混合动力叉车能耗仿真方法及系统与流程

本公开涉及车辆仿真，特别涉及一种混合动力叉车能耗仿真方法及系统。

背景技术：

1、目前，混合动力叉车的研发在国内外均处于起步阶段，面临关键部件未标准化、缺少大量设计经验、缺乏专业仿真设计方法、以及缺少软件平台等问题，整个研发过程中，难以综合考虑生产成本、可行性、可靠性以及车辆综合性能，混合动力叉车的优化、改型、验证过程完全依靠实车实验摸索，因此，研发周期漫长且成本高昂，大大制约了混合动力叉车技术的发展。

2、叉车能耗作业工况控制的传统方法，通常情况下只给出两组控制信号，分别控制车辆运行和起升与下降作业，车辆的运行通过给定目标车速信号来实现，再通过pid控制，使得仿真实时车速与目标车速偏差很小，进而控制叉车运行。起升与下降作业控制采用给定货物起升与下降高度曲线，控制叉车起升与下降作用时间。这种方法存在的问题陈述如下：

3、（1）这种工况作业控制方法并未对循环作业中所有操作进行控制，忽略了转向、前倾、后倾等操作。

4、（2）给定的车速和起升工作曲线，与实际试验过程中叉车运行速度、起升与下降位移曲线差异很大，尤其是目标车速曲线很难描述叉车起步与加速过程。

5、（3）目标车速控制曲线中制动部分的能量回收与实际差异很大，没有结合制动能量回收策略，未能区分强制动和弱制动不同控制方法。

6、（4）起升与下降控制曲线脱离液压系统元件特性和性能指标，起升速度和下降速度与实际存在一些差异。

技术实现思路

1、本公开提出一种混合动力叉车能耗仿真方法及系统，以解决上述技术问题。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种混合动力叉车能耗仿真方法，所述方法包括：基于混合动力叉车的整车架构，构造混合动力叉车的一维数字模型；利用面向叉车标准能耗工况的整车控制程序，控制一维数字模型的混合动力叉车的循环工况；借助于基于能量管理策略的控制程序，对混合动力叉车的动力单元进行控制，确定混合动力叉车仿真能耗。

3、在一些实施例中，所述构造混合动力叉车的一维数字模型，包括：建立动力电池模型：动力电池模型通过高压配电箱，实现高低电压转化，其中，动力电池参数包括标称电压、标称容量、放电状态下的电池内阻、充电状态下的电池内阻、放电状态下的开路电压曲线、充电状态下的开路电压曲线；所述高压配电箱为dcdc电力电子转换器，dcdc参数包括电压转化比率和效率；建立混合动力叉车驱动系统模型：对牵引电机、减速箱、驱动桥、制动器、以及整车动力传递路线进行建模，其中，混合动力叉车驱动系统参数包括满载质量、空载质量、减速箱和驱动桥之间的减速比及效率、轮胎半径、轮胎滚动摩擦系数、制动器最大制动扭矩、电机外特性曲线、电机峰值扭矩、电机额定扭矩、电机最大转速、电机效率曲线、电机转子转动惯量；建立混合动力叉车的双动力源模型：发动机与发电机采用串并混联连接，混合动力叉车的双动力源参数包括发动机外特性参数、发动机扭矩-转速-比油耗曲线、发动机排量和进气方式、飞轮转动惯量、发动机怠速工况转速、发动机最佳工作曲线、发电机外特性曲线、发电机峰值扭矩、发电机额定扭矩、发电机最大转速、发电机效率曲线、发电机转子转动惯量；建立混合动力叉车液压系统模型：建立起升与下降系统、倾斜系统、以及转向系统，液压元件参数包括主泵与附泵排量、机械效率、容积效率、多路阀的起升阀片最大开口对应压损、限速阀流量及压损；门架部件参数包括空载、满载工况门架与负载质量总和、起升油缸缸径与行程。

4、在一些实施例中，通过有线状态机将循环工况分解成多个状态；所述控制一维数字模型的混合动力叉车的循环工况，包括：控制等待驱动状态的混合动力叉车切换至起步加速状态，以使混合动力叉车前进；控制前进状态的混合动力叉车叠加油门保持状态；控制混合动力叉车切换至转向状态；控制混合动力叉车切换至制动状态。

5、在一些实施例中，控制等待驱动状态的混合动力叉车切换至后退状态，以使混合动力叉车后退；控制混合动力叉车切换至转向状态；控制混合动力叉车切换至制动状态。

6、在一些实施例中，所述控制混合动力叉车切换至制动状态之后，还包括：控制等待前倾状态的混合动力叉车切换至前倾状态；控制等待起升状态的混合动力叉车切换至起升状态；当起升至第一预设高度时，控制混合动力叉车切换至下降状态；当下降至第二预设高度时，控制混合动力叉车切换至后倾状态。

7、在一些实施例中，基于动力电池的soc状态、制动信号、倾斜信号，对发动机和发电机的工作模式进行控制；所述对混合动力叉车的动力单元进行控制，包括：在制动工况和倾斜工况下，发电机不发电，在起升工况时，基于负载的大小控制发电机的工作模式，其中，发电机的工作模式包括电机模式和发电模式，其中，发电机处于电机模式时，因需要同时满足起升流量需要，电机扭矩需求由负载决定；发电机处于发电模式时，发电机发电扭矩需求需要结合发动机最佳工作曲线，使发动机处于高效工作区间。

8、在一些实施例中，在非门架作业或者制动工况下，发动机工作模式采用多点控制方法，在发电机处于发电模式时，基于动力电池的soc状态，判断和切换发动机所处的工作点，其中，将发动机分为三个工作点，即转速1000rpm低挡功率输出、转速1200rpm中挡功率输出、转速1400rpm高挡功率输出。

9、在一些实施例中，当soc≤50%时，发动机以转速1400rpm高挡功率输出，发电扭矩为140nm；当50%＜soc≤60%，或60%＜soc＜70%时，soc与前面状态共同决定是否在发动机转速为1200rpm、发电机扭矩为120nm的最优工况发电；当soc≥70%时，发动机以转速1000rpm低挡功率输出，发电扭矩为0nm。

10、在一些实施例中，利用amesim软件构造混合动力叉车的一维数字模型。

11、根据本公开的第二方面，提供了一种混合动力叉车能耗仿真系统，所述能耗仿真系统包括：混合动力叉车一维数字模型构造模块，用于基于混合动力叉车的整车架构，构造混合动力叉车的一维数字模型；循环工况控制模块，用于利用面向叉车标准能耗工况的整车控制程序，控制一维数字模型的混合动力叉车的循环工况；动力单元控制模块，用于借助于基于能量管理策略的控制程序，对混合动力叉车的动力单元进行控制，确定混合动力叉车仿真能耗。

12、根据本公开的第三方面，提供了一种混合动力叉车能耗仿真装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器的指令，执行如上述的混合动力叉车能耗仿真方法。

13、根据本公开的第四方面，提供了一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现如上述的混合动力叉车能耗仿真方法。

14、通过采用上述技术方案，本公开的实施例能达到的有益技术效果：本公开采用amesim软件构造混合动力叉车的一维模型，通过本公开能快速实现混合动力叉车架构设计与控制策略在设计前期的验证，有效避免设计早期匹配选型不充分，过/欠设计频发，后期更改设计方案成本高等问题，本公开作为混合动力叉车架构正向设计的重要环节，加快混合动力叉车能耗性能系统仿真和数字孪生设计平台建设，进一步提升整车正向设计水平，本公开所涉仿真方法具有以下特点：在混合动力叉车的能源管理、功率管理、系统协同等多方面给出仿真验证，验证了内燃发动机与发电机（fisg）的协调控制技术。

15、能准确模拟发动机多点控制与恒温器控制策略结合的整车能量管理方法，验证了依据soc状态进行分档控制的可行性，利用发动机最佳工作曲线，使得发动机在最佳工作区域工作，降低燃油消耗。仿真结果显示soc分为四挡，策略程序逻辑清晰，叉车在轻载工况时，soc在其上限（70%）动态平衡，在重载工况soc在其下限（50%）动态平衡。

16、验证了牵引工作电机的转速控制技术及制动能量回收策略。牵引电机采用速度控制模式，牵引工作电机在不同转速工况对应的扭矩限制曲线满足叉车大多数工况的动力需求，其中，工况包括满载加速、满载全速行驶、满载爬坡、空载爬坡，且牵引电机驱动工况均处于电机的高效率区间。

17、有效验证了液压系统双泵合流方案的合理性，通过仿真可快速得到叉车门架系统的运行效率（起升与下降速度）和液压系统能耗，根据整车能耗工况，进而匹配优化液压系统的元件参数选型。

18、具体的，本公开将系统仿真技术运用于混合动力叉车总体方案设计，根据叉车混合系统结构和能耗工况特性，在满足叉车运行、起升、倾斜、转向等动力需求前提下，提出发动机、电动机（fisg）、牵引工作电机、动力电池等主要元器件参数设计方案，在产品设计阶段，通用虚拟样机模型验证整车及系统架构匹配合理性，有效降低混合动力叉车开发的技术风险，对控制混合动力叉车研发成本、缩短研发周期有显著作用。

19、本公开采用面向叉车能耗试验循环工况的工况仿真控制技术，通过引入有限状态机程序控制方法，避免采用传统pi控制的驾驶员模型，这样能够更好模拟混合动力叉车真实的行走、转向起升、倾斜等工况，有限状态机控制流程与能耗试验过程中叉车驾驶员操作步骤基本一致，保证了模拟整车能耗的精确度。

20、本公开能在开发前期对整车能量管理与控制策略开展验证，依据整车能量管理的目标，以及控制策略实现方式，提出的基于有限状态机法编制能量管理程序，逻辑清晰，可读性强。仿真充分验证了，该混合动力叉车的soc分级管理策略能稳定发动机工作在经济工作区域，同时，保持动力电池的soc在安全和性能稳定范围内。

21、本公开采用amesim软件实现，充分利用该软件数据管理、图文报表功能，使得数据处理与显示更加方便与快捷。