同步碎石封層車增程電驅動混合動力系統設計研究

李志勇，蘇銀松，李忠玉，左獻寶，徐信芯

（1.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，西安710064；2.河南省高遠公路養護技術有限公司，新鄉453000）

0 概述

根據中國交通運輸部數據統計顯示，中國公路養護比例逐年增加，截止到2020年，公路養護比例已經高達98.8%，養護裝備需求激增。2020年中國正式提出碳中和遠景目標，此后“雙碳”目標升級為國家戰略，在“雙碳”戰略推動下，中國汽車產業新能源化整體進程明顯提速。為實現節能減排的目的，混合動力逐步受到關注。迄今為止，混合動力汽車已經被證明是最經濟可行的選擇，其使用比電動車更小的電池組，與傳統汽車相似，是達到非常高的燃油經濟性和非常低的排放的最實際的解決方案［1-4］。公路養護裝備與乘用車不同，公路養護裝備基本功能除了行駛外還有道路養護作業，在引入電驅動時，需同時考慮基本的行駛功能及工作工況［5］。同步碎石封層車作為同步碎石封層技術中的專用設備，在公路養護方面發揮著巨大作用［6-9］。同步碎石封層車是典型的循環式作業類工程機械，在撒布作業和轉場運輸時負荷和速度相差較大。目前應用在公路養護中的同步碎石封層車的動力源為柴油機，針對速度和負荷變化較大的循環工況，無法保證發動機時刻工作在高效率區，發動機長期處于調速段，工作點一直變動且分散在各個區域，造成能源浪費［10-11］。使用混合動力裝置時，電動機發揮“削峰填谷”的作用，可以保持發動機在性能最佳的區域工作，改善發動機性能［12-13］。參照混合動力汽車和混合動力工程機械車輛，提出一種油電混合動力同步碎石封層車設計思想，保留原有的底盤裝置，底盤仍然采用發動機，上裝部分采用電機加電池的電驅動［14-15］。針對同步碎石封層車周期循環特點，本文中設計了混合動力同步碎石封層車，對其發動機工作模式與能源管理系統進行研究，改善發動機性能，提高燃油經濟性，減少污染物排放。

1 同步碎石封層車增程電驅動系統結構設計

同步碎石封層車在料場裝滿碎石和瀝青，并將瀝青加熱到設定溫度供后續使用。為保證精準完成封層作業，撒布桿和撒布器根據封層作業需求調整相應參數，皮帶輸料機向撒布器內輸料，同步碎石封層車行駛至作業地點后，以恒定速度進行撒布作業，為保證瀝青和碎石的粘結，作業速度較低。同步碎石封層車在完成封層作業后返回料場，重復滿載運輸—封層作業—空載返回這一循環行駛工況。傳統的同步碎石封層車動力源為發動機。除了同步碎石封層車速度和負荷變化較大導致的整個系統動力性和燃油經濟性不夠高以外，傳統同步碎石封層車多采用液壓傳動系統，對工作部件的精密度要求高于電傳動和機械傳動，從而增加了整車的成本。對于沒有供料車配合的間斷型同步碎石封層車，因液壓穩態傳動效率較低，不適宜行駛較長距離，無法保證同步碎石封層車長時間連續工作，工作效率較低。同步碎石封層車混動系統結構見圖1，底盤采用串聯式混合動力系統，工作裝置能量由動力電池組提供，采用多電機并聯驅動瀝青泵、導熱油泵、撒布滾筒、螺旋分料器。其中，系統的核心為整車控制器（vehicle control unit，VCU），發動機發電機組也稱為輔助動力單元（auxiliary power unit，APU）。在滿載運輸工況中，整車需求能量較大，采用發動機和電池組共同作為能量源。在車輛空載返回和封層作業時，若動力電池組電量充足則采用電池組單獨驅動，電池電量匱乏時發動機與電池組共同為同步碎石封層車提供能量，同時將多余的能量回收到電池組中。相比傳統同步碎石封層車，混動同步碎石封層車減少了液壓傳動中一些零件，使結構更簡單，布局更靈活，提高了傳動效率。

圖1 混動同步碎石封層車系統結構

2 增程混動系統參數匹配設計與分析

2.1 同步碎石封層車工況分析

混動同步碎石封層車作業循環分為裝料準備階段、滿料運輸階段、封層作業階段、空載返回階段4個階段，其中后3 個階段為行駛工況同步碎石封層車在一個工作循環內的行駛速度和負荷曲線如圖2所示。滿料運輸階段整車質量為52 540 kg，設定速度為60 km/h；封層作業階段，整車質量由52 540 kg降至25 540 kg，作業速度勻速不變，設為5 km/h；空載返回階段，整車質量為25 540 kg，速度比滿載略高，設定為70 km/h。

圖2 同步碎石封層車負荷—速度曲線

2.2 同步碎石封層車增程混動系統參數匹配設計

通過對同步碎石封層車工況分析，采用負荷和速度設定相應的動力驅動模式；然后根據原同步碎石封層車設定改造后的整車性能指標，基于整車動力性要求，計算混動同步碎石封層車最大需求功率，對動力元件進行參數匹配與選型；最后校核動力性能是否符合混動同步碎石封層車動力性能指標?？紤]到發動機在電池組電量不足時為整車提供能量，返回速度按最高速度90 km/h 計算，同步碎石封層車空載質量mno_load為25 540 kg。計算混動同步碎石封層車在空載返回時所需最大功率Pre為242 kW，考慮到能量轉換造成的損耗，發動機選擇玉柴YC6M390—30，其性能參數如表1 所示。

表1 YC6M390—30 發動機參數

YC6M390—30 發動機萬有特性如圖3 所示，發動機的最大功率為288 kW，混動同步碎石封層車工作轉速范圍位于1 150 r/min～1 450 r/min 之間時燃油消耗率最低。

圖3 YC6M390—30 發動機萬有特性

3 增程混動系統發動機工作模式研究

3.1 同步碎石封層車增程混合驅動模式

混動同步碎石封層車在滿料運輸時，整車的需求功率較大，采用混合驅動模式，將工作模式設定至發動機高效區來提高燃油經濟性，并且由發動機與電池同時為同步碎石封層車提供能源，保證其可以正常工作，能量流向如圖4 所示?；靹油剿槭鈱榆囼寗酉到y能量流動關系見式（1）和式（2）。

圖4 混動同步碎石封層車混合驅動模式示意圖

式中，Pm、PGen、Pb分別為同步碎石封層車行駛電機、發電機、動力電池組的輸出功率，kW；ηm、ηGen分別為行駛電機、發電機的效率，%。

3.2 同步碎石封層車增程混動系統控制單元設計

混動同步碎石封層車整車控制結構如圖5 所示，整車控制結構由控制頂層、協同層、執行層三部分組成。從圖5 可以看出各個控制單元的作用：操作員根據實時路況和當前同步碎石封層車工況模式踩踏油門或者剎車踏板，在控制頂層中計算出同步碎石封層車當下需求轉矩；協同層根據控制頂層計算結果，控制不同動力元件的狀態，對動力元件發出指令以配合同步碎石封層車在不同工況中的需求，除此之外協同層還根據執行層回饋的信息對其進行控制，如電池電量低于下限值時關閉電池，不允許其繼續放電；執行層則是根據上一層中的同步碎石封層車控制器發出的信號來完成相應的開啟和調整，滿足同步碎石封層車在不同工況的能量需求。

圖5 混動同步碎石封層車整車控制結構示意圖

為保證發動機可以工作在最優區域，避免長期處于調速階段，結合發動機萬有特性曲線，在滿足同步碎石封層車功率需求的前提下，通常在發動機工作高效區內設置兩個能滿足同步碎石封層車功率需求的工作點。不同的發動機萬有特性圖發動機工作高效區形狀可能不同，常采用恒轉速和恒轉矩原則選用工作點式，原理圖如圖6 所示。當發動機燃油高效區的長軸為水平方向時選用恒轉矩控制，選擇根據同步碎石封層車轉速需求來設置A1B1這條直線上的任意兩個點作為工作點，A1B1直線也可根據同步碎石封層車需求功率上下平移；若發動機燃油高效區的長軸為垂直方向時選用恒轉速控制，選擇根據同步碎石封層車轉矩需求來設置A2B2這條直線上的任意兩個點作為工作點，A2B2直線也可根據同步碎石封層車需求功率左右平移。

圖6 發動機雙工作點原理圖

3.3 增程混動系統能源管理系統研究

結合發動機工作模式分析，對同步碎石封層車增程混動系統能源管理系統進行研究?；靹油剿槭鈱榆囁璋l動機的峰值功率為248.88 kW，結合YC6M390—30 發動機萬有特性圖可知，最優工作區域的長軸為垂直方向，則采用恒轉速控制。在滿足發動機峰值功率的基礎上，為保證混動同步碎石封層車的經濟性能，盡量選取比油耗值較小的工作模式。結合YC6M390—30 發動機萬有特性圖，選取恒定轉速為1 400 r/min，功率分別為249 kW、192 kW、147 kW的A（高負荷）、B（中負荷）、C（低負荷）3 個工作點，其參數如表2 所示，圖7 為工作點分布位置。

圖7 YC6M390—30 發動機3 個工作點的分布

表2 混動同步碎石封層車發動機3 個工作點參數

為避免電池過度充放電及保證電池電量（state of charge，SOC）下限值能為同步碎石封層車加速和爬坡提供足夠能量，控制混動同步碎石封層車發動機起停的電池SOC 上下限值分別為0.85、0.30。此外，發動機的工作模式可由整車需求功率進行有效判斷。圖8 為混動同步碎石封層車發動機3 種工作模式間切換的詳細說明，以此設計增程式車輛發動機和輔助能量源間的能源管理策略。撒布作業模式下，當SOC 大于0.30 時采用動力電池組單獨驅動；當SOC 小于0.30 時發動機起動，在C 點工作，設定為行車充電模式，將多余的能量回收到電池組。滿載運輸模式功率需求量較大，設定為混合驅動模式，當SOC 大于0.30 且需求功率P大于工作點B 功率PB時，發動機工作在B 點，反之工作在C 點；當SOC 小于0.30 時，發動機單獨工作在A 點?？蛰d返回模式下，此工作階段功率需求遠小于發動機設定的工作點，設定為行車充電模式。當SOC 大小0.30 時采用動力電池單獨驅動；當需求功率P大于工作點C 的功率PC時發動機工作在B 點，多余的能量儲存在電池里，而需求功率小于PC時發動機工作在C 點。為避免發動機頻繁起停，當蓄電池SOC 達到0.85 時，再由電池組單獨驅動。

圖8 混動同步碎石封層車發動機工作模式切換邏輯

4 同步碎石封層車增程混動系統仿真研究

在對同步碎石封層車混合動力系統結構設計及參數匹配研究的基礎上搭建如圖9 所示的整車性能仿真平臺，仿真模型的發動機和電動機根據實際廠家給出的參數進行建模，模型的精度誤差不超過工程允許應用的10%。

圖9 同步碎石封層車混合動力系統仿真模型

為驗證同步碎石封層車增程混動系統能源管理系統的可行性與合理性，在自定義的同步碎石封層車工況中進行仿真，對電池電量和發動機工作模式切換情況進行分析，如圖10 所示。圖中滿載運輸工況混動同步碎石封層車處于混合驅動模式，設置電池電量SOC 初始值為其上限值（0.85），發動機的工作模式隨需求功率不斷變化。在滿載運輸工況下，電池SOC 由0.85 降到0.58。在撒布作業工況，SOC 大于SOC 下限，混動同步碎石封層車處于純電動模式，此工況行駛速度為5 km/h，需求能量較小，且整車質量逐漸減小，電池消耗較小，SOC 由0.58 降到0.48?？蛰d返回工況下開始時電池SOC大于SOC 下限，混動同步碎石封層車為純電驅動模式；當SOC 降到0.30 時進入行車充電模式，發動機起動以補充車輛行駛能量，并將多余能量回收到動力電池組。

圖10 SOC 變化及發動機工作點切換曲線

根據設定的同步碎石封層車行駛工況對其進行燃油經濟性仿真分析與對比，混動同步碎石封層車在一個行駛工況內的車速、行駛里程及加速度如圖11 所示。

圖11 混動同步碎石封層車循環工況

圖12 為傳統同步碎石封層車與混動同步碎石封層車在一個行駛工況內發動機轉速、轉矩及燃油消耗率對比曲線。從圖中可以看出，由于混動同步碎石封層車發動機和行駛系統機械解耦，和車輪之間沒有直接的機械聯系，外負荷的變化不會造成發動機的波動，發動機在最佳范圍內工作，提高了整車經濟性。

圖12 同步碎石封層車輸出特性對比曲線

傳統同步碎石封層車和混動同步碎石封層車燃油消耗量對比如圖13 所示。在4 個工作循環中，傳統同步碎石封層車燃油消耗量為85.22 L，混動同步碎石封層車燃油消耗量為64.16 L，改造后的混動同步碎石封層車節油率為24.7%，可見相比傳統同步碎石封層車，在合理的動力參數匹配和能源管理系統配合下混動同步碎石封層車經濟性能得到了較大改善。

圖13 同步碎石封層車累積燃油消耗量對比

5 結論

（1）能源管理策略仿真顯示混合同步碎石封層車發動機能夠在各工作點之間進行良好切換，制動能量得到了有效的回收，能量回收率為20.34%。

（2）對比傳統同步碎石封層車發動機轉速、轉矩及燃油消耗率變化曲線，混動同步碎石封層車的發動機可以一直工作在最佳范圍內，波動較小。同時，4 個循環工況內的燃油消耗量相比傳統同步碎石封層車降低了24.7%，經濟性能得到了較大改善。