系数在SOC大于0.3时为-0.1，小于0.3时为-0.2，充电过程中控制内燃机的转速小于1 200 r/min。电磁离合器始终处于闭合的状态。特别的是，在SOC小于0.3时，油门开度只有踏板量的一半，强制减小起升速度，提醒驾驶员应该停止工作。重载起升时，内燃机和油泵电机各带一个液压泵工作，油泵电机的转速与起升拉杆的开度近似成正比。因需要更多的能量进行起升的工作，内燃机不给泵电机充电，电磁离合器一直处于断开的状态。在SOC小于0.3时，强制减小节气门开度。

下降模式下牵引电机停止工作，此模式依据载荷情况同样可以分为轻载下降和重载下降。下降模式下，一般通过下降的势能来给电池组充电，并且此时的油门开度较小[13-14]。但是，轻载下降时，由于势能较小，仅仅依靠势能不足以给电池组充电，因此在SOC小于0.8的情况下，内燃机的转速被提升到1 100 r/min，电磁离合器闭合，内燃机拖动油泵电机给电池组充电。在SOC大于0.3时，充电系数为-0.1，SOC小于0.3时，充电系数为-0.5。在重载下降模式中，内燃机在SOC大于0.3时提供一定的动力，电磁离合器一直处于断开状态。电池组的充电依靠重物下降时液压泵反拖油泵电机实现这一过程。下降的快慢与下降拉杆的开度近似成正比。

1.3 协调控制策略

模式管理器确定了在不同的混合动力叉车工作状态的切换条件以及在特定的工作状态下各个部件的工作模式，输出的为节气门开度因子、电机工作点、充电系数、离合器开关状态，因此模式管理器不能完全直接地对能量进行控制，需要依靠协调控制器中的协调控制策略来进行转矩的分配，制动能量的回收。协调控制模块以加速踏板位置信号、制动踏板位置信号、节气门开度因子、内燃机转速、电机工作点、SOC为输入，输出为内燃机油门开度信号、电机占空比、机械制动信号。节气门开度因子作为权重与加速踏板信号一起决定油门开度的大小。在正常行驶时，节气门开度因子的值为1。需要强制减少车速时，此值为0.5。当怠速模式与轻载下降模式在中SOC状态下，此值为2，作为一个开关量切换到调节内燃机转速的PI控制系统实时的控制节气门开度，从而控制内燃机转速在1 100 r/min左右；电机占空比是表征电机在整个工作过程中所占有的比例，它依据电机工作点来进行换算。车辆减速制动或下坡时，电机运行在发电状态，将车辆的动能转化为电能储存在动力电池中，当需求的减速度大于电机所能提供的最大减速度时，不足部分由机械制动提供，共同完成减速停车。

2 仿真和结果分析

2.1 前向式混联式混合动力叉车系统建模

整个前向仿真模型是依据整车动力学，各个部件的工作原理以及能量在整个前向回路的流动状态，基于Matlab/Simulink仿真环境下建立的。前向式混联式混合动力叉车仿真系统包括驾驶员、整车控制器、内燃机、起升下降装置、油泵电机、牵引电机、电池、整车动力系统共8个模块，这8个模块又可以分为控制器、部件、动力系统和起升下降系统4个部分，其中最重要的为控制器。混合动力叉车的控制器具有分层结构，顶层为驾驶员的操作，中间层为整车控制器，底层为各个部件控制器。中间层的整车控制器依据顶层驾驶员的操作和整车动力系统以及各个部件的状态，根据混合动力叉车的控制策略，向底层部件控制器发出指令，由部件控制器对各个部件实行控制，并且返回整车控制器的模式管理策略和协调控制策略所需要的状态参数[15]。

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混联式混合动力叉车的模式管理器是以混合动力叉车的状态分类分层为基础的，状态切换过程具有离散事件的特征，因此整车控制器中的模式管理器仿真模型是基于Matlab/Stateflow建立的[15-16]。图3建立了模式管理器的Stateflow模型。当仿真开始执行时，所有的系统都进行初始化，默认的状态是正常行驶模式，随后依次判断转移条件是否满足从而执行相对应的状态转移。混联式混合动力叉车控制策略的控制参数有起升信号（Lift_signal）、负载信号（Load_signal）、方向开关信号（Direction_signal）、当前SOC。用形式语言来描述这4个参数，例如图3中起升信号（Lift_signal）可以区分为3个输入数据。（1）数据 CL1：Lift_signal＞ 0；（2）数据CL2：Lift_signal=0；（3）数据 CL3：Lift_signal＜ 0。这些输入数据构成了模式之间的迁移条件，例如进入中SOC状态下的轻载起升模式的路径为：首先激活正常行驶模式，判断起升信号大于0为真，迁移条件CL1生效，转入起升基本模式。随后判断迁移条件CLO1和CS2为真，进入指定模式。

在Simulink中构建的整车模型的仿真平台如图4所示，Stateflow模型生成的控制逻辑可以直接嵌入到Simulink中，实现数据流的传输与驱动。图中，最上方为循环工况模块，驾驶员模型（包括起升信号、负载信号、方向开关信号的给定）和整车控制器模型；中间为内燃机模块、传动系统模块以及整车动力学模块；最下方为起升下降装置模块、油泵电机模块、牵引电机模块以及电池模块（电池模块采用的是内阻模型）

2.2 仿真研究

为了验证分层式规则逻辑能量控制策略对于混联式混合动力叉车燃油经济性的影响，使用JB/T 3300—92中的能耗试验标准制定仿真循环工况，整个仿真时间为112 s，如图5所示，进行了仿真。整车参数见表1，另外内燃机额定功率为46.9 kW，电池的额定电压为80 V，容量为100 Ah。

图6是目标车速与最高车速的跟踪图，从图中可以看出跟踪效果很好，驾驶员模型中的PI控制发挥了很好的作用，能很好地反映真实的行驶状况。

表1 整车参数

图7是电池组初始SOC设定为0.7时，仿真循环中SOC变化的曲线图，反映了能量存储系统的工作状况。图8是内燃机的转速变化曲线图。图9是内燃机、牵引电机和油泵电机的功率曲线图，图中正值表示输出功率，负值表示吸收功率，反映了内燃机和电机在整个工作循环下的工作状况。从这3幅图中可以看出如下变化趋势。

（1）重载驱动（0～22 s和35～57 s），内燃机作为主要动力源，牵引电机提供辅助动力，在加速行驶时内燃机与牵引电机共同输出功率，减速和制动时牵引电机吸收功率给电池组充电，SOC值上升，由于牵引电机消耗电能，SOC值整体趋于下降。油泵电机在这个工况中不工作。

（2）重载起升（22～28 s），内燃机和油泵电机共同输出起升所需的功率，牵引电机不工作，此时没有多余的功率可以吸收，油泵电机消耗电能SOC值下降。

（3）重载下降（28～35 s），油泵电机吸收重物下降时的势能，给电池组充电，SOC值上升。此时牵引电机不工作。

（4）轻载驱动（57～78 s和91～112 s）,内燃机和牵引电机共同提供行驶功率，当内燃机转速低于1 200 r/min时，电磁离合器吸合，内燃机拖动油泵电机给电池组充电，SOC值有上升的过程，但总体呈下降趋势。

（5）轻载起升（78～84 s），内燃机输出起升所需的功率，并且将富余的功率用于拖动油泵电机给电池组充电，SOC呈上升趋势，牵引电机不工作。

（6）轻载下降（84～91 s），内燃机转速小于1 200 r/min时，电磁离合器吸合，内燃机拖动油泵电机给电池组充电，牵引电 机不工作，SOC有上升的趋势。

整个循环过程中牵引电机起到了削峰填谷的作用，油泵电机发挥了发电机的作用，实现了对电池组的充电，内燃机大部分的时间都工作在最优工作区，说明制定的控制策略能够有效控制内燃机运行在高效率区域。SOC有明显的上升过程，实现了在线充电的功能。仿真112 s结束后，SOC从初始值0.7变化到0.682 8，可以计算出在该工况下，每小时耗电量为55.29 Ah。与此同时循环过程中叉车所消耗的燃油量为7.18 L/h，而传统内燃叉车所消耗的燃油量为12.98 L/h，混合动力叉车燃油消耗量比传统内燃叉车减少了5.80 L/h，但是混合动力叉车比内燃叉车消耗了更多的电量，从广义油耗（即将耗电量折算成燃油消耗量后与内燃机实际的燃油消耗量相加后得到的油耗量）的角度出发，依据能量守恒的换算关系，计算出总的燃油消耗量为8.90 L/h，节油率为31.4%。

动力性仿真是在目标车速提高2倍之后测得的，整个循环过程中，满载最高车速为17.74 km/h，空载最高车速为18.31 km/h，这两项指标均满足了设计值，说明提出的分层式逻辑规则能量管理控制策略保证了叉车的动力性。

3 结论

本文根据混联式混合动力叉车的系统结构及其能量流动的规律，提出了分层式逻辑规则能量管理控制策略，将混合动力叉车复杂的控制逻辑分层划分，确定了3级共21个模式，利用负载信号，起升下降信号，方向开关信号，SOC信号实现了模式之间的迁移。在Matlab/Simulink仿真环境下，以前向式混联式混合动力叉车的整车模型为仿真平台，基于有限状态机形式语言在Matlab/Stateflow软件环境下设计了混联式混合动力叉车分层式逻辑规则能量管理控制策略仿真模型。基于JB/T 3300—92循环工况进行了仿真试验，试验结果表明提出的控制策略有效提高了混合动力叉车的燃油经济性，并且保证了混合动力叉车的动力性。

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