潘明1，嚴(yán)駿1，涂群章1，丁喬2

　　（1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007；2. 中國(guó)人民解放軍63607部隊(duì)， 甘肅 蘭州 732750）

       摘要：針對(duì)包含發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組、電池組和超級(jí)電容3個(gè)能量源的履帶式電傳動(dòng)推土機(jī)，首先，分析了履帶推土機(jī)典型作業(yè)工況的電能需求；其次，根據(jù)3個(gè)能量源各自的輸出特性，設(shè)計(jì)了基于小波變換與模糊規(guī)則的多能源管理策略；最后，通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了電傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的多能源管理策略可以快速響應(yīng)推土作業(yè)時(shí)的能量需求，能夠?qū)﹄妭鲃?dòng)推土機(jī)的能量分配進(jìn)行實(shí)時(shí)有效控制。

　　關(guān)鍵詞：履帶推土機(jī)；電傳動(dòng)；小波變換；模糊控制

　　0引言

　　電傳動(dòng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械、港口起重機(jī)械等領(lǐng)域。作為整車(chē)控制的核心內(nèi)容，相應(yīng)的能量管理策略也得到了廣泛的研究，主要包括：（1）基于規(guī)則的邏輯門(mén)限值控制策略［1］;（2）基于模糊邏輯的控制策略［2］;（3）基于局部瞬時(shí)優(yōu)化的控制策略［3］;（4）基于靜態(tài)全局優(yōu)化的控制策略；(5)分別基于貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃［4］和最優(yōu)化方法的控制策略［5］。

　　電傳動(dòng)技術(shù)在推土機(jī)上的應(yīng)用尚處于起步階段，目前僅有卡特彼勒公司推出了一款電傳動(dòng)推土機(jī)—D7E型推土機(jī)，相應(yīng)的能量管理策略也很少有人研究。推土機(jī)在行駛工況下的能量管理策略可參考汽車(chē)及履帶裝甲車(chē)輛的控制策略，然而在推土工況下，后功率鏈的功率需求與汽車(chē)和裝甲車(chē)輛存在很大差異，二者的控制策略對(duì)推土工況并不適用，因此推土工況下的多能源管理是電傳動(dòng)推土機(jī)亟待解決的難題。

　　本文針對(duì)包含發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組、電池組和超級(jí)電容3個(gè)能量源的電傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合小波變換理論和模糊邏輯控制策略建立了多能源管理策略。在進(jìn)行能量分配時(shí)，不僅滿(mǎn)足從功率大小的角度來(lái)進(jìn)行能量分配，而且考慮功率需求的變化頻率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組、電池組和超級(jí)電容的影響，發(fā)揮超級(jí)電容在滿(mǎn)足高頻暫態(tài)功率需求上的優(yōu)勢(shì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定工作在燃油高效區(qū)，有效減少了電池組充放電電流及充放電頻率，有利于提高電池使用壽命。

1推土機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文研究的履帶式推土機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用串聯(lián)式雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)主要由綜合控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組、整流器、電池組、超級(jí)電容、雙向DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器組成。

2多能源管理策略設(shè)計(jì)

　　2.1推土作業(yè)工況電能需求分析

　　圖2為推土機(jī)典型作業(yè)工況之一。設(shè)定推土機(jī)按照如下方式運(yùn)行：0~4 s 空載行駛，4~16 s鏟土作業(yè)，16~Pcom：總功率需求，Pcap：電容輸出功率，Pbat：電池輸出功率，Pgen：發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組輸出功率

　　Pcom_cap：電容目標(biāo)功率，Pcom_bat：電池目標(biāo)功率，Pcom_gen：發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組目標(biāo)功率

　　圖5電傳動(dòng)系統(tǒng)多能源管理策略30 s運(yùn)土作業(yè)，30~33 s卸土作業(yè)，33~35 s停車(chē)，35~45 s倒退行駛。

　　推土機(jī)目標(biāo)行駛速度和行駛阻力如圖3所示，后功率鏈功率需求如圖4所示。從圖3可以看出，推土機(jī)所受阻力存在一定波動(dòng)，尤其在鏟土階段，由于切土深度的變化和地面上堅(jiān)硬障礙物的存在，導(dǎo)致推土鏟刀承受較大的沖擊載荷，因此推土機(jī)后功率鏈功率需求中存在高頻暫態(tài)分量。在前功率鏈的3個(gè)能量源中，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度較慢，電池組不宜頻繁充放電，而且過(guò)大的充放電電流會(huì)降低電池的使用壽命［6］，因此二者均不適于承擔(dān)高頻暫態(tài)功率；相反，超級(jí)電容的功率密度和充放電循環(huán)次數(shù)要高得多，能夠滿(mǎn)足暫態(tài)快速功率需求。

　　根據(jù)推土機(jī)后功率鏈功率需求，針對(duì)前功率鏈3個(gè)能量源各自的特點(diǎn)，結(jié)合小波變換理論和模糊控制理論設(shè)計(jì)的能量管理策略如圖5所示。首先對(duì)目標(biāo)功率需求進(jìn)行小波變換提取出低頻分量，若低頻分量為負(fù)值，則推土機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，將回饋能量用于電池充電；若低頻分量為正值，則通過(guò)模糊控制規(guī)則將能量需求合理分配到發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和電池組。

　　2.2小波變換

　　由于功率需求是離散信號(hào)，因此采用離散小波變換將離散功率需求信號(hào)分解到不同的分解層。離散小波變換及其逆變換為［7］：

　　其中，x(t)為原始信號(hào)；λ為尺度因子，λ=2j，j∈Z；Φ為母函數(shù)；μ為平移因子，μ=k2j，j,k ∈Z；W為小波系數(shù)。

　　與其他常見(jiàn)的小波相比，Haar小波的母函數(shù)在時(shí)域中的濾波跨度最短，且Haar小波變換與其逆變換是相同的，表達(dá)式為：

　　由于其變換比較容易，因此文中利用基于Haar小波的2通道濾波器組，通過(guò)一個(gè)低通濾波器H0(z)和一個(gè)高通濾波器H1(z)，分別將原始信號(hào)x(t)分解成基準(zhǔn)信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)，通過(guò)重構(gòu)濾波器［G1(z),G0(z)］T實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)［8］。基于三級(jí)Haar小波建立的分解和重構(gòu)輸入信號(hào)x(t)模型如圖6所示。

　　圖6三級(jí)Haar小波變換示意圖2.3模糊控制策略

　　本文定義了雙輸入單輸出模糊控制策略，模糊控制的基本過(guò)程如圖7所示。輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)載荷fp和電池組荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），輸出為功率分配系數(shù)xf。

　　fp=Pcom\_LF Pgen\_max(4)

　　其中，Pcom_LF為功率需求中的低頻正值部分，Pgen_max為發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組的最大輸出功率。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組目標(biāo)輸出功率Pcom_gen和電池組目標(biāo)輸出功率Pcom_bat分別定義為：

　　Pcom_gen=xf·Pcom_LF(5)

　　Pcom_bat=(1－xf)·Pcom_LF(6)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)載荷fp和電池組SOC模糊化后的隸屬度函數(shù)表達(dá)式如圖8所示，其中：

　　圖8模糊輸入隸屬度函數(shù)fp:{S,M,B}，范圍［0~1］代表發(fā)動(dòng)機(jī)載荷［0~ Pgen_max］。

　　電池SOC:{CS,CM,CB,FS,FM,FB}，范圍［0.6~0.8］代表電池組荷電狀態(tài)變化區(qū)間。

　　分配系數(shù)xf定義如表1所示。采用Mamdani作為解模糊化算法［9］，設(shè)計(jì)出18條模糊規(guī)則，如表2所示。 

3電傳動(dòng)系統(tǒng)建模

　　基于Simulink建立的電傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)如圖9所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組模型、電池組模型、超級(jí)電容模型。

　　3.1發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組模型

　　根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的耦合關(guān)系，將發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行建

　　模，永磁同步電機(jī)加整流橋的等效電路如圖10所示，忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)阻壓降和轉(zhuǎn)矩?fù)p失，則直流母線(xiàn)電壓和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

　　其中，Keωg為發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Kxωg為等效阻抗，IDC為直流母線(xiàn)電流。

　　3.2電池組模型

　　電池的建模采用等效內(nèi)阻模型，將電池等效為一個(gè)理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)，其等效電路如圖11所示。因此有：

　　Ubat=Vbat－IbatRs(8)

　　其中，Vbat為電路開(kāi)路電壓，Rs為等效內(nèi)阻，Ibat電池組輸出電流，Ubat電池組端電壓。

　　開(kāi)路電壓Vbat和等效內(nèi)阻Rs都是與SOC和溫度有關(guān)的變量，建模時(shí)忽略溫度變化的影響，Vbat和Rs通過(guò)輸入SOC值查表獲得，電池組SOC通過(guò)安時(shí)計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)算：

　　其中，SOC(t)為當(dāng)前時(shí)刻電池組的SOC；Q0為電池組的初始容量；i(τ)為電池組放電電流，符號(hào)規(guī)定放電為正，充電為負(fù)；Qmax為電池組的最大容量。圖9電傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)圖10發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組等效

　　電路模型圖11電池組等效電路模型3.3超級(jí)電容模型

　　電容建模采用等效RC模型，如圖12所示。

　　I0：理想電容的輸出電流，Icap：實(shí)際輸出

　　電流，RP：等效并聯(lián)內(nèi)阻Rs：等效

　　串聯(lián)內(nèi)阻，C：電容等效電容值，

　　Vcap：電容開(kāi)路電壓

　　圖12超級(jí)電容等效電路模型根據(jù)等效電路模型，有：

　　超級(jí)電容SOC計(jì)算方程如式（11）所示：

　　其中，Vmin為電容最小開(kāi)路電壓，Vmax為電容最大開(kāi)路電壓。

4仿真結(jié)果分析

　　前功率鏈功率分配如圖13所示，從圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組作為主要?jiǎng)恿υ闯袚?dān)大部分功率需求，電池組作為輔助能量源在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組功率輸出不足時(shí)提供電能，在制動(dòng)時(shí)回收能量，起到削峰填谷的作用。由于提取出了大部分高頻暫態(tài)分量，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組和電池組功率需求相對(duì)平穩(wěn)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)組的工作效率和延長(zhǎng)電池組的使用壽命。超級(jí)電容主要承擔(dān)功率需求中的高頻暫態(tài)分量，其快速充放電特性可以滿(mǎn)足瞬時(shí)功率需求。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的目標(biāo)功率和實(shí)際輸出功率曲線(xiàn)如圖14所示，從圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)組具有良好的功率跟隨特性，但是在功率突變處存在一定偏差，主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)切換工作狀態(tài)時(shí)需要一定的響應(yīng)時(shí)間。

　　電池組和超級(jí)電容SOC變化曲線(xiàn)如圖15所示，電池SOC波動(dòng)較小，基本保持在0.7左右，超級(jí)電容SOC變化較大，在0.45~0.75之間，充分利用了其快速放電和深度優(yōu)勢(shì)。電池

　　組和超級(jí)電容充放電電壓電流分別如圖16和圖17所示，通過(guò)比較，電池組充放電電流在-100~+250 A之間波動(dòng)，相對(duì)平穩(wěn)，超級(jí)電容電流在-200~+400 A之間波動(dòng)，變化較快。

5結(jié)論

　　本文以履帶推土機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)多能源管理策略為研究對(duì)象，首先以某型履帶推土機(jī)典型推土作業(yè)工況的能量需求為依據(jù)，綜合運(yùn)用小波技術(shù)與模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)了前功率鏈3個(gè)能量源的分配策略，之后建立了履帶推土機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多能源管理策略在滿(mǎn)足功率需求的前提下，綜合考慮3個(gè)能量源各自的特點(diǎn)，能夠?qū)﹄妭鲃?dòng)推土機(jī)推土工況下的功率分配進(jìn)行實(shí)時(shí)有效控制。

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