一种上装与行走混合驱动环卫作业车及其控制方法与流程

本发明涉及混合动力汽车领域，尤其涉及一种上装与行走混合驱动环卫作业车及其控制方法。
背景技术：
：近些年来，随着能源与环境问题的日益严峻，节能和环保问题成了当今发展的一大主题。汽车行业也逐步朝着节能环保的方向发展，各种新能源汽车应运而生，纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车等新技术的出现，加快了汽车能源利用的转型升级。其中混合动力汽车以其较为成熟的技术，便捷的能量获取方式和媲美传统车辆的续驶里程，获得了各汽车厂商和广大消费者的青睐，成为当今新能源车辆发展的主要方向之一。随着节能环保意识的提升，人们对能耗和排放的严格要求不仅仅局限在乘用车和商用车上，对于专用车的能耗和排放也提出了更高的要求。自改革开放以来，我国的城市化进程逐步加快，城市道路清洁问题也成为了不可回避的问题，而环卫作业车的出现则极大地改善了这一问题。环卫作业车相比环卫工人有着高效的清扫效率，获得了人们的认可。但是目前大部分的环卫作业车结构是底盘单独运行，上装部分是由单独的发动机带动风机和高压水泵工作，实现整车清扫功能。两者相互独立，并无直接关系。这就导致两方面不利于运行(行驶和清扫)经济性的问题。一方面，环卫作业车清扫作业时行驶车速较低，一般在3～20km/h。而为了兼顾清扫和转场用动力需求，底盘发动机一般功率选型较大，这样就造成低速清扫行驶时，底盘发动机负荷率低下，工作点远离其最佳燃油消耗率区间，造成功率浪费，燃油经济性差。另一方面，转场中高速行驶时，虽然底盘发动机负荷率较高，行驶燃油经济性变好，但是上装驱动风机和高压水泵的副发动机动力源属于无用载荷，增加整车负载，白白消耗汽车燃油，造成运输效率下降。此外，无论是底盘发动机还是上装副发动机都在工作时各自与其负载(对于底盘发动机是车轮，对于上装副发动机是风机、高压水泵等清扫装置)保持机械连接，故没有实现机械解耦，导致他们工作点受负载运行状态而变化，故无法调节其工作点来提高燃油经济性，且当各自遭遇大功率需求时，没有额外的动力源为其提供辅助功率输入，导致能耗高、噪音大、排放差的缺点。因此，考虑到节能和环保的问题，开发新型动力学装置的环卫作业车成为发展的必然趋势。目前，行业内的一些公司和有关高校已经在设计和开发新型动力学装置环卫作业车，并且取得了一些成果，如：公开号为CN102383388A的专利“一种大型道路清扫车的混合动力驱动系统”，该系统只需要一台内燃发动机，作业模式下采用发动机驱动上装作业同时驱动底盘运行，转场模式下采用发动机单独驱动底盘运行的混合动力环卫作业车，能使发动机在高效率区运行，提高了发动机的负荷率，降低了油耗；公开号为CN102704427A的专利“一种混合动力清扫车”，实现在作业模式下采用发动机驱动底盘运行，电机驱动上装作业，转场模式下采用发动机单独驱动底盘运行同时可以给电池组充电的混合动力环卫作业车，使得发动机在转场模式下可以工作在高效率区间；公开号为CN104527403A的专利“一种大型油电混合动力道路清扫车动力驱动系统及其控制策略”，该技术动力系统只需一台相当于原车副发动机功率大小的发动机，实现在作业模式下采用发动机驱动上装作业，电机驱动底盘运行，转场模式下，采用并联混合动力驱动的混合动力环卫作业车构型，从而提高发动机负荷率，改善燃油经济性；汽车实用技术杂志刊登的1671-7988(2013)07-52-03文章“插电式混合动力清扫车动力电池系统的匹配与设计”，实现在作业模式下采用蓄电池驱动上装作业，发动机驱动底盘运行，转场模式下采用并联混合动力驱动的混合动力环卫作业车，减小了发动机尺寸，降低了整车质量，同时保证转场模式下发动机工作在较理想的工作区间；公开号为CN204738260U的专利“一种用于清扫的动力系统、清扫车和混合动力系统”，实现在作业模式下发动机驱动上装作业，电机驱动底盘运行，转场模式下，电机驱动底盘运行的混合动力环卫作业车，使得发动机工作在高效率区间，转场模式实现零排放，启停迅速；意大利道路宝公司推出的一款新能源环卫作业车——D-zero。D-zero是一款纯电动环卫作业车具有零操纵难度、充电方便、零排放、噪声小的优点，可大大减少尾气排放，降低空气污染，但是该作业车是小型环卫作业车，清扫能力有限，并且纯电动驱动模式对电池性能要求较高，而目前电池能量密度的问题仍没有得到很好地解决，导致这种纯电动驱动模式在中大型环卫作业车上应用难度较大。技术实现要素：本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种上装与行走混合驱动环卫作业车，根据两种不同的工作模式下提供不同动力驱动方法，保证发动机的高效工作。本发明还提供一种上装与行走混合驱动环卫作业车的控制方法，由发动机和上装电机共同参与转场模式驱动，从而可以实现降低匹配发动机功率，用发动机提供稳定的行驶功率需求。本发明提供的技术方案为：一种上装与行走混合驱动环卫作业车，包括：发动机，其具有输出轴，所述输出轴上固定齿轮；驱动桥，其与所述输出轴连接，所述驱动桥两端连接驱动轮；发电机，其具有传动轴；第一花键毂，其同轴固定在所述传动轴上；第一空套齿轮，其套设在所述传动轴上，与所述齿轮啮合；第一外齿圈，其固设在所述第一空套齿轮内部；第一接合套，其与所述第一花键毂滑动连接，所述第一接合套能够轴向移动与所述第一外齿圈选择性的接合或断开；上装电机，其与所述发电机电连；电池，其与所述上装电机电连；行星齿轮减速机构，其输入端与所述上装电机的输出端固连，所述行星齿轮减速机构包括行星架齿轮；第二花键毂，其固定在所述输出轴的中部；第二空套齿轮，其套设在所述输出轴上，与所述行星架齿轮啮合；第二外齿圈，其固设在所述第二外齿圈内部；第二接合套，其与所述第二花键毂滑动连接，所述第二接合套能够轴向移动与所述第二外齿圈选择性的接合或断开；作业装置，其固定在所述行星齿轮减速机构的输出端。优选的是，所述作业装置包括：风机、高压水泵和扫刷装置；其中所述扫刷装置包括：齿轮泵，其输入端连接所述行星齿轮减速机构的输出端的输出端；摆线马达，其输入端连接所述齿轮泵的输出端；扫刷机构，其输入端连接所述摆线马达的输出端。优选的是，还包括：离合器，其设置在所述发动机的输出端与所述齿轮之间；变速器，其设置在所述第二空套齿轮和所述驱动桥之间。离心式自动离合器，其设置在所述行星齿轮减速机构和所述作业装置之间。优选的是，所述行星齿轮减速机构还包括：壳体，以及行星架，其外部与所述行星架齿轮固连，一端与所述离心式自动离合器固连；太阳轮，其中心与所述上装电机的输出端连接。内齿圈，其固定在所述壳体上；多个行星轮，其可旋转地支撑在所述行星架另一端，均匀设置在所述太阳轮和内齿圈之间，并分别与所述太阳轮和所述内齿圈啮合。优选的是，还包括：液压管路，其连接所述齿轮泵和所述摆线马达。一种上装与行走混合驱动环卫作业车的控制方法，包括：当Tt＜0，SOC＜SOCmax时，第一接合套与第一外齿圈断开，第二接合套与第二外齿圈接合，发动机和发电机不工作，上装电机发电；其中，Tt为总驱动扭矩，SOC为电池剩余电量；SOCmax为电池最大剩余电量；Tt＜Te_min，SOCav＜SOC≤SOCmax时，第一接合套与第一外齿圈断开，第二接合套与第二外齿圈接合，发动机不工作电池驱动上装电机工作；其中，Te_min为发动机给定转速的最佳工作区间的驱动扭矩下限，SOCav为设定充放电界限；当Tt＜Te_min，SOCmin＜SOC≤SOCav时，第一接合套与第一外齿圈接合，第二接合套与第二外齿圈断开，发动机和发电机工作，上装电机不工作；SOCmin为电池最小剩余电量；当Tt＜Te_min，SOC≤SOCmin时，第一接合套与第一外齿圈接合，第二接合套与第二外齿圈断开，发动机和发电机工作，上装电机不工作；当Te_min≤Tt≤Te_max，SOCav≤SOC≤SOCmax时，第一接合套与第一外齿圈接合，第二接合套与第二外齿圈断开，发动机和发电机工作，上装电机不工作；其中，Te_max为发动机给定转速的最佳工作区间的驱动扭矩上限；当Tt＞Te_max，SOCmin＜SOC≤SOCmax时，第一接合套与第一外齿圈断开，第二接合套与第二外齿圈接合，发动机和上装电机工作，发电机不工作；当Tt＞Te_max，SOC＜SOCmin时，第一接合套与第一外齿圈断开，第二接合套与第二外齿圈断开，发动机工作，发电机和上装电机不工作。优选的是，所述充放电界限SOCav满足：优选的是，所述电池剩余电量是基于卡尔曼滤波方法实时测得。优选的是，当Tt＜Te_min，SOCmin＜SOC≤SOCav或Tt＜Te_min，SOC≤SOCmin或Te-min≤Tt≤Te_max，SOC＜SOCav时，发动机为发电机提供的功率Pe_g为：Pe_g＝(Te_max-Tt)ne其中，Te_max为发动机的输出扭矩，ne为发动机的输出转速。优选的是，当Tt＞Te_max，SOCmin＜SOC≤SOCmax时，上装电机的输出扭矩Tm为：Tm＝Tt-Te_max。本发明所述的有益效果：1、本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车取消了传统环卫作业车排放性能较差的副发动机，从而降低了作业工况时的排放、噪音和环境污染。2、本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车在作业模式下，可以让底盘发动机驱动车辆低速行走的同时为上装清扫作业装置的提供动力输入或通过带动上装发电机发电给电池充电，从而提高了底盘发动机负荷率，且由于清扫作业时工况稳定，通过合理匹配发动机的排量和功率，可以确保底盘发动机在作业模式下始终处于其最佳工作区间。3、本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车在作业模式下，上装舍弃了副发动机动力装置，改为由纯电动驱动，噪声小、不扰民、无污染，非常适合夜间或凌晨清扫作业任务。4、本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车在转场模式下，由发动机和上装电机共同参与驱动，从而可以实现降低匹配发动机功率，用发动机提供稳定的行驶功率需求，且在电量充足时借助上装电池纯电驱动/发电系统实现对发动机稳定输出功率的削峰填谷作用。即避免上装驱动系统在转场模式下只作为负载无谓增加车辆功率损耗问题，同时因选配更小功率的发动机，发动机负荷率增加，且因采用混合驱动方案，发动机工况稳定，燃油经济性好。5、本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车在作业模式下，最大需求功率主要来自上装作业系统，因此上装作业系统可以根据电池电量多少既可以工作在动力电池纯电驱动，又可以采用发动机和动力电池混合驱动模式；而底盘驱动由于需求功率小仅采用发动机单独驱动即可。在转场模式下，需求功率全部来自底盘驱动系统，因此，底盘驱动采用发动机和电机混合驱动模式。通过合理选型可以减小动力电池容量和发动机尺寸，从而达到能源的最大化利用，且减小驱动系统尺寸，节省布置空间，减少成本，降低整车质量。附图说明图1为本发明的所述的上装与行走混合驱动环卫作业车动力系统结构简图。图2为本发明的所述的上装与行走混合驱动环卫作业车电气连接关系图。图3为本发明的所述的上装与行走混合驱动环卫作业车转场模式下的控制流程图。图4为本发明的所述的上装与行走混合驱动环卫作业车作业模式下的控制流程图。图5为本发明的所述的上装与行走混合驱动环卫作业车发动机工作区间图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1-3所示，本发明是用于混合动力环卫作业车的一种上装与行走混合驱动环卫作业车及其控制方法。本发明所述的上装与行走混合驱动环卫作业车的动力驱动系统通过驾驶员操纵模式切换按钮，可以选择环卫作业车在转场工况下和作业工况下采用不同的动力传动方式。本发明所述环卫作业车动力系统主要由底盘行驶系统700和上装作业系统800组成。所述底盘行驶系统700由发动机100、离合器101、齿轮102、变速器103、驱动桥104、驱动轮105、模式切换装置二300组成。所述上装作业系统800由模式切换装置一200，发电机401，上装电机402，电池403，洒水电机404，行星齿轮减速机构500，离心式自动离合器601，风机602，齿轮泵603，摆线马达604，扫刷机构605，高压水泵606组成。所述底盘行驶系统700中，发动机100的曲轴输出端与离合器101的主动盘机械固连。模式切换装置二300由第二空套齿轮301、接合第二外齿圈302、第二接合套303与第二花键毂304组成。第二空套齿轮301空套在传动轴上，接合第二外齿圈302与第二空套齿轮301固定连接，离合器101的从动盘与齿轮102和第二花键毂304机械连接，第二接合套303加工有滑动内花键，接合第二外齿圈302与第二花键毂304加工有滑动外花键，第二接合套303与第二花键毂304始终处于滑动连接状态，第二接合套303可轴向移动，第二接合套303右移与接合第二外齿圈302接合，第二接合套303左移与接合第二外齿圈302断开。模式切换装置二300的第二花键毂304与变速器103的输入端固连，变速器103的输出端与驱动桥104机械连接，驱动桥104进而与左右两侧的驱动轮105机械连接。所述上装作业系统800中，模式切换装置一200由第一空套齿轮201、接合第一外齿圈202、第一接合套203与第一花键毂204组成。第一空套齿轮201空套在传动轴上，第一空套齿轮201与底盘行驶系统700的齿轮102常啮和，第一空套齿轮201与接合第一外齿圈202固定连接，第一接合套203加工有滑动内花键，接合第一外齿圈202与第一花键毂204加工有滑动外花键，第一接合套203与第一花键毂204始终处于滑动连接状态，第一接合套203可轴向移动，第一接合套203左移与接合第一外齿圈202接合，第一接合套203右移与接合第一外齿圈202断开。第一花键毂204与发电机401的输入端机械连接。发电机401与上装电机402之间、发电机401与洒水电机404之间、发电机401与电池403之间均采用电线连接方式，电池403与上装电机402之间、电池403与洒水电机404之间均采用电线连接方式。行星齿轮减速机构500由太阳轮501、行星轮502、行星架503、内齿圈504与行星架齿轮505组成。上装电机402的输出端与行星齿轮减速机构500的太阳轮501之间机械连接，行星齿轮减速机构500的内齿圈504固定在壳体上，行星齿轮减速机构500的行星架503与行星架齿轮505固定连接，行星架齿轮505与第二空套齿轮301常啮合；行星齿轮减速机构500的太阳轮501和内齿圈504之间均布有三个行星轮502，并分别与太阳轮501和内齿圈504啮合；三个行星轮502可旋转的支撑在其各自中心的行星轮轴上，行星轮轴与行星齿轮减速机构500的行星架503固定连接；行星齿轮减速机构500的行星架503与离心式自动离合器601的输入端机械连接，离心式自动离合器601的输出端与风机602、齿轮泵603和高压水泵606之间均存在机械连接，齿轮泵603与摆线马达604之间通过液压管路连接，摆线马达604与扫刷机构605之间机械连接。如图4和表1所示，本发明所述的一种上装与行走混合驱动环卫作业车及其控制方法在转场模式下的控制程序流程具体步骤如下：上电后，环卫作业车整车控制器初始化，完成自检过程，读取模式切换控制参数，包括：电池SOC的下限SOCmin和上限SOCmax，取值如表3所示，以及充放电界限值SOCav，发动机万有特性曲线(以数据表的形式存储在程序中)，发动机给定转速的最佳工作区间的驱动扭矩下限Te_min和驱动扭矩上限Te_max。本发明设定充放电界限SOCav为：整车控制器(VCU)通过传感器实时获取控制信号，所述整车控制器中存储有所述模式切换控制策略，所述传感器包括：踏板位移传感器，车速传感器，电池能量管理系统。所述踏板位移传感器分别安装在加速踏板和制动踏板处，所述车速传感器安装在车轮处，所述电池能量管理系统安装在电池附近，所述电池能量管理系统中设有电池SOC估计模块，所述踏板位移传感器、车速传感器和电池能量管理系统通过CAN总线将踏板位移信号、车速信号和估计的电池SOC值传输到VCU，VCU根据踏板位移信号和车速信号计算总需求扭矩，并将处理后的信号通过CAN总线传输给模式切换装置控制器，所述模式切换装置控制器根据VCU信号，完成对模式切换装置一和模式切换装置二的控制。根据整车控制器获取的控制信号决策当前工况下的动力系统功率分配方式，并通过模式切换装置控制器以及相应的模式切换装置一和模式切换装置二完成模式切换操作。具体如下：1)当Tt＜0，SOC＜SOCmax。模式切换装置一200的第一接合套203右移，模式切换装置二300的第二接合套303右移。发动机100不参与驱动，发电机401处于停机状态，上装电机402处于发电模式，制动能量经驱动桥104，变速器103，行星齿轮减速装置500驱动上装电机402运行在发电模式，从而给电池403充电，此时，发动机输出扭矩为0。2)Tt＜Te_min，SOCav＜SOC≤SOCmax。模式切换装置一200的第一接合套203右移，模式切换装置二300的第二接合套303右移，发动机100停止工作，电池403单独驱动上装电机402工作，产生的动力用于车辆行驶。3)Tt＜Te_min，SOCmin＜SOC≤SOCav。模式切换装置一200的第一接合套203左移，模式切换装置二300的第二接合套303左移，环卫作业车的行驶系统动力由发动机100提供，同时，发动机100带动发电机401工作，产生的电能为电池403充电，上装电机402停止工作。此时发动机100的输出扭矩为Te_min，为发电机401提供的功率为：Pe_g＝(Te-min-Tt)ne，式中，ne(r/min)为发动机100的输出转速。4)Tt＜Te_min，SOC≤SOCmin。模式切换装置一200的第一接合套203左移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。环卫作业车行驶系统的动力由发动机100提供，同时，发动机100的部分功率通过模式切换装置一200驱动发电机401，产生的电能为电池403充电，上装电机402停止工作，此时，发动机100的输出扭矩为Te_max，发动机100为发电机401提供的功率为：Pe-g＝(Te-max-Tt)ne。5)Te_min≤Tt≤Te_max，SOCav≤SOC≤SOCmax。模式切换装置一200的第一接合套203右移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。发动机100动力经离合器101，变速器103，驱动桥104，驱动轮105驱动环卫作业车运行，发电机401和上装电机402处于停机状态。此时，发动机100输出扭矩为Tt。6)Te_min≤Tt≤Te_max，SOC＜SOCav。模式切换装置一200的第一接合套203左移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。发动机100动力一部分经离合器101，变速器103，驱动桥104到驱动轮105，驱动环卫作业车行驶，一部分经模式切换装置一200驱动发电机401发电，产生的电能为电池403充电，上装电机402处于停机状态，此时发动机100的输出扭矩为Te_max，发动机100为发电机401提供的功率为：Pe_g＝(Te_max-Tt)ne。7)Tt＞Te_max，SOCmin＜SOC≤SOCmax。模式切换装置一200的第一接合套203右移，模式切换装置二300的第二接合套303右移。发电机401停止工作，电池403为上装电机402提供驱动功率，上装电机402的输出扭矩经行星齿轮减速机构500减速后，和发动机100输出扭矩进行耦合，耦合扭矩经过变速器103，驱动桥104到驱动轮105，驱动环卫作业车运行。此时发动机100的输出扭矩为Te_max，上装电机的输出扭矩为Tm＝Tt-Te_max。8)Tt＞Te_max，SOC＜SOCmin。模式切换装置一200的第一接合套203右移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。发电机401停止工作，电池403不输出电能，上装电机402处于停机状态，发动机100单独驱动环卫作业车运行，此时，发动机100的输出扭矩为Tt。表1、转场模式下的控制策略如图5和表2所示，本发明所述的一种上装与行走混合驱动环卫作业车及其控制方法在作业模式下的控制程序流程具体步骤如下：上电后，环卫作业车整车控制器初始化，完成自检过程，读取模式切换控制参数，包括：电池SOC的下限SOCmin和上限SOCmax，取值如表3所示。发动机万有特性曲线，发动机给定转速的最佳工作区间的驱动扭矩下限Te_min和驱动扭矩上限Te_max。整车控制器(VCU)通过传感器实时获取控制信号，所述整车控制器中存储有所述模式切换控制策略，所述传感器包括：踏板位移传感器，车速传感器，电池能量管理系统。所述踏板位移传感器分别安装在加速踏板和制动踏板处，所述车速传感器安装在车轮处，所述电池能量管理系统安装在电池附近，所述电池能量管理系统中设有电池SOC估计模块，所述踏板位移传感器、车速传感器和电池能量管理系统分别通过CAN总线将踏板位移信号、车速信号和估计的电池SOC值传输到VCU，VCU根据踏板位移信号和车速信号计算总需求扭矩Tt，并将处理后的信号通过CAN总线传输给模式切换装置控制器，所述模式切换装置控制器根据VCU信号，完成对模式切换装置一和模式切换装置二的控制。根据整车控制器获取的控制信号决策当前工况下的动力系统功率分配方式，并通过模式切换装置控制器以及相应的模式切换装置一和模式切换装置二完成模式切换操作。具体如下：1)SOCmin＜SOC≤SOCmax。模式切换装置一200的第一接合套203左移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。发动机100动力一部分经离合器101，变速器103，驱动桥104，驱动轮105驱动环卫作业车运行，此时发动机100为底盘行驶提供的扭矩为Tt。同时，发动机100另一部分动力驱动发电机401产生电能和电池403共同参与驱动上装电机402运行，从而为上装提供动力。此时发动机100输出扭矩为Te_min，发动机100为发电机401提供的功率为：Pe-g＝(Te-min-Tt)ne。2)SOC≤SOCmin。模式切换装置一200的第一接合套203左移，模式切换装置二300的第二接合套303左移。发动机100动力一部分经离合器101，变速器103，驱动桥104，驱动轮105驱动环卫作业车运行，此时发动机为底盘行驶提供的扭矩为Tt。同时，发动机100另一部分动力驱动发电机401产生电能为电池403充电，同时驱动上装电机402为风机602，齿轮泵603运行提供动力，此时需关闭高压水泵606，保证发动机100仍能工作在高效率区间范围内。此时，发动机100的输出扭矩为Te_max，发动机100为发电机401提供的功率为：Pe_g＝(Te-max-Tt)ne。在另一实施例中SOCmin的值为0.3，SOCmax的值为0.9。表2、作业模式下的控制策略SOCmin＜SOC≤SOCmaxTe＝Te_o；Pe_g＝(Te-o-Tt)ne；Tt＝Tw-nSOC≤SOCminTe＝Te-max；Pe-g＝(Te-max-Tt)ne；Tt＝Tw-n表3设计变量阈值的参考值变量阈值参考值SOCmin0.3SOCmax0.9尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页1 2 3