【正文】 研究的裝載機的動力系統(tǒng)中，影響燃油經(jīng)濟性的主要結(jié)構(gòu)因數(shù)有發(fā)動機特性、電動機 /發(fā)電機特性、電池組容量、電池組電壓等，不過這些都已經(jīng)選定，所以影響燃油經(jīng)濟性的因數(shù)就是控制策略參數(shù)，即正交試驗因數(shù)就是控制策略參數(shù)。 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 集裝箱裝載機工況分析及混合動力控制策略和參數(shù)優(yōu)化 27 通過圖 可以看出影響裝載機工作模式的控制參數(shù)，所以可以確定蓄電池的荷電狀態(tài) SOC 是整個控制策略的重要參數(shù)之一，其高低門限值直接影響裝載機的工作狀態(tài)。由于本文所研究的裝載機需要 連續(xù)運行的時間較長，所以需要蓄電池能夠基本保持在高荷電狀態(tài)，而高荷電狀態(tài)處于什么水平能夠滿足發(fā)動機經(jīng)濟工作的要求是本文研究的內(nèi)容之一。由此可知，高荷電狀態(tài)門限值是正交試驗的一個因數(shù)。由于本文研究使蓄電池荷電狀態(tài)基本保持在高荷電狀態(tài)，所以沒有將低荷電狀態(tài)門限值作為正交試驗的因數(shù)。此為，從控制策略流程圖可以看出，充放電轉(zhuǎn)矩界限也對裝載機工作狀態(tài)有很大影響，由此可以確定四個正交試驗因數(shù)：充電轉(zhuǎn)矩界限、放電轉(zhuǎn)矩界限、充電時發(fā)動機控制轉(zhuǎn)矩、放電時發(fā)動機控制轉(zhuǎn)矩。 綜上所述， 影響集裝箱裝載機燃油經(jīng)濟性的控制參數(shù)主要有： 充電轉(zhuǎn)矩界限，充電時發(fā)動機控制轉(zhuǎn)矩， 放電轉(zhuǎn)矩界限， 放電時發(fā)動機控制轉(zhuǎn)矩和蓄電池的高SOC 門限值。 為了方便 正交試驗設(shè)計， 正交試驗的因素選定為 5 個： 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A、放電轉(zhuǎn)矩界限比 B、充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C、放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 以及蓄電池高荷電狀態(tài)門限值 E。其中，充電轉(zhuǎn)矩界限 A 定義為充電轉(zhuǎn)矩界限與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的比值；放電轉(zhuǎn)矩界限 B 定義為放電轉(zhuǎn)矩界限與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的比值；充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C 定義為當前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩與需求轉(zhuǎn)矩之間差值的等分數(shù)；放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 定義為需求轉(zhuǎn)矩與放電轉(zhuǎn)矩界限之間差值的等分數(shù)。 控制策略參數(shù)正交優(yōu)化 由上文確定的正交試驗的因數(shù)為 5 個，綜合考慮試驗次數(shù)和準確性，選用L16_4_5 型正交表格?？紤]到載荷增大時，主平臺上升工況需求功率增大，發(fā)動機和電動機輸出功率也都將增加，電池放電量大，故放電 轉(zhuǎn)矩界限比和充電轉(zhuǎn)矩界限比的取值要相應(yīng)增大 。高 SOC 門限值影響發(fā)電機充電盒電動機放電策略的實施，且最大設(shè)計值不超過 ，因此因數(shù) E 的水平值分別為 、 、 、。 表 （ a）滿載 工況因數(shù)表 水平 因素 1 2 3 4 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A 放電轉(zhuǎn)矩界限比 B 充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C 放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 蓄電池高荷電狀態(tài)門限值 E 0 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 集裝箱裝載機工況分析及混合動力控制策略和參數(shù)優(yōu)化 28 表 （ b） 3/4 載 工況因數(shù)表 水平 因素 1 2 3 4 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A 放電轉(zhuǎn)矩界限比 B 充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C 放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 蓄電池高荷電狀態(tài)門限值 E 0 表 （ c） 2/4 載 工況因數(shù)表 水平 因素 1 2 3 4 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A 放電轉(zhuǎn)矩界限比 B 充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C 放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 蓄電池高荷電狀態(tài)門限值 E 0 表 （ d） 1/4 載 工況因數(shù)表 水平 因素 1 2 3 4 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A 放電轉(zhuǎn)矩界限比 B 充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) C 放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等分數(shù) D 蓄電池高荷電狀態(tài)門限值 E 0 控制策略參數(shù)正交優(yōu)化結(jié)果 正交優(yōu)化 是 通過 在一系列 正交試驗得到 正交結(jié)果中選出裝載機在一個工作循環(huán)結(jié)束后發(fā)動機等效油耗最小的一組控制參數(shù)。蓄電池 SOC 在裝載機工作過程中對于正交試驗結(jié)果有一定的影響， 且裝載機在實際工作過程中蓄電池 SOC也是隨時間 變化的，蓄電池初始 SOC 在不同行駛工況下也是不確定的。因此通過正交試驗選出的最優(yōu)參數(shù)不僅要使發(fā)動機等效油耗最小，而且還要滿足蓄電池不同初始 SOC 要求，即無論初始 SOC 是否在合理范圍內(nèi)，在工況結(jié)束后 SOC要在合理范圍之內(nèi)。 由于蓄電池初始 SOC 是不確定的， 在實際使用中蓄電池的SOC 的初始值基本處于 ~ 范圍內(nèi)，綜合考慮選取 作為 SOC 的初始值進行正交試驗。 根據(jù)以上分析及試驗因素水平的確定，通過建立集裝箱裝載機燃油經(jīng)濟性仿真模型進行仿真，可以得到裝載機在不同載荷和 不同 SOC 下的仿真結(jié)果，表 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 集裝箱裝載機工況分析及混合動力控制策略和參數(shù)優(yōu)化 29 所示分別為裝載機四分之一載、半載 、 四分之三載和滿載工況下，蓄電池溫度為 20℃的正交設(shè)計方案及計算結(jié)果。等效油耗是指發(fā)動機實際燃油消耗與補償蓄電池電能消耗的燃油消耗的統(tǒng)一，即將循環(huán)工況結(jié)束時 SOC 值等效為初始 SOC 值時的汽車油耗。 表 （ a） 滿 載工況正交試驗方案及結(jié)果 序號 A B C D E 等效油耗 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 1 4 4 4 4 5 2 1 2 3 4 6 2 2 1 4 3 7 2 3 4 1 2 8 2 4 3 2 1 9 3 1 3 4 2 10 3 3 1 2 4 11 3 4 2 1 3 12 3 2 4 3 1 13 4 1 4 2 3 14 4 2 3 1 4 15 4 3 2 4 1 16 4 4 1 3 2 K1 K2 K3 K4 極差 .4（ b） 3/4 載工況正交試驗方案及結(jié)果 序號 A B C D E 等效油耗 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 1 4 4 4 4 5 2 1 2 3 4 6 2 2 1 4 3 7 2 3 4 1 2 8 2 4 3 2 1 9 3 1 3 4 2 10 3 3 1 2 4 11 3 4 2 1 3 12 3 2 4 3 1 13 4 1 4 2 3 14 4 2 3 1 4 15 4 3 2 4 1 16 4 4 1 3 2 K1 K2 K3 K4 極差 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 集裝箱裝載機工況分析及混合動力控制策略和參數(shù)優(yōu)化 30 表 （ c） 2/4 載工況正交試驗方案及結(jié)果 序號 A B C D E 等效油耗 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 1 4 4 4 4 5 2 1 2 3 4 6 2 2 1 4 3 7 2 3 4 1 2 8 2 4 3 2 1 9 3 1 3 4 2 10 3 3 1 2 4 11 3 4 2 1 3 12 3 2 4 3 1 13 4 1 4 2 3 14 4 2 3 1 4 15 4 3 2 4 1 16 4 4 1 3 2 K1 K2 K3 K4 極差 表 （ d） 1/4 載工況正交試驗方案及結(jié)果 序號 A B C D E 等效油耗 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 3 3 3 3 4 1 4 4 4 4 5 2 1 2 3 4 6 2 2 1 4 3 7 2 3 4 1 2 8 2 4 3 2 1 9 3 1 3 4 2 10 3 3 1 2 4 11 3 4 2 1 3 12 3 2 4 3 1 13 4 1 4 2 3 14 4 2 3 1 4 15 4 3 2 4 1 16 4 4 1 3 2 K1 K2 K3 K4 極差 由于正交試驗中的極差分析法計算工作量小且簡潔直觀，因此 本文采用極差分析法作最后的結(jié)果分析 。通過正交試驗法可知，極差分析時需要先計算各試驗因素在同一水平其試驗指標的總和與平均值，其中同一水平試驗指標的均值大小重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 集裝箱裝載機工況分析及混合動力控制策略和參數(shù)優(yōu)化 31 反映了該水平對整個試驗結(jié)果的影響程度，也就是說，同一水平的均值越小，其結(jié)果就越好。下面以裝載機滿載工況下，蓄電池初始溫度為 20℃的正交設(shè)計方案中的因素 — 充電轉(zhuǎn)矩界限比 A為例來 計算說明，充電轉(zhuǎn)矩界限比 A的水平 4 對應(yīng)的等效油耗均值分別為： 1 = 4218 .2 4083 .8K ? ? ? ?（ ） 4= 2 = 4113 .2 4146 .9 4095 .0 ? ? ? ?（ ） 4=3 = 4087 .2 4156 .8 4126 .4 ? ? ? ?（ ） 4=4 = 40 90 .4 41 05 .9 42 04 .5 42 16 .1K ? ? ? ?（ ） 4= 由充電轉(zhuǎn)矩界限比 A的同一水平的均值計算結(jié)果可以看出： K4K1K2K3，所以可以確定 A3 為正交試驗因素 A 的最優(yōu)水平。 同理 ，正交試驗的其它幾個因素的最優(yōu)水平分別為： B C D E4。 所以可以得到滿載工況蓄電池初始溫度 20 度下控制參數(shù)最優(yōu)組合為 A3B2C4D2E3。同樣的方法可以計算出 1/4 載工況、 2/4 載工況、 3/4 載工況在蓄電池初始溫度為 20 度下的控制參數(shù)最優(yōu)組合分別為 A3B2C3D2E A3B1C3D2E4 和 A3B4C3D2E4。 本章小結(jié) 根據(jù)裝載機的實際工作過程分析了各個運行工況的特點，設(shè)計了各個運行工況的工作時間，根據(jù)混合動力集裝箱裝載機實際的工作模式以及裝載機動力系統(tǒng)各部件的特性，制定了混合動力集裝箱裝載機的控制邏輯和控制策略。選取充電轉(zhuǎn)矩界限，放電轉(zhuǎn)矩界限，充電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，放電時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和高 SOC 門限值作為裝載機燃油經(jīng)濟性正交試驗的試驗因素，并確定其水平值。在所給定的有限的不同載荷和初始 SOC 工況下，以運行工況油耗最小 為目標對裝載機工作過程中的控制參數(shù)進行了正交試驗優(yōu)化，獲得了集裝箱裝載機最優(yōu)控制參數(shù) 組合 。 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 5 混合集裝箱裝載機燃油經(jīng)濟性仿真及參數(shù)影響分析 32 5 混合動力集裝箱裝載機燃油經(jīng)濟性仿真及參數(shù)影響分析 蓄電池 SOC 管理策略 在一個工作過程中，混合動力集裝箱裝載機在保證整機良好 、 燃油經(jīng)濟性的前 提下，蓄電池的終了 SOC 也 需 要控制在一 個最佳的 范圍之內(nèi)。本文所研究的混合動力集裝箱裝載機采用的是車載充電方式，一般情況下該充電方式要求裝載機在工作終了時蓄電池的 SOC 要 保持始末平衡，但是考慮到該裝載機在任一次實際工作過程中蓄電池的初始 SOC 都是 不 確定的，因此對于裝載機不同的工作過程不需要嚴格的采用 SOC 平衡維持策略。 考慮到 裝載機的實際運行工況 和鋰離子蓄電池的充放電特性 ，本文確定蓄電池的最佳 SOC 范圍在 ～ 之間， 在 該范圍 內(nèi) 既能保證裝載機在助力工況時蓄電池能有較高的放電效率，提供較大的放電功率，同時也能保證裝載機在能量回收工況時蓄電池有較高的 充電效率，回收盡可能多的能量。 針對裝載機工作時不確定的蓄電池初始 SOC，需 要 制定不同的 SOC 控制策略 來 滿足裝載 機各種不同 工況 的 運行要求。 電池 SOC 管理策略如下 ： ○ 1 當蓄電池池初始 SOC 值大于最佳 SOC 范圍上限時， 要求裝載機在運行工況結(jié)束時保證蓄電池 SOC 在最佳 SOC 范圍內(nèi)或接近最佳 SOC 范圍上限，且初始 SOC 越高，運行工況結(jié)束時 SOC 下降得越低； ○ 2 當蓄電池初始 SOC 值在最佳 SOC 范圍內(nèi)時，要求裝載機在運行工況結(jié)束時基本保證蓄電池 SOC 始末平衡； ○ 3 當蓄電池初始 SOC 值小于最佳 SOC 范圍下限時，要求裝載機在運行工況結(jié)束時保證蓄電池 SOC 升