混合动力叉车前向建模与仿真研究

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80机械设计与制造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 10月混合动力叉车前向建模与仿真研究李春林 ，赵 韩 ，马庆丰(1．合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2．安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230301)摘 要 ：介绍后向建模和前向建模的思想，根据前向建模思想，建立基于Matlab／Simulink平台的并联式混合动力叉车前向仿真模型，详细阐述驾驶员模型、VCU模型、发动机模型、电机模型、蓄电池模型、工作装置模型和整车动力学模型。并以某并联式混合动力叉车的参教为基准，在某一实测工况下进行仿真。结果表明，前向建模思想是合理有效的，所建立的模型是正确的，叉车在行驶和工作过程中能够根据控制策略实现控制功能，与同吨位内燃叉车相比，降低了油耗，达到了节能的 目的。

关键词：并联式；混合动力叉车；前向建模；仿真中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0080—04Study on Forward-Facing Modeling and Simulation for Hybrid Electric ForkliftLI Chun-lin ，ZHAO Han ，MA Qing-feng(1．School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University ofTechnology，Anhui Hefei 230009，China；2．Anhui Heli Co．，Ltd．，Anhui Hefei 230301，China)Abstract：The idea ofbackward-facing modeling andforward-facing modeling is introduced in here．According tO -facing modeling idea，aforward-facing model ofparallel hybrid electric fork### (PHEF)is established，which is based onplatform of Matlab／Simulink．Driver model，VCU model，engine model，motor model，battery model，working device modeland vehicle dynamics model are elaborated in detail．Then parameters of a certain PHEF are refered，and the model issimulated on some measured conditions．The results show that the forward-facing modeling idea is reasonable and feasible，the model is correct，and control functions offorklift are achieved．Compared with the solne tonnage internal combustion，o ，thefuel consumption is reduced and energy-savingpurpose is achieved.

Key W ords：ParaHel；Hybrid Electric Forklift；Forward-Facing M odel；Simulationl I面目前混合动力汽车研究已比较成熟 ，国外专门用于混合动力汽车的仿真软件很多，如美国国家可再生能源实验室开发的Advisor、Argonne国家实验室开发的某公司开发的 CarSim等。混合动力叉车的研发相对较晚，国内外暂无专门用于混合动力叉车仿真的软件，而 Matlab／Simulink平台正渐渐被用于混合动力叉车建模仿真。随着节能环保成为当今世界的两大主题，混合动力叉车的研究也开始进入人们的视野，目前已进入开发阶段，而仿真技术在开发阶段起着至关重要的作用，因此，很有必要建立其仿真模型。

2前向建模思想后向建模从系统需求出发假定车辆按指定的循环工况行驶，循环工况向整车提出车速需求，通过各部件的判断与仿真计算得到动力系统包括传动系与动力源各部件应该提供的转速、转矩等，以此作为最终车辆工作性能分析的依据Ⅲ，如图 1所示。后向建模不考虑驾驶员行驶意图和传动系实际的瞬态变化过程，其计算步长较大，仿真速度较快。

— — — 能量信一 一 一 - 控制信． I．．．．．．．．．．．．．．__J兰 卜 _-控匦 一 制 器总
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图 1后向仿真流程图Fig．1 Backward Simulation Flow Dia~am前向建模中，引入了驾驶员模型，系统输入为加速踏板信号、制动踏板信号和起升开关信号，计算路线是将两个踏板信号转换成整车行驶的扭矩或者功率的需求，在整车控制模块中根据控制策略提出的对各总成的扭矩需求，动力总成模型根据该扭矩需求和能够提供的扭矩限制向传动系统输出转矩，经过车轮模型最终到达整车动力学模型，输出车速，如图2所示。其仿真步长较小，仿真速度较慢，基于前向仿真模型可以建立起控制系统的硬件在环仿真环境日。

来稿日期：2012-12-14基金项目：国家863计划项目(2011KJGY1385)作者简介：李春林，(1988一)，男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究方向：电动汽车技术；赵 韩，(1957一)，男，安徽滁州人，教授，博士，主要研究方向：机构学、机械传动、磁力机械、汽车第 10期 李春林等：混合动力叉车前向建模与仿真研究 81： 臣圃 。 一-一- 控制信息一 圈 -—回 一图2前向仿真流程图Fig．2 Forward Simulation Flow Diagram3前向模型的建立主要讨论的是并联式混合动力叉车的建模，结构简图，如图3所示。其驱动系统由发动机、牵引电机、起升电机、工作装置、蓄电池、主减速器等组成，其中叉车的工作装置包括门架系统、液压系统和属具系统三部 。低速行驶时，由牵引电机单独驱动；正常行驶时，使用发动机作为主要动力源驱动车轮行驶，加速或爬坡时，发动机和牵引电机同时工作，根据工况的要求，在减速制动时，部分动力分配给牵引电机，转化为电能存储到蓄电池中。起升时，根据实际的需要 ，可用发动机单独提供举升所需的动力，也可用发动机和起升电机联合提供举升所需的动力。卸货时，则可实现能量的回收。

合成装置图3并联混合动力叉车结构简图Fig．3 Structure Diagram of PHEF根据上述所提的前向建模思想 ，建立并联式混合动力叉车模型，其顶层模型，如图4所示。

图 4顶层模型Fig．4 Top Model3．1驾驶员模型驾驶员模型是区分后向仿真的重要依据 ，是前向仿真所特有的。该模型采用 PI控制算法对驾驶员特性进行模拟 ，其输人为需求车速与实际车速的误差 e、起升控制数据及负载数据，输出为驾驶员操作指令 K，如加速踏板信号、制动踏板信号、起升开关信号和负载信号。其数学模型式(1)、式(2)所示。

e(f)= 1(f) 2(t) (1)r tK(t)=Kpe(t)+K I e(t)dt (2)式中：卜 时间序列；。( )一目标车速；v2(t)一实际车速；e( )一 目标车速和实际车速的偏差：K(k)一驾驶员操作指令 ；K 一可调比例系数；K厂可调积分系数。

3_2 VCU模型VCU模型即整车控制器模型，控制策略采用的是基于规则的控制算法，其实质是通过对系统的研究，根据工程经验表述成可用计算机处理的简单推理规则，利用逻辑判断来实现动力系统工作模式的切换及功率分配 。即根据蓄电池的荷电状态SOC值、叉车行驶及工作时的功率请求即驾驶员的请求、发动机和电机状态以及工作装置的状态基于逻辑门限值控制算法确定发动机、电机和工作装置的状态和输出转矩。整车控制策略集中在VCU模型中，对混合动力叉车整车控制器的开发，尤其对采用基于 Matlab／dSpace／Targetlink软硬件开发平台的现代开发技术具有继承l生 。

3．3发动机模型发动机是混合动力系统中主要的动力源。采用试验建模法建立发动机模型，该模型主要包括调速特性模型和燃油消耗模型。

3．3．1发动机调速特性模型工程机械所用的发动机大部分装有全程式调速器 。调速特性是以发动机转速、节气门开度为自变量的二元转矩函数，其数学模型，如式(3)所示。

， ) (3)式中： 一发动机转矩 ；n 一发动机转速；一 节气门开度。

3．3．2发动机万有特性模型发动机万有特性是把发动机的燃油消耗率看做发动机转速和有效转矩的二元函数，用曲面拟合法可以获得发动机的万有特性模型 ，其数学模型，如式 4所示。

5 ，= ∑∑A『— ( +1)u+2) 一1+i 1· · (4)j=o i=o式中： 一发动机燃油消耗率；A—模型中各项系数组；s—模型的阶数。

3．4电机模型在混合动力系统中，电机在叉车行驶和工作过程中起着非常重要的作用。当叉车加速行驶和起升货物时，电机起辅助作用；当叉车减速 、制动和下降货物时，电机工作在发电状态，回收能82 机械设计与制造No．10Oct．2013量。本方案中的牵引电机和起升电机均采用三相异步电机，考虑到二者在特性上的相似性，在建模过程中，将两个电机放在同一模块中。电机的输出性能是电机和电机控制器综合性能的表现，因此，在建模中将电机和电机控制器作为一个整体考虑。建模过程中用到的数学模型如式(5)～式(8)所示：r
m
= r
m PWM
，(5)( ，n ) (6)：
T n ／95
／
4
9 54 9(7) ‘．．． ? ～ 发电状态= (8)式中： 电机最大转矩；n 一电机转速；一 电机转矩；P 魍 厂_电机比例因子；卵， 一电机放电效率；田 一电机充电效率；一 电机功率 ；一 电源总线上的电压；J『， 一电机控制器母线电流。

3．5蓄电池模型对于混合动力系统而言，蓄电池的性能直接影响着整车的品质。蓄电池的充放电过程是一个受诸多因素影响的复杂的非线性过程，其特性描述和系统建模是混合动力系统性能仿真的难点之一。蓄电池采用内阻模型的试验建模方法，其建模基础是如何确定蓄电池的开路电压和内阻的特性函数，而特性函数是基于对内阻随电池荷电状态 SOC变化关系的测试结果上确定的。内阻模型建模法所用的数学模型，如式(9)～式(13)所示。

3．5．1开路电压和内阻的计算Voc T，SOC) (9)尺 T，SOC) (10)式中： 开路电压；卜 电池温度；Js0C-_电池荷电状态；尺 电池内阻。

3．5．2端电压及SOC计算V
。 =VOC一尺 ．。， (10)SOC： (12)(13)式中： 一端电压；C
?
一 最大放电量；。一已放电量；50 ；一电池初始荷电状态值。

3．6工作装置模型叉车的工作装置也称为门架升降系统，是指实现对货物进行叉取、升降、码垛等作业的装置目。它在叉车的日常作业中扮演着重要的角色，是叉车重要的组成部分之一。液压系统在叉车工作过程中起着重要的作用，因此 ，在建模过程中主要考虑了工作装置中的液压系统，采用理论模型和数值建模相结合的建模方法来建立液压泵和液压马达模型[91。相关的数学模型，如式(14)、式(15)所示：MT (14)A~TT]KQr=q％r／ (15)式中： 厂_液压泵／马达的转矩；p—工作压力；q一理论排量；叼 一机械效率；Q 一液压泵／马达的流量 ；／2,
．
一 转速；一 泵的容积效率。

3_7整车动力学模型整车动力学模型是根据传递的动力，考虑当前各种阻力信息计算叉车实际速度，同时反馈到驾驶员模型、整车控制器模型和各个子模型中。叉车在行驶过程中，在受到驱动力的同时也受到了行驶阻力、坡度阻力和加速阻力，叉车行驶速度较低，一般情况下，不考虑其所受到的空气阻力，其数学模型，如式(16)所示：F,-F~+E+E (16)式中： 一驱动力； 一滚动阻力；Fi—坡道阻力；f—加速阻力。

4仿真结果分析实例样车是在某 6t内燃叉车的基础上改装的，根据实例样车的设计要求，对混合动力系统主要部件进行参数匹配，确定的主要部件参数，如表 1所示。

表 1实例样车主要技术参数Tab 1 Main Technical Parameters of Forklift参数 数值额定起重量／kg发动机额定功率，kw牵引电机额定功率，kW起升电机额定功率／kW电池组容量／A·h6Oo04816l61oo利用仿真模型对6t并联式混合动力实例样车进行仿真。循环工况是采用相同吨位的叉车在试验场地进行实测所得到的工况，如图 5所示。该工况真实地反映了叉车的行驶工作状况。实际车速的仿真结果图，如图 6所示。

图5循环工况Fig．5 Driving CycleNo．100ct．201 3 机械设计与制造 83时『司￡(s)图6实际车速曲线Fig．6 Actual Speed Curve实际车速和目标车速的偏差图，如图7所示。从图7中可以看出车速偏差基本维持在0．7km／h的范围之内，说明此仿真模型基本代表了实际的情况，能够很好的跟踪模拟叉车的循环工况，满足了混合动力叉车的仿真要求。

{堡图7实际车速与目标车速偏差曲线Fig．7 Deviation Curve of Actual Speed and Target Speed叉车行驶工作过程中 SOC变化曲线图，如图 8所示。从SOC变化情况可以看出电机在行驶和工作过程中均发挥了很好的作用，叉车在减速制动时，回收了部分能量，叉车在空载下降时，回收了少量势能，在满载下降时，回收了较多势能，很好的实现了能量的回收，表明控制策略制定合理 ，能够实现控制意图。

图8 SOC变化曲线Fig．8 SOC Curve燃油经济性能仿真结果，如表 2所示。与同吨位传统内燃叉车相比，燃油消耗下降了5．2 I_／h，综合节油率达到了29．4％，很好的实现了混合动力叉车节能的作用。

表 2混合动力叉车与内燃叉车经济性比较Tab．2 Economic Comparison of Hybrid ElectricForklift and Internal Combustion Forklift5结论以某款混合动力叉车作为研究对象，根据前向建模思想，建立了基于 Matlab／Simulink平台的并联式混合动力叉车前向仿真模型，并对某混合动力叉车进行了仿真，结果表明：(1)前向建模思想是合理有效的，所建模型是正确的，它能够准确跟踪实际循环工况，车速偏差基本维持在0．7 km／h的范围之内，很好的反映了工况实际的情况。

(2)叉车在行驶和工作中能根据控制意图，实现能量的回收。很好的发挥了混合动力系统在工作中的功效。

(3)与同吨位传统内燃叉车相比，降低了油耗，综合节油率为 29．4％，达到了节能的目的，仿真结果具有参考价值。

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