0 引言
我国传统双发动机洗扫车排放差、噪声大，对环境的污染比较严重。目前，我国对节能环保的要求越来越高，对洗扫车市场的需求越来越大，传统洗扫车已不能满足现在市场的需求。同时，由于洗扫车满载质量比较大，现有的动力电池技术不够成熟，故能够满足道路洗扫要求的动力电池和电机等部件比较大，成本比较高。因此发展混合动力洗扫车十分必要[1]。
混合动力环卫洗扫车与普通混合动力车辆在使用环境、运行工况、负载特性等方面都存在较大差异。目前，我国对混合动力汽车能量管理策略进行了大量研究[2-5]，但在环卫洗扫车领域研究相对较少。文献[6]对增程式电动环卫车动力系统进行了匹配，并对环卫车能量管理策略中的功率流进行了研究；文献[7]针对单轴混合动力环卫垃圾车进行了研究，仅实现垃圾运输、倾倒，功能单一，不能满足清扫、冲洗、抽洗等多功能环卫车的需求；文献[8]采用并联式混合动力环卫车，通过设计动力耦合装置实现模式的切换，但是该结构在洗扫工况时，不易实现洗扫装置与行走装置洗扫作业时的动力解耦，容易对清洁效果产生影响。
本文以增程式混合动力洗扫车为研究对象，结合采集的本地作业工况，建立了混合动力系统的数学模型，提出了一种基于发动机转速模糊PID+电池下垂控制的动态协调的能量管理策略。
1 混合动力系统结构及数学模型
1.1 混合动力系统结构
针对混合动力环卫洗扫车工况特点，采用增程式混合动力系统方案，如图1所示，发动机输出的动力没有和行驶负载直接连接，因此可以实现发动机的输出与行驶负载解耦，能够很好地实现动力分配，保证发动机为洗扫作业系统提供比较平稳的转速，提高清扫效率。
1.发动机 2.离合器 3.分动器 4.洗扫部件
5.ISG电机 6.动力电池 7.驱动电机 8.DC/DC变换器
图1 增程式混合动力洗扫车系统结构图
Fig.1 Extended program hybrid cleaning vehicle
system structure
在系统中，发动机产生的动力经过分动器，分别用于驱动洗扫工作装置和ISG电机发电；ISG电机通过直流母线与动力电池和驱动电机连接，起到启动发电一体化的作用；动力总成由电池能源系统提供电能，通过电机控制器调整牵引电动机的输出特性，控制其正向或反向运转。
本文基于典型洗扫作业工况建立混合动力洗扫车的数学模型，并对控制策略进行设计。
1.2 系统数学模型
(1)发动机模型。在发动机稳态工作过程中，发动机功率和燃油消耗量受转矩和转速的影响。瞬时驱动转矩与瞬时功率的关系为
(1)
式中，Pice (t) 为瞬时功率，kW；Tice(t)为发动机的瞬时驱动转矩，N·m；nice (t)为发动机瞬时转速，r/min。
瞬时驱动转矩与瞬时燃油消耗量的关系为
(2)
式中，Qice (t)为发动机的瞬时燃油消耗量，L；bice(t)为燃油消耗率，g/(kW·h)；u(t)为行驶车速，km/h；ρ为燃油密度，kg/L；g为重力加速度，本文取9.8 m/s2。
(2)电机模型。发电机与发动机机械连接，又作为机械能与电能转换的单元，发电机转子端转矩、转速受控制器端输出直流电压和电流的影响，有
(3)
电动模式和发电模式时母线端通过的电流
(4)
式中，Um为系统直流母线电压，V；im为系统直流母线电流，A；q=ch,dis,当q=ch时
为ISG电机充电效率；当q=dis时
为ISG电机放电效率；Tisg(t)为ISG电机瞬时驱动输出转矩，N·m；nisg(t)为ISG电机瞬时转速，r/min。
ISG电机外特性曲线如图2所示。
图2 ISG电机外特性曲线图
Fig.2 ISG motor external characteristic curve
(3)电池模型。采用电池内阻建立电池模型：
(5)
式中，Ub,oc为开路电压，V；Nb为电池组中单体电池串联数；Ub,VOC(SSOC)为单体电池的开路电压，V；Rb为电池等效电阻，Ω；Rb,R(SSOC)为单体电池的开路电阻，Ω；SSOC，0为电池初始荷电状态；Ct为电池可用容量；ib为充放电电流，A；Eb为电池端电压，V。
2 能量管理控制策略的设计
能量管理控制策略包括稳态能量管理策略设计和动态协调控制。稳态能量管理策略是以满足功率需求、提高系统电池有效储备功率为目标，解决混合动力系统各部件在该时刻下的运行状态的功率分配和模式切换问题的一种能量管理方式[9-10]；动态协调控制是基于动态过程平稳控制的原则，使各部件按照能量管理策略制定的混合动力系统工作模式运行。能量管理控制策略设计见图3。
图3 能量管理控制策略设计简图
Fig.3 Energy management control strategy
design diagram
2.1 稳态能量管理策略设计
混合动力车辆的能量管理策略以燃油消耗最小为目标。本文基于规则的控制策略，制定了混合动力系统的功率分配规则，以防止电池的过充过放。
数学表达式为
SSOC,low<SSOC(t)<SSOC,high
(6)
式中，SSOC,high、SSOC,low分别为电池允许充放电时的荷电状态上限、下限。
电池的荷电状态SOC分为3区域：低SOC区(SSOC<40%)，正常SOC区(40%～80%)，高SOC区(SSOC>80%)。当SSOC>SSOC，high时，限制充电，只允许放电；当SSOC<SSOC，low时，限制放电，只允许充电。
整车需求功率包括洗扫系统和行驶系统需求功率，为了表示功率需求的分配情况(表1)，引入一个参考量ε来描述发动机的工作情况，定义如下：
Preq=Psweep+Prun
(7)
ε=Psweep/Pice
(8)
式中，Psweep为发动机用于洗扫时的功率，kW；Preq为整车需求功率，kW；Prun为行驶系统需求功率，kW。
表1 功率分配表
Tab.1 Power allocation table
模式SOC油门开度γ功率mode1SSOC>SSOC,low0<γ≤γ1Preq=Psweep+PrunPsweep=0Prun=Pemmode2SSOC>SSOC,highγ1<γ≤γ2Preq=Psweep+PrunPsweep=PicePrun=Pemmode3SSOC,low ≤SSOC≤SSOC,highγ2<γ≤γ3Pice=Psweep+PisgPisg=εPicePrun=Preq-Psweepmode4SSOC
注：Pem为驱动电机功率，kW。
系统功率分配情况：
(9)
式中，Pisg为ISG电机功率，kW；Pb为电池功率，kW；γ为发动机油门开度，本文根据经验值进行区间划分，区间值选取为γ1=12%、γ2=25%、γ3=52%、γ4=75%。
(1)mode1：当油门踏板开度为0<γ≤γ1时，Psweep=0，即发动机输出到洗扫功率为0，发动机在油门开度为0～γ1区间内通过ISG电机启动发动机，为发动机起步阶段，电池用于ISG电机启动发动机，电池满足SSOC>SSOC,low。
(2)mode2：当油门踏板开度为γ1<γ≤γ2时，控制器根据车速、踏板开度、电池荷电状态分配电机和发动机的功率需求，其行驶负载功率由驱动电机提供，洗扫负载功率来自发动机，电池满足SSOC>SSOC,high。
(3)mode3：当油门踏板开度为γ2<γ≤γ3时，驱动电机不足以满足驱动行驶功率，由发动机通过ISG电机，直接通过电传动作用于驱动电机，不经过储能装置，发动机一部分功率用于提供洗扫负载需求功率，一部分用于驱动行驶车辆需求负载功率，此阶段为发动机在洗扫和驱动车辆间进行功率分配，电池满足SSOC,low ≤SSOC≤SSOC,high。
(4)mode4：当油门踏板开度为γ3<γ≤γ4时，电池荷电状态低于自己设定的最低下限值，由发动机通过ISG电机为电池充电，发动机一部分功率用于提供洗扫负载需求功率，一部分用于电池充电功率，电池满足SSOC<SSOC,low。
2.2 动态协调控制设计
根据整车稳态目标功率分配控制策略确定稳态目标功率，但由于发动机和电机动态响应特性的不同，使得发动机和电池的实际功率不能按照分配好的稳态目标值进行精确变化，导致发动机输出功率不在设定的最优工作曲线上[11]。当发动机转速控制器和DC/DC变换器功率控制器之间没有耦合关系时，可实现发动机转速控制和发电机、DC/DC变换器发电系统的解耦控制。本文动态协调中，发动机采用转速模糊PID控制使整车保持相对稳定的状态，动力电池采用下垂控制[12-13]，抑制功率波动，保证充放电的可靠性，协调控制的总原理见图4。
图4 协调控制原理图
Fig.4 Schematic diagram of coordinated control
由图4可知，协调控制主要由发动机转速协调控制和电池功率协调控制两部分组成。根据洗扫车行驶负载需求功率和洗扫需求功率，一部分计算出发动机的需求功率，依据发动机转速查表求出发动机目标转速，通过模糊PID控制发动机的转速；另一部分计算行驶负载需求，根据电池荷电状态确定电池的功率，根据电池电压查表得到稳态目标电压Eb，经过电压控制器和电流控制器调节输出信号db，并传输给DC/DC变换器，变换器中脉宽调制(PWM)信号对变换器中开关器件的通断进行控制，从而改变输出电压的大小，进而改变功率的大小。
2.2.1 发动机转速协调控制
发动机协调控制中采用转速模糊PID控制策略，发动机转速模糊PID闭环控制如图5所示。
图5 发动机转速模糊PID控制
Fig.5 Engine speed fuzzy PID control
模糊控制器的输入为发动机的实际转速和目标转速之差e及其变化率ec。通过模糊推理得到动态的PID控制参数ΔkP、ΔkI、ΔkD。模糊控制器的输入量、输出量的模糊子集设为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},子集元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
隶属度函数采用对称隶属函数，输入量、输出量隶属度函数见图6。
图6 隶属度函数
Fig.6 Membership function
在洗扫车作业工况下，发动机控制易受负荷变化或干扰因素的影响，驾驶员需要根据路面情况对洗扫负载转速进行调节以获得良好的清扫效率和工作效率，因此洗扫车进行清扫工作时，必须对发动机的转速进行闭环控制，以达到需求的稳定负载转速。
期望转速与实际转速的误差及误差变化率为
e(k)=nopt(k)-nact(k)
(10)
ec(k)=e(k)-e(k-1)
(11)
式中，nopt(k)为发动机目标转速，r/min；nact(k)为发动机实际转速，r/min；e(k-1)为前一时刻发动机转速误差值。
PID参数满足模糊修正关系：
(12)
式中，kP0、kI0、kD0为PID控制器初始参数；kP、kI、kD为整定后PID控制器的参数。
PID的离散控制算法为
(13)
式中，T为采样周期。
选取发动机工作转速时，由稳态确定的转速点采用多工作点转速切换方式，根据车辆的行驶需求功率，对应得到满足要求的发动机转速和汽车需求功率。
2.2.2 电池功率协调控制
需求功率由发动机和电池两部分动力源提供，在动态过程中对功率波动修正为
Preq=Popt+ΔP=f(γ,nice,im)+f(dUm/dt)
(14)
式中，Popt为整车目标功率，kW；ΔP为功率变化量。
发动机采用转速控制，由发动机转速和功率的关系得到发动机转速和电压电流的关系：
(15)
(16)
(17)
式中，Ke为等效电动势系数；KX为等效阻抗系数；Ug为母线电压参考值，V。
联立式(15)～ 式(17)得到发动机的转速和母线电压的关系：
(18)
由式(18)可知，发动机转速与母线电压和电机功率有关，当出现功率波动，不能按照原先设定的功率分配时，可以调节电压的大小以抑制功率波动。
母线电压的控制通过对电池系统下垂控制进行，根据负荷功率需求自动调整输出功率以确保母线电压稳定。控制计算如下：
(19)
式中，ψdc为下垂系数；ib_ref为电池电流参考值；Udc_max为DC/DC电压上限；Udc_min为DC/DC电压下限。
由电压和电流的下垂函数关系确定电压的传递函数，母线电压与ISG电机和发动机传递函数如下：
(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)
联立式(20)～ 式(23)消去ib_ref得
C(s)=(R(s)-Um)·
(24)
式中，C(s)为输出转速的传递函数；R(s)为输入电池电压的传递函数；G1(s)为电压环PI控制器的传递函数；G2(s)为电流环PI控制器的传递函数；Gi(s)为DC/DC控制器的电流传递函数；Gu(s)为DC/DC控制器的电压传递函数；Gisg(s)为ISG电机的传递函数；Gice(s)为发动机的传递函数。
电压外环电流内环控制见图7。当出现功率波动时，电压和电流会影响发动机的转速控制，通过控制电流电压可抑制功率波动。当母线电压小于稳态电压时，需求功率不足以支撑需求动力，动力电池通过放电输出功率弥补动力不足，通过调节电压电流，进而平衡功率波动；反之通过调节电压电流使发动机给电池充电释放富裕功率，使发动机转速稳定。
3 仿真分析
在AVL-CRUISE中建立增程式混合动力洗扫车系统模型，如图8所示。该模型利用AVL-CRUISE软件中分层建模的功能，实现洗扫车转场工况和洗扫工况下的模式切换。本文在设置计算任务时，为洗扫工况添加采集的本地洗扫作业工况，该工况是结合本地城区，选择当地特定的传统洗扫车进行洗扫作业工况实验时的数据。该工作路线为城区的某一洗扫路段，选择的实验时间为早上6:00至7:00，尽量避开城市早高峰拥堵时间段，减小行人对车辆运行的影响。一个运行工况时间为2 110 s，选择4个运行工况，进行仿真模拟，整车参数和动力部件参数如表2、表3所示。
图7 电压外环电流内环控制框图
Fig.7 Voltage outer loop current inner loop control block diagram
图8 增程式混合动力洗扫车联合仿真模型
Fig.8 Combined simulation model of extended-program hybrid cleaning vehicle
表2 整车基本参数
Tab.2 Basic parameters of the whole vehicle
序号名称参数1满载总质量(kg)16 0002整车整备质量(kg)11 6503超载系数1.34空气阻力系数0.75迎风面积(m2)7.426车轮半径(m)0.5127滚动阻力系数0.0148机械传动效率0.959主减速比5.57
表3 动力部件主要参数
Tab.3 Main parameters of power components
部件参数数值发动机最大功率(kW)220转速范围(r/min)700～2 500最大转矩(N·m)800发电机电压等级(V)320额定功率(kW)46.6最高转速(r/min)5 000最大转矩(N·m)240动力电池单体电压(V)3.7串联数Nb105电池初始荷电状态SSOC,050%总能量值(kW·h)60驱动电机峰值功率(kW)200额定功率(kW)100额定转速(r/min)1 910最高转速(r/min)5 000额定转矩(N·m)511
洗扫工况的行驶车速仿真曲线见图9，可以看出，实际车速能够实时跟踪目标车速，说明车辆能够达到所需的动力要求，控制良好。
图9 洗扫工况下行驶车速曲线
Fig.9 Driving speed curve under sweeping conditions
洗扫循环工况下动力电池的仿真曲线见图10，本文设置了4个循环工况，电池初始荷电状态值SSOC，0设置为50%。从图10a中可以看出，SOC值在电池电量消耗过程中有轻微波动，这是因为洗扫车在制动时能量有所回收，但是洗扫工况下车速比较低，制动能量回收有限；整个洗扫工况中，当SOC值下降到40%时，SOC值开始上升，最后到80%时SOC值不再上升，与所设计的控制策略相符，达到了设计的效果，保护了电池，防止了过冲过放的现象。运行6 114 s之后SOC值开始上升是因为在SOC值下降到40%后，整车控制器会根据SOC值的多少给发动机和发电机发出指令，ISG电机开启，为电池充电。因此在6 114 s之前，电流小于0，为负值，说明电池一直处在放电状态，在6 114 s之后电流大于0，为电池充电。图10b为电池的充放电功率，可以看出充放电功率的波动较小，控制比较好。
(a)动力电池参数随时间的变化
(b)动力电池充放电功率随时间的变化
图10 洗扫循环工况下动力电池的仿真曲线
Fig.10 Simulation curve of the power battery under
sweeping conditions
(a)发动机转速模糊PID控制效果
(b)洗扫部件转速
图11 洗扫工况下转速闭环控制曲线
Fig.11 Speed closed loop control curve under
sweeping conditions
洗扫循环工况下转速闭环控制曲线见图11。从图11a中可以看出，发动机在清扫模式下处于两个恒定转速工作，即发动机双工作点，在启动时发动机转速从零变化到目标转速2 050 r/min，用时5 s左右达到稳定转速，并且超调量很小，稳态误差基本没有，表明本仿真设计的PID控制器调速效果良好。在发动机运行6 114 s时，发动机转速出现先降低后升高的现象，这是因为此时模式切换，离合器结合瞬间，ISG电机转速由540 r/min突然增加至1 953 r/min，发动机转速由2 050 r/min下降至1 953 r/min，由于机械惯性速度会继续增大直至稳定，到达发动机稳定转速2 000 r/min。图11b为洗扫部件的转速曲线，可以看出基本稳定，说明发动机转速闭环控制良好，能够保证清扫效率。
整个洗扫工况下，驱动电机提供的输出转矩如图12所示，可以看出，驱动电机提供的输出转矩相对比较稳定，满足了洗扫车行驶时的特性要求，验证了控制策略的正确性。
图12 洗扫工况下驱动电机的输出转矩
Fig.12 Output torque of the drive motor under
sweeping conditions
洗扫工况下累计油耗对比结果如图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，这是因为发动机不仅要提供洗扫部件的需求功率，还要在洗扫工况下通过ISG电机为电池充电。
图13 洗扫工况下累计油耗对比
Fig.13 Comparison of cumulative fuel consumption
under sweeping conditions
表4所示为整车综合油耗对比结果，可以看出整车的燃油消耗与传统双发动机洗扫车相比得到了很好的改善，转场模式节油率达到17.7%，洗扫模式节油率达到37.1%。
表4 整车综合油耗对比
Tab.4 Comparison of overall fuel consumption of
the whole vehicle
项目作业模式转场油耗L/100km洗扫油耗L/h传统双发动机1822.6未采用控制策略混合动力系统1616采用控制策略混合动力系统14.814.2
4 结论
(1)针对增程式混合动力洗扫车动态协调控制策略,提出了基于发动机转速闭环控制策略，经仿真验证，发动机转速输出比较平稳，模式切换时波动较小，保证了洗扫时输出转速的平稳性。
(2)提出了功率协调控制策略，经仿真验证，充放电功率比较稳定，电压能够控制在一定范围内，达到平衡功率波动的目的。
(3)基于AVL-CRUISE和Simulink搭建了增程式混合动力洗扫车联合仿真平台，从仿真结果来看，仿真车速能较好地跟踪目标工况车速，所设计的控制策略能够满足转场运输和清扫工作的要求，转场模式节油率达到17.7%，洗扫模式节油率达到37.1%。
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