刘平国， 陈俊屹， 陈其怀， 任好玲， 林添良
(1.中石油江汉机械研究所有限公司， 湖北 荆州 434000；
2.华侨大学 机电及自动化学院， 福建 厦门 361021)
随着全球气候变暖以及环境污染愈加严重，节能减排成为世界的焦点。传统工程机械能效低、排放差已无法满足行业发展需求，电动化采用电机取代发动机，可实现零排放、高能效，已经被认为是工程机械行业发展的必然趋势[1]。
叉车是物流行业最常用的工程机械，也是最早采用电动化的工程机械之一。目前的电动叉车多是基于低压铅酸电池，但由于铅酸蓄电池缺点为能量体积密度低与循环寿命差，以及其材料对环境有着一定污染，且低电压的电传动系统存在功率元器件、连接器、电缆与电机产生较高热损，同时，电流变化率高，容易产生电蚀现象。所以，基于新型储能装置的高压电动叉车已经成为叉车重要发展趋势之一。
在电动叉车动力行走系统研究方面，根据传动方式的不同分为静液压传动、单驱动电机、多驱动电机[2-5]。杨雯雯等[6]提出一种电动静液压传动叉车行走的控制系统，通过液压系统驱动行走马达实现电动叉车的行走，根据AMESim软件仿真分析得到叉车在平地行驶能达到18.21 km/h，稳定实现0.053 m/s的速度微动功能，并验证了制动踏板的制动能力。王威[7]以3 t锂电叉车为研究对象，提出一种双电机独立驱动系统，并利用遗传算法对驱动系统参数进行了优化，利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建仿真模型，可得双电机独立驱动系统电动叉车比传统的单电机电动叉车可节约电池电量0.6%，新驱动系统的能量利用率更突出。
在企业方面，杭叉XC系列锂电叉车的传动方式为锂电池提供能量驱动行走电机旋转，行走电机与减速相连将动力传递到轮胎上。而德国BHS公司的iLifters叉车使用前轮双电机驱动方式，并且使用了双电机交流脉冲技术作为电子差速器，实现更小的转弯半径。
电动叉车的技术应用比较成熟，各大制造企业均有一系列的产品问世并获得广泛使用，但现有电动叉车技术大多数是采用电动机代替发动机，采用电池代替燃油，并没有对纯电驱动系统进行系统性研究[8-10]。而使用高压锂电池代替传统低压铅酸蓄电池与低压锂电池方案还处于起步阶段，仅对电机、电控系统进行高压化替代，并没有根据高压锂电池的特点寻找适合高压锂电电动叉车控制方案，充分发挥高压锂电动力总成系统的优势。因此，有必要对纯电驱动技术进行系统研究，提出适用于高压锂电电动叉车系统动力总成控制系统。
本研究以3 t叉车作为研究对象，采用单驱动电机的高压锂电电动叉车与传统的低压锂电叉车的机械结构是类似的，但内部电气部件由于电压等级差距较大，因此电气设备需要重新设计整车系统方案。高压锂电电动叉车与低压电动叉车的主要区别在于动力总成系统，叉车的动力总成包含了原动机、储能单元以及液压系统等组成。如图1所示为高压锂电电动叉车动力总成基本组成，其储能单元由高压锂电池提供，通过电池管理系统(BMS)对叉车储能单元进行能量管理。因为该动力总成系统高压锂电池需要对行走电机、举升电机以及DC/DC这3路进行供电，所以需要通过高压管理单元把高压锂电池的1路输出分成3路输出，并通过高压管理单元管理整辆叉车的预充控制、能量分配与整车高压电保护功能。
图1 高压锂电电动叉车动力总成基本组成Fig.1 Basic composition of power assembly of high voltage lithium electric forklift
高压锂电电动叉车动力总成基本组成除了上述储能单元高压锂电池、电池管理系统以及高压管理电压外，还包括2台电机和其对应的2台电机控制器。驱动电机主要为叉车行走的原动机，而举升电机是液压系统的原动机。液压系统包括液压泵、优先阀、多路阀、转向系统、举升油缸及倾斜油缸。高压管理单元其中两路是去到两台电机，剩余一路为DC/DC的供电，DC/DC主要是把高压锂电池的高电压变换为低压电对蓄电池进行充电，并且DC/DC在工作时转而对整车低压控制系统进行供电。低压控制系统包括蓄电池、显示屏(VCU)、电动水泵、散热器总成等，其中整车控制器(VCU)集成到叉车的显示屏内。
高压锂电电动叉车的驱动电机为直接连接至减速器，再通过差速器与前桥驱动轴相连，最终驱动叉车车轮， 所以驱动电机的响应与速度控制方式直接影响到叉车的车速变化。驱动电机为永磁同步电机，依据给定与输出方式的不同分为转速控制模式与转矩控制模式。转速控制模式为整车控制器发送目标转速信号到驱动电机控制器，控制驱动电机输出对应转速；
转矩控制模式则是整车控制器发送目标扭矩信号到驱动电机控制器，控制驱动电机输出对应扭矩。根据2种模式控制特点可以得到，转速控制模式可以使驱动电机转速迅速匹配驾驶员油门踏板信号，油门踏板开度直接对应的是驱动电机输出转速，而转矩控制模式的油门踏板开度对应的是驱动电机输出转矩。
电动叉车是以搬运负载为主的工程机械，所以在电动叉车搬运过程中需要运行平稳、作业效率高以及较好的控制精度。转速控制模式车速响应快但带来的问题是加减速过程冲击大，需要对加减速曲线实时处理控制转速，保证负载运输过程平稳性；
而转矩控制模式通过给定目标扭矩方式，使得加减速过程平稳，冲击较小。因此，本研究3 t高压锂电电动叉车驱动电机采用转矩控制模式为主的控制方式。
驱动电机采用油门踏板开度对应基准扭矩控制方式，其油门开度对应基准扭矩系数曲线如图2所示，其中曲线1为性能模式，曲线2为经济模式。系数曲线总共分为2个区间：第一段为设定死区开度，为了确保因电动叉车本身供电电压不稳定、外负载冲击与自身振动导致油门踏板开度在零附近信号波动，或者驾驶员的脚放置油门踏板上方后有微小开度变化导致整车控制器对驾驶意图的误判；
第二段为基准扭矩系数最小到最大之间与油门开度变化的关系。曲线2从第二段开始其基准扭矩系数与油门踏板开度呈线性关系，这种油门踏板控制策略能很好的兼顾动力性与经济性，并且控制器计算过程简单；
曲线1为幂函数曲线，从第二段开始其基准扭矩系数都比曲线2大，可以很好地发挥电动叉车的动力性能。
图2 油门踏板开度与基准扭矩系数关系曲线Fig.2 Curve of accelerator pedal opening and benchmark torque coefficient
在整车控制器给定目标扭矩值时，还需要考虑不同车速下驱动电机的最大输出扭矩限制值。图3所示为驱动电机的外特性MAP图，从图中可知电机转速与电机最大扭矩间的关系，其中曲线1为性能模式，曲线2为经济模式。
图3 驱动电机外特性MAP图Fig.3 MAP diagram of drive motor
图4 油门踏板控制原理图Fig.4 Accelerator pedal control schematic
高压锂电电动叉车样机是采用电子油门踏板，其控制原理如图4所示，整机控制器得到油门踏板输出的开度电压信号，通过计算占空比得到油门踏板开度，根据油门踏板开度与基准扭矩系数关系曲线得到基准扭矩系数，再通过驱动电机MAP曲线判断当前车速所能输出最大扭矩限制值，最后基准扭矩系数乘以扭矩限制值得到基准扭矩值。
电动叉车作为物流运输、装卸机械，在工作循环时，电动叉车经常进行加减速操作。电动叉车油门踏板在进行加减速操作时，可以通过油门踏板的变化率判断驾驶员操作意图，再结合电池的SOC、车速、制动踏板信号判定油门踏板加减速程度。最后根据加减速强度计算出补偿扭矩值，整车控制输出到驱动电机控制器的目标扭矩为基准强度与补偿扭矩值， 达到更快速预测与实现驾驶员操作目的。因此，目标扭矩与基准扭矩、补偿扭矩的关系为：
(1)
式中，Tm1—— 计算目标扭矩值
Tb—— 基准扭矩
Tcom—— 驾驶意图的补偿扭矩
Tm—— 最终目标扭矩值
Tmax—— 最大扭矩限制值
电动叉车油门踏板的驾驶员操作意图判断通过使用模糊控制实现，以下为对整车主要影响参数的划分：
1) 油门踏板开度变化率划分
电动叉车油门踏板的输出信号为电压信号，电压值与踏板开度为固定斜率曲线对应关系，而油门踏板在行驶过程中开度变化率为：
(2)
式中，Uacc—— 油门踏板输出电压信号
F—— 油门踏板开度变化率
令油门踏板变化范围在[-1,1]区间内，在油门踏板变化率为负值时，为驾驶抬升油门踏板，其工况分为：轻抬(DS)、中抬(DM)、重抬(DH)3个油门踏板变化率范围区间；
在油门踏板变化率为正值时，为驾驶踩下油门踏板，其工况分为：轻踩(AS)、中踩(AM)、重踩(AH)这3个区间。
2) 电动叉车加减速意图划分
当电动叉车的油门踏板处于变化时，通过不同油门踏板变化率可以得出不同的叉车加减速意图，根据加减速程度可划分：低减速意图(DL)、中减速意图(DM)、高减速意图(DH)、低加速意图(AL)、中加速意图(AM)、高加速意图(AH)。
3) 电动叉车车速划分
电动叉车抬升油门踏板后驱动电机的方向扭矩给定还有兼顾抬升时的车速情况，驱动电机在工作时可以分为：较低速行驶(VS)、低速行驶(VL)、中速行驶(VM)、高速行驶(VH)4种叉车行驶车速区间。
4) 电动叉车加减速强度划分
综合考虑油门踏板开度变化率、电动叉车加减速意图、电动叉车车速的因素，将电动叉车减速强度划分为：加减速强度很弱(O)、减速强度较弱(DSL)、减速强度弱(DL)、减速强度中(DM)、减速强度略强(DSH)、减速强度强(DH)、加速强度较弱(ASL)、加速强度弱(AL)、加速强度中(AM)、加速强度略强(ASH)、加速强度强(AH)这11种区间。
电动叉车在判断加减速强度后，根据对应强度给定相应补偿扭矩值，整车控制器输出到电机控制器的目标扭矩值，是由基准扭矩、补偿扭矩、最大输出扭矩共同决定。其中在高压锂电电动叉车作业过程中， 当计算目标扭矩方向与驱动电机转速旋向相反时，驱动电机进入减速能量回收工况，对这部分能量进行回收能增加电动叉车的工作时长。
高压锂电电动叉车在行驶作业过程中的油门踏板控制策略如图5所示。当蓄电池SOC大于等于90%时，禁止整车的进行能量回收；
当蓄电池SOC小于90%时，对油门踏板信号与制动踏板信号进行采集，若驾驶员踩下制动踏板，此时制动踏板信号为TRUE，退出补偿扭矩的计算；
若制动踏板无制动信号输入时，通过计算油门踏板变化率，再结合上述的划分规则预测驾驶意图，经过模糊控制后输出电动叉车加减速强度，通过整车控制器计算与判断并输出目标扭矩。若驱动电机最终输出负扭矩，则高压锂电叉车进行减速能量回收。
图5 油门踏板控制策略Fig.5 Accelerator pedal control strategy
图6 油门踏板驾驶意图模糊判断隶属度Fig.6 Membership degree of fuzzy judgment on driving intention of accelerator pedal
基于前文对油门踏板的控制提出的策略，并通过油门踏板与制动踏板分别实现不同工况下的行走能量回收。利用电动叉车数学模型与控制策略，分别使用MATLAB和AMESim/Simulink仿真软件搭建油门踏板控制策略仿真模型，并验证其可行性，系统的关键参数如表1所示。
表1 系统关键参数Tab.1 Key parameters of system
3.1 仿真模型搭建
根据油门踏板控制策略对电动叉车油门踏板开度变化率划分集合为{DH,DM,DS,AS,AM,AH}，其范围为[-1,1]，如图6a所示；
经过模糊控制判断得到电动叉车减速意图D的集合为{DH,DM,DL,AL,AM,AH}，其范围为[-1,1]，如图6b所示；
再加入电动叉车车速v的判断条件，对车速划分为{VS,VL,VM,VH}，通过高压锂电叉车动力总成参数匹配参数需求可得最高车速为18 km/h，所以其划分范围为[0,18]，如图6c所示；
最终得到电动叉车加减速强度z的判断，根据不同强度划分为{DH, DSH, DM, DL, DSL, O, ASL, AL, AM, ASH, AH}这11部分，其范围为[-1,1]，如图6d所示。
高压锂电电动叉车油门踏板能量回收的模糊控制规则按照3 t电动叉车实际控制经验制定。在油门踏板变化率越大时，说明驾驶员需要更快的减速意图，反之则减速意图更小。再根据电动叉车实时的车速情况判断减速强度，在车速较高的时候，为了缩短减速时间，需要给予更强的减速强度，让叉车驱动电机提供更大的反向减速扭矩。因此，可以得到如表2所示的油门踏驾驶意图判断模糊控制规则表。
表2 油门踏板驾驶意图判断模糊控制规则Tab.2 Fuzzy control rules for judging driving intention of accelerator pedal
按照上述模糊控制规则，使用Mamdani模糊系统可以得到如图7所示的油门踏板驾驶意图判断模糊推理规则曲面。
图7 油门踏板驾驶意图判断模糊推理规则曲面Fig.7 Fuzzy inference rule surface of accelerator pedal driving intention judgment
综上所述，根据油门踏板驾驶意图判断隶属关系与模糊控制规则，使用MATLAB/Simulink软件搭建油门踏板控制策略仿真模型，如图8所示，通过输入加速踏板开度变化曲线、SOC、车速、制动踏板信号，输出电动叉车加减速强度，得到驱动电机补偿扭矩并与油门踏板开度对应基准扭矩相加，所得到的计算目标扭矩值与驱动电机MAP最大扭矩限制作对比得到最终输出的目标转速，目标转速计算模块如图9所示。经过电动叉车行走系统动力学方程得到对应的车速变化。
图8 油门踏板控制策略仿真模型Fig.8 Simulation model of accelerator pedal control strategy
图9 目标扭矩计算模块Fig.9 Target torque calculation module
3.2 仿真结果分析
3 t高压锂电电动叉车的行走车速变化是通过驾驶控制油门踏板与刹车踏板实现的，在探究油门踏板控制策略可行性时需要输入油门踏板开度随时间变化的曲线，如图10所示为3 t电动叉车实际操作时的一段油门踏板开度曲线。仿真过程中，电池SOC初始值为50%，即使用能量回收模块，整车在水平路段行驶。
图10 油门踏板开度变化曲线Fig.10 Accelerator pedal opening curve
其中油门踏板开度增大部分，即油门踏板开度在0%～100%之间时，对应电动叉车匀速或加速的操作意图，通过模糊控制判断得出加速强度系数；
而油门踏板开度曲线斜率为负时，通过模糊控制器得到对应的补偿扭矩大小，当所得到的补偿扭矩大于油门开度给定基准扭矩时，驱动电机最终输出负扭矩，进行能量回收。经过MATLAB/Simulink软件仿真后可得结果如图11a所示，为油门踏板能量回收模糊推理规则所得到的加减速强度判断结果。
如图11b所示，图中负值扭矩表示驱动电机输出的反向减速扭矩，说明驱动电机此时处于能量回收工况。
图11 加减速强度与驱动电机输出扭矩仿真结果Fig.11 Simulation results of acceleration and deceleration intensity and drive motor output torque
根据驱动电机输出扭矩仿真得到如图12所示的高压锂电电动叉车的经济模式与性能模式控制策略的车速对比。在同样油门踏板变化曲线输入的条件下，性能模式最高车速可以达到16.94 km/h，而经济模式最高车速仅达到11.03 km/h，分析可得性能模式的动力性能强于经济模式。
图12 油门踏板控制策略车速仿真结果Fig.12 Speed simulation results of accelerator pedal control strategy
综上所述，通过MATLAB/Simulink对仿真模型进行参数的输入，分析仿真结果得到所制定油门踏板加减速模糊控制规则的输出结果，并求得驱动电机在这过程产生补偿扭矩，最终对比经济模式与性能模式之间的动力性能差距，验证了油门踏板控制策略在高压锂电电动叉车上的可行性。
本研究针对高压锂电电动叉车行走动力总成系统开展控制策略研究，提出高压锂电电动叉车行走控制策略，实现驱动控制的同时，对其制动过程的能量进行回收，并利用MATLAB/Simulink仿真软件验证油门踏板控制策略的可行性，并对比了经济模式与性能模式之间动力性能的差别。
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