复合储能式装载机能量控制优化与仿真.pdf
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1、第48 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.006摘要:针对工程车辆在机群作业下的能量管理问题,以复合储能式装载机为研究对象,利用Recurdyn-Edem联合仿真建立连续作业环境获取工况数据;分别以V型工况及集群作业下装载机单次循环工况油耗最少为目标,设计了基于等效油耗最小策略与规则相结合的控制策略,为了能够进一步提高全局工况的燃油经济性,使用遗传算法对等效油耗最小关键参数进行寻优,最后带入整车模型进行仿真验证。结果表明,V型工况与集群作业工况下,该控制策略相较于自适应神经模糊控制,燃油经济性分别提升了3.2 3%和4.2 6
2、%;通过dSPACE进行硬件在环试验,试验与仿真结果基本一致,进而验证了优化结果的有效性。关键词:复合储能;等效油耗最小策略;遗传算法;硬件在环中图分类号:TH137;TP391.9文献标志码:B文章编号:10 0 0-48 58(2 0 2 4)0 2-0 0 41-11Optimization and Simulation of Energy Control for CompositeBAI Yu,LIN Mu-yil-2,CHEN Yong*2,LIU Zhen-bo(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing In
3、formation Science&Technology University,Beijing 100192;2.Beijing Laboratory for New Energy Vehicles,Beijing 100192)Abstract:In order to address the energy management problem of engineering vehicles in cluster operation,a studyis conducted on the composite energy storage loader.A combined simulation
4、using Recurdyn-Edem is employed toestablish a continuous operation environment and acquire working condition data.Two objectives are considered:minimizing fuel consumption during both V cycle working condition and cluster operation of the loaders single-cycleworking condition.A control strategy is d
5、esigned by combining the Equivalent Consumption Minimization Strategywith rules.To further enhance the fuel economy in various working conditions,a Genetic Algorithm is utilized tooptimize the key parameters for minimum equivalent fuel consumption.The optimized parameters are then appliedto a vehicl
6、e model for simulation validation.The results indicate that the proposed control strategy improves fueleconomy by 3.23%and 4.26%in V cycle working condition and cluster operation condition,respectively,compared to the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System.Furthermore,hardware-in-the-loop experiments
7、conducted using dSPACE validate the effectiveness of the optimization results.Key words:composite energy storage,equivalent consumption minimization strategy,genetic algorithm,hardware-in-the-loop液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics复合储能式装载机能量控制优化与仿真白宇,林慕义 2,陈勇 2,刘振博(1.北京信息科技大学机电工程学院,北京10 0 19 2;2.北京电动
8、车辆协同创新中心,北京10 0 19 2)Energy Storage LoadersVol.48 No.2February.2024收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 9基金项目:国家自然科学基金(512 7 50 53);科技创新能力服务建设-科研基地建设-新能源汽车北京实验室(市级)(PXM2022_014224_000005)作者简介:白宇(19 9 6 一),男,北京人,硕士研究生,主要从事混合动力车辆能量管理策略方面的研究工作。修回日期:2 0 2 3-0 4-2 642引言复合储能式装载机具有可同时满足工程中频繁启停、大功率需求等特点,在工程机械行业投入了大量使用。近些年,随着
9、国内外自动驾驶技术在领域内的飞速发展,国内工程机械行业也逐渐由人工做操作业发展为了远程遥控作业 、半自动化作业,国外某公司已经实现了全自动化 2 。为响应国家节能减排的号召,对复合储能式装载机在自动集群作业中进行能量管理以提升经济性对实现节能减排有着重要意义。复合储能式工程车辆的能量管理策略主要分为基于规则的策略和基于优化的策略两大类,基于规则的策略分为确定规则和模糊规则,一些研究人员建立了基于模糊规则控制器的复合储能式装载机整车模型,并用多种优化算法优化了模糊隶属度函数,实现了复合储能式装载机的在线控制且一定程度提高了燃油经济性,但该策略依赖于专家经验,难以在全局工况下达到最优控制 3-6
10、。基于优化的策略分为全局优化和瞬时优化,FRANKB等 7 利用动态规划(DynamicProgramming,DP)对全局工况下的轮式装载机的能量管理进行了研究,燃油经济性相比基于规则控制提高了15%,但该策略依赖具体工况且不能实现在线控制。以等效油耗最小策略(Equivalent ConsumptionMinimization Strategy,EC M S)为代表的瞬时优化算法可以在实现现在控制的同时得到近似全局的最优解,而ECMS 的关键是获取合适的等效因子。杜常清等 8 利用粒子群算法对混合动力货车的ECMS控制器进行寻优,结果表明相比于DP优化规则的策略燃油经济性提高了3.6 3%
11、。王钦普等 9 依旧使用粒子群算法对插电式混合动力客车的ECMS控制器进行优化,结果表明,实现了不同初始SOC下插电式混合动力客车能量管理策略的近似全局优化,与规则控制相比,燃油经济性提高了8.5%。司远等 10 利用遗传算法(G e n e t ic _A lg o r it h m,G A)对混合动力并联汽车ECMS控制器中的等效因子进行优化并与DP做对比,结果表明,在3 种典型全局工况下,基于GA优化的ECMS策略极为接近DP的理论最优值。本研究首先建立了仿真作业环境并获取工况数据,然后以复合储能式装载机全局工况下的燃油经济性为最终目标,提出了一种规则与ECMS相结合的控制策略,并用GA
12、优化等效因子。最后将该控制器载人装载机后向仿真模型进行了硬件在环实验,验证结果该策略接近DP的理论最优值,实现了近似全局最液压与气动优控制,为装载机远程遥控作业,自动化作业的能量管理提供了参考依据。1复合储能式装载机系统模型描述1.1复合储能式装载机结构和参数本研究设计的复合储能式装载机结构如图1所示,基本参数如表1所示,此构型中,能量源由发动机、电池-电机、液压泵/马达-液压蓄能器3 个系统组成,发动机和动力电池-电机2 个动力源提供的动力通过2个电磁离合器然后经过行星锁止机构再经过液力变矩器最后传递到传动系统驱动装载机工作。另一方面液压动力系统的动力从液压蓄能器出发流经二次元件液压泵/马达
13、然后通过耦合器进人传动系统驱动装载机工作。电池组电机控制器电机发动机主传动发动机控制器整车控制器-车辆运行指令信号车辆运行状态信号1.电磁离合器12.电磁离合器2 3.电磁离合器34.锁止机构5.行星齿轮机构6.电磁离合器47.电磁离合器58.二次元件蓄能器图1复合储能式装载机整车结构示意图Fig.1 Structural diagram of composite energystorage loader1.2整车后向仿真模型复合储能式混合动力装载机的仿真模型是进行装载机的工况识别、控制系统优化以及仿真试验的前提,模型的优劣将直接影响仿真试验的效果。本研究意在制定能量管理策略,故采用后向仿真模
14、型。1)发动机模型本研究使用东风康明斯6 CTA8.9-C215柴油发动机,其低速高扭矩及高热效率的特点使其在工程机械方面应用广泛。发动机输出转矩数学模型如式(1)所示 :第48 卷第2 期液力变矩器变速器69液压紫统之二次元件控制器主传动72024年第2 期表1整车基本参数Tab.1Basic parameters of loader参数数值整车质量/kg25000滚动阻力系数0.03迎风面积/m7.5发动机额定功率/kW160电机额定功率/kW60电机额定扭矩/Nm318单体电池电流/A10液压蓄能器最低15工作压力/MPa液压泵/马达排量mL r-1轮边减速器变速比主减速器传动效率M。-
15、M,-M,=(J+J.)式中,M。一一发动机输出转矩M,一液压泵轮转矩M,一一泵/马达输出转矩J。一一发动机转动惯量J一一泵轮转动惯量w。一一发动机角速度燃油消耗量数学模型,如式(2)所示:0=goidtJop式中,t一发动机连续工作时间ge一一发动机燃油消耗率P一燃油密度结合上述数学模型建立发动机仿真模型,通过发动机MAP图可以插值得到燃油效率。2)电动机/发电机模型在复合储能式混合动力系统中,电动机与发电机被视为同一个模块,即电机模块。当发动机输出功率小于装载机整车需求功率时,电机正转以电动机模式液压与气动工作,输出转矩以辅助装载机运行。当发动机输出功率大于整车需求功率时,电机反转以发电机
16、模式工作,参数数值车轮半径/m0.75空气阻力系数0.65液力变矩器循环0.355圆直径/m发动机额定转速2200I:min-1电机额定转速T:min1单体电池电压/V3.7蓄能器容积/L40液压蓄能器最高25工作压力/MPa125主减速器传动比5.2864.4变速箱传动效率0.9轮边减速器传动0.930.97效率dadt43将发动机多余能量回收并保存在电池内。mm=f(Tm,nm)TmnmPml9550mmTm:nm nmLPPm2式中,nm电机工作效率Pml一驱动电机工况电功率1200Pm2一发电机工况电功率T.一电动机/发电机转矩nm电动机/发电机转速3)电池模型装载机的电池系统与电机系
17、统相连接,主要在装载机所需动力较大的情况下,为电机提供电能,或在装载机所需动力较小的情况下,回收发动机多余能量。电池的放电效率,如式(4)所示:2PmRmdis(U-VU?-4P.R)U电池的充电效率,如式(5)所示:U-U-4P.RMchar(1)式中,P.-R-Mcha/dis-电池充/放电效率U电池的电压装载机动力电池的充/放电功率,如式(6)所示:U-U-4P.RPb=2R动力电池充电与放电电流,如式(7)所示:(2)U-/UP-4P.RI=2R动力电池的SOC模型,如式(8)所示:ImSOC=SOC-3600Cdt式中,SOC电池SOC初始值C-一电池容量4)液压泵/马达模型在复合储
18、能式混合动力系统中,液压泵/马达是同一个模块,在需要释放再生制动蓄能器内的液压能时以马达模式工作,向外输出转矩以辅助装载机运转。(3)9550(4).U(5)2P.R电池充/放电功率电池的内阻U(6)(7)(8)44液压与气动第48 卷第2 期传动系统装载机整车作业工况液力变矩器Add发动机系统控制系统液压驱动系统工作装置图2 整车后向Simulink模型Fig.2 Simulation model for vehicle backward Simulink当装载机制动时液压泵/马达以液压泵模式工作,将装载机动能储存为蓄能器内的液压能。液压泵/马达的相关数学模型,如式(9)所示 12 Ugnq
19、v=103UApTp/M,制动工况2.TmP/MT/MAp2TnP/M,驱动工况P=%:Ap60mt式中,q、一液压泵/马达流量TrM泵轮转矩P一功率液压泵/马达排量Ap二次元件出油口与进油口的压力差n一整体效率n一一二次元件转速n、一一二次元件容积效率nP/M一一二次元件机械效率5)整车动力学模型根据装载机实际作业情形构建整车动力学模型,视装载机在理想条件下作业,忽略车轮滑动及坡度影响,作业时额外收到插入阻力影响,整车动力学方程如式(10)所示 13 ;Fk-(Fr+Fw+F)=mdt式中,F一牵引力F一滚动阻力电驱动系统Fw一空气阻力F,一加速阻力一装载机质量行驶加速度根据上述各子系统的数
20、学模型,在MATLAB/Simulink中搭建相应的仿真模型,结合复合储能式混合动力装载机的整体结构,将各个子系统的仿真模型进行连接,得到装载机的整车后向仿真模型,如图2所示。2工况及瞬时能量管理策略2.1装载机作业工况(9)1)典型作业工况装载机在施工时必须和自卸卡车相互配合,装载机的移动、卸载、两车之间的相对位置以及两位驾驶员配合的熟练程度都对作业效率有较大的影响,因此需要根据装载机具体的工作环境相应地调整其作业顺序并且正确安排两车的施工方式。常见的安排原则是,根据工作场地的大小和物料堆的位置,尽可能地使装载机行驶路程短、转弯次数少。在实际的工程实践中,装载机的常见作业工况有以下4种:(1
21、)V 型工况,如图3 所示,自卸卡车处于与料堆呈6 0 角的方向上,装载机则与料堆呈垂直方向;(2)L 型工况,如图4所示,自卸卡车与料堆呈垂直方向,装载机与料堆呈平行方向;(3)型工况,如图5所示,自卸卡车与料堆呈平行方向,装载机与料堆呈垂直方向;du(4)T 型工况,如图6 所示,自卸卡车与料堆呈平(10)行方向,装载机与料堆也呈平行方向。2)集群作业工况集群作业即在一个场地内,多台装载机之间与多2024年第2 期物料装载机图3 V型作业工况Fig.3V cycle operating conditions物料液压与气动取行驶和铲装数据。将装载机模型导人到Recurdyn中,设定好约束,并
22、添加旋转副与滑移副,然后添加motion,使装载机按照设定好的路线作业。接着添加部件为铲斗的box,自卸卡车并导人到Edem中,调整粒子参数属性获得接近真实的铲装料堆 14。图7 为集群作业下,一台装载机的作业路线示意图,图8 为铲装联合仿真过程。料堆45料堆料堆料堆图7 连续作业示意图装载机图4L型作业工况Fig.4Lcycle operating conditions物料Fig.7Schematic diagram of continuous operation自卸卡车a)插入物料阶段a)Insert material stage自卸卡车b)收斗阶段b)Retract bucket sta
23、ge装载机图5I型作业工况Fig.5I cycle operating conditions物料自卸卡车装载机图6 T型作业工况Fig.6T cycle operating conditions台自卸卡车相互配合,一台装载机不再受限于执行一种典型工况,随着遥控作业和自动化作业技术的到来,提高多台装载机协同工作时的燃油经济性显得格外重要。本研究选取一台装载机的作业路线进行仿真并获c)运输物料阶段c)Transport material stage图8 联合仿真过程Fig.8 Process of combined simulation2.2等效燃油消耗最小策略ECMS的控制理念本质是将电机电能的
24、消耗等效为油耗,这其中包括电机作为电动机放电等效于未来某时刻发动机对电池充电的油耗,以及电机作为发电机充电等效于未来某时刻代替一部分发动机的油耗两部分。某一时刻的总油耗即为发动机燃油消耗与等效油耗的和,如式(11)式(13)所示:moal=me+mpPmmndis nm:Q1d)卸料阶段d)Unloading stage(11)Pm charm(1-d)入charQI(12)46式中,miocal一瞬时整车油耗m,一一瞬时等效油耗m。一瞬时发动机燃油消耗入clar充电等效因子入dis一放电等效因子惩罚函数Q燃油低热值P.一电机功率nm电机效率d一一阶跃函数本研究中电机充放电效率差距不大,故入d
25、ie=入char=入。惩罚函数与等效因子是影响ECMS转矩分配决策的关键参数,惩罚函数决定了使用电能的倾向 15,当电池SOC接近上限时,系统决策电池放电,电机作为电动机进行助力;当电池SOC接近下限时,系统决策电池充电,电机作为发电机使用。本研究以电池组SOC保持在内阻较低的区间为目标,通过实验测得电池组内阻与SOC 的关系再通过MATLAB工具箱拟合 16 ,构建了拟合公式,使电池SOC维持在0.4 0.8之间。J,=11.3SOC7+47.81SOCc-961.5SOCs+4036SOC4-7591SOC3+6931SOC?-2699S0C+218.4在ECMS分配转矩的计算中,目前主要
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