CN112959508B - 一种水泥搅拌车、上装系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥搅拌车、上装系统及其控制方法，车辆包括汽车底盘和设置在底盘上的上装部分；底盘包括发动机，发动机驱动连接底盘驱动轮；上装部分包括水泥搅拌筒、上装电动机、动力电池、上装电机；动力电池连接上装电动机和上装电机，上装电动机驱动连接水泥搅拌筒，发动机通过上装离合器和取力装置连接上装电机；还包括控制器，控制器控制连接上装离合器、上装电机、上装电动机，控制器还采集车辆状态；方法包括：车辆起步时，控制上装离合器接合；控制上装电机工作在电动模式输出第一设定扭矩；车速达到设定值后，回到正常上装系统充电逻辑。本发明提高了水泥搅拌车起步驾驶感受，降低了罐车对发动机排量的要求，降低了油耗和排放。

Description

一种水泥搅拌车、上装系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种水泥搅拌车、上装系统及其控制方法，属于采用电动上装的水泥搅拌车技术领域。

背景技术

随着国家基建的扩大，水泥搅拌车市场逐步扩大和环境保护需求的日益增长，水泥搅拌车将逐步开始使用纯电动的上装系统。水泥运输过程中需要搅拌筒持续转动，防止水泥固结发生闷罐。取代了直接从发动机取力带动罐体转动，电动上装将有效降低水泥罐车的油耗和尾气的排放。

水泥搅拌车装载货物后能够达到30吨以上的自重，在车辆起步过程比较困难，需要大排量的发动机输出较大扭矩才能使车辆移动，若遇到上坡则启步更加困难，此过程中车辆油耗较高排放水平差，驾车体验较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泥搅拌车、上装系统及其控制方法，用以解决满载水泥罐车起步困难及起步油耗高污染大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种水泥搅拌车，包括汽车底盘和设置在汽车底盘上的上装部分，所述汽车底盘包括发动机，所述发动机驱动连接底盘驱动轮；所述上装部分包括水泥搅拌筒、上装电动机、动力电池、上装电机；所述动力电池连接上装电动机和上装电机，所述上装电动机驱动连接水泥搅拌筒，所述发动机通过上装离合器和取力装置连接上装电机；还包括控制器，所述控制器控制连接所述上装离合器、上装电机、上装电动机，所述控制器还采集车辆状态；

所述控制器执行指令以如下步骤实现车辆控制方法：

1)车辆起步时，控制上装离合器接合；

2)控制上装电机工作在电动模式输出第一设定扭矩；

3)车速达到设定值后，控制上装电机工作在发电模式为动力电池充电；或者，车速达到设定值后，控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

本发明的水泥搅拌车，在电动上装的基础上，利用电动上装系统的从发动机取力的发电机，在起步时反拖发动机运转，为罐车起步提供电驱动力。得益于电动机的大扭矩，使得满载的水泥搅拌车能够容易起步，降低了水泥罐车对发动机排量的要求，可以使水泥罐车降低底盘发动机排量。有效降低了水泥罐车的油耗和排放，同时提高了水泥罐车起步时的驾驶体验。

进一步的，所述控制器采集车辆挡位、车速、油门踏板位置传感器、发动机转速；车辆控制方法中，判断车辆起步的条件包括如下条件的一个或多个：空挡切进前进挡、车速为0、油门踏板开度达到第一设定阈值、发动机转速由怠速达到第二设定阈值。

电机扭力输出快速直接，在驱动控制信号到达时即可立刻输出扭矩，但内燃发动机输出起步扭矩需要先建立一定转速。为了保证电机扭矩输出能够和发动机扭矩输出保持同步，本发明通过车辆挡位、车速、油门踏板开度、发动机转速这几项车辆参数实现车辆起步的判断，也即发动机扭矩输出时机的判断。在油门开度达到设定阈值、发动机转速提升到一定阈值时输出电机助力扭矩，发动机和电机扭矩完美叠加后施加在下游传动系统，使车辆起步更加平稳线性；不会出现电机驱动力先传递到轮上，发动机扭矩然后到达，或者发动机先至电机后达，使得车辆起步过程出现顿挫的情况。此外，电机扭矩提前输出可能难以驱动自重30顿以上的整车，导致电机堵转发热寿命降低，甚至车辆后溜等危险。

进一步的，还包括判断车辆倾斜程度的倾角模块；车辆控制方法中，在车辆起步时，若通过倾角模块判断车辆处于上坡，则控制上装电机输出第二设定扭矩，第二设定扭矩大于第一设定扭矩。

本发明还对车辆所处位置的坡度进行判断，若车辆朝向上坡方向起步，则需要更大的起步扭矩，此时控制上装电机输出更大扭矩，助力车辆坡起。

进一步的，第二设定扭矩与车辆倾斜程度正相关。

根据坡度增加上装电机助力力矩，坡度越大助力力矩越大。使得车辆坡道起步性能和体验与平路无异，提升极端路况的起步驾驶体验。

进一步的，车辆控制方法中，若检测到车辆制动，则控制上装离合器接合；控制上装电机工作在发电模式并输出最大扭矩；车辆制动状态结束后，控制上装电机恢复为原输出扭矩，或者控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

本发明在车辆制动时，自动转为通过上装电机全力回收车辆制动能量，能够实现节约能源减少排放。满载的水泥罐车自重达到30顿以上，制动时需要极大的制动力矩，这样大的力矩可以满足上装电机的全力发电回收动能，额外的制动力矩则由车辆底盘的鼓式制动器提供，本发明也能有效减少机械制动的损耗。

本发明的一种水泥搅拌车的上装系统，包括水泥搅拌筒、上装电动机、动力电池、上装电机；所述动力电池连接上装电动机和上装电机，所述上装电动机驱动连接水泥搅拌筒，所述上装电机还用于通过上装离合器向车辆底盘输出驱动力；还包括控制器，所述控制器控制连接所述上装离合器、上装电机、上装电动机，所述控制器还用于采集车辆状态；

所述控制器执行指令以实现如下步骤：

1)当控制器判断车辆起步时，控制上装离合器接合；

2)控制上装电机工作在电动模式输出第一设定扭矩；

3)车速达到设定值后，控制上装电机工作在发电模式并为动力电池充电；或者，车速达到设定值后，控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

进一步的，所述控制器用于采集车辆挡位、车速、油门踏板位置传感器、发动机转速；控制器判断车辆起步的条件包括如下条件的一个或多个：空挡切进前进挡、车速为0、油门踏板开度达到第一设定阈值、发动机转速由怠速达到第二设定阈值。

进一步的，还包括判断车辆倾斜程度的倾角模块；车辆控制方法中，在车辆起步时，若通过倾角模块判断车辆处于上坡，则控制上装电机输出第二设定扭矩，第二设定扭矩大于第一设定扭矩，且第二设定扭矩与车辆倾斜程度正相关。

进一步的，若所述控制器判断车辆制动，则控制上装离合器接合；控制上装电机工作在发电模式并输出最大扭矩；车辆制动状态结束后，控制上装电机恢复为原输出扭矩，或者控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

本发明的一种水泥搅拌车控制方法，采用如上所述的水泥搅拌车中的车辆控制方法。

附图说明

图1是本发明的一种水泥搅拌车结构示意图；

图2是另一种实施例中水泥搅拌车上装部分放大图；

图3是本发明的一种水泥搅拌车控制原理图；

图4是本发明的一种水泥搅拌车起步控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

水泥搅拌车实施例：

如图1所示的一种水泥搅拌车，包括底盘1和上装部分2，底盘1包括发动机11、作为取力器的传动轴12和底盘上的驱动轮13，本发明的水泥搅拌车底盘1采用的是传统内燃机车辆底盘，发动机11为内燃机；上装部分2包括搅拌罐20。图1中A部展示出了上装部分2中，用于驱动搅拌罐20转动的部分结构部件。本发明的水泥搅拌车上装部分2采用电动上装，不同于传统水泥搅拌车采用的从底盘动力系统取力驱动搅拌罐体转动，本发明采用的电动上装通过电动机驱动搅拌罐2转动，电动机通过上装部分独立设置的动力电池供电驱动，同时电动上装部分还设置有发电机，发电机从底盘动力系统取力输出负扭矩发电并储存在上转部分的动力电池中。一般来说，当动力电池中电能不足时，整车控制器会启动发动机闭合发动机与取力器相连的离合器，通过发动机带动发电机向动力电池充电；或者在车辆运行过程中，直接闭合发动机与取力器相连的离合器，通过发动机带动发电机向动力电池充电。

上装部分2中，用于驱动搅拌罐20转动的部分结构部件具体如图2所示，图2中所示的上装部分与图1示出的上装部分不同，为电动上装的另一种实施例，区别仅在于电动机与搅拌罐体的传动形式的区别。现借用图2所示出的上装部分的实施例，来对用于驱动搅拌罐20转动的结构部件进行说明，图中包括减速电机21、减速箱22、传动齿轮23、罐体齿圈24及搅拌罐20，以及上装电机25。其中，罐体齿圈24设置于搅拌罐20前端部的表面上(以车辆行驶方向为前)，减速电机21与减速箱22一体设置，减速箱22输出轴上设置传动齿轮23，传动齿轮23与罐体齿圈24啮合。减速电机21、减速箱22、传动齿轮23设置两组，保证对搅拌罐20的平稳传动，防止罐体轴心偏移导致脱尺。图1所示上装部分的实施例与图2所示上装部分的实施例的区别具体为，图1采用罐体齿圈24为内齿齿圈，图2采用的罐体齿圈24为外齿齿圈。上装电机25通过高压线束供电连接上装动力电池8(未在图1、2中示出)，上装电机25主轴还与底盘1发动机11通过传动轴12连接。发动机11与传动轴12之间，或者传动轴12与上装电机25主轴之间还设置有电控离合器121(未在图1、2中示出)。

控制原理如图3所示，上装控制系统包括上装控制器9、动力电池8、高压盒7、上装电机驱动器4、减速电机驱动器6、上装控制面板101、后控操作装置102。上装控制器9可以采用独立的控制器，也可以用整车控制器作为上装控制器，若采用独立的控制器，则还需通过车辆总线或整车控制器采集档位、车速、油门踏板位置(或开度)、发动机转速、发动机转矩等信号；以及通过独立的传感器(倾角模块)采集车辆的倾斜角度，用于判断车辆是否处于坡道上，处于上坡方向还是下坡方向。上装控制器9控制连接发动机11、上装电机驱动器4、减速电机驱动器6、高压盒7，还连接动力电池8。动力电池8采用高压直流线束通过高压盒7分别连接上装电机驱动器4和减速电机驱动器6。上装电机驱动器4驱动连接上装电机25，减速电机驱动器6驱动连接减速电机21。本实施例中，电控离合器121集成于发动机11中，上装控制器9通过连接发动机11的控制线实现对电控离合器121的控制。上装控制面板101为底盘1驾驶室内的上装部分2的控制面板，能够实现上装部分相关功能的操作，后控操作装置102为设置在车辆后部侧面的上装部分2的控制面板，能够在水泥搅拌车外部实现上装部分相关功能的操作。上装控制面板101、后控操作装置102连接上装控制器。

本发明的水泥搅拌车控制方法如图4的流程图所示，主要用于水泥搅拌车在起步时的助力，以降低车辆的油耗和排放，提升驾驶感受。方法主要包括两个部分，一是起步判断部分，二是起步助力阶段。起步判断部分具体是为了实现车辆起步发动机扭矩输出时机的确定，以便在起步助力部分使助力电机与发动机同步输出扭矩。

起步判断阶段包括如下步骤：

1)上装系统检测到车辆档位由空挡变为前进档位，具体可以为通过上装控制器8采集挡位信息得到；

2)继续检测到当前车速为0；

3)油门踏板开度从0提升到油门设定阈值F1；

4)发动机转速由怠速(500～600rpm)提升至发动机转速设定阈值V1；

5)同时检测到发动机转矩由0提升至转矩设定值T时，启动辅助起步流程，即进入起步助力阶段。

本阶段中，油门设定阈值F1、转速设定阈值V1根据车辆实际情况标定，用于确定发动机扭矩的输出时机；同时转矩设定值T也根据实车标定，确认车辆发动机做出了响应，进行了扭矩输出，并据此判断扭矩即将传递到驱动轮13，此时控制上装电机25响应需求的助力扭矩，保证发动机11和上装电机25同步响应输出扭矩，驱动车辆起步。

起步助力阶段包括如下步骤：

6)根据水平仪或陀螺仪等倾角模块判断车辆前向倾角；

7)若倾角为正(车辆朝向上坡方向)，上装系统控制上装电机25停止发电状态(若处于发电状态)，同时控制上装电机25工作于电动模式，并输出一个助力扭矩T1；作为其他实施例，助力扭矩T1与倾角正相关；

若倾角为负(车辆朝向下坡方向)，且倾角数值大于一个倾角阈值Φ1，则认为车辆下坡状态起步，无需进行助力，起步助力阶段结束；

若倾角为0(车辆处于平路)，上装系统控制上装电机25停止发电状态(若处于发电状态)，同时控制上装电机25工作于电动模式，并输出一个助力扭矩T2；一般来说，上坡状态起步需要的助力扭矩大于平路状态，因此助力扭矩T2小于T1；此外，本领域技术人员应当明了，倾角为0并非指的是绝对水平状态下的倾角精确为0，由于复杂的路况和必然存在的测量误差，判断车辆处于平路应当以倾角为一个包括0在内的连续的数值范围内的值为判断条件，例如倾角数值大于负的倾角阈值Φ1且小于0认为是车辆处于平路的判断条件；

8)上装电机25输出扭矩助力，反拖发动机11，配合发动机11带动整车起步后，实时检测车速；

9)当车速大于5km/h后，退出起步助力阶段，停止辅助起步助力功能；根据上装动力电池的储能逻辑进行发电或待机(关闭)，若回到储能逻辑，则控制上装电机25响应一个负扭矩，进行发电；若进入待机，则控制电控离合器121断开，上装电机25停转；

作为其他方式，也可以采取其他判断作为退出起步助力阶段的条件，例如车辆正向加速度值等，若加速度值小于一个设定阈值，说明车辆加速结束，无需上装电机25进行助力，发动机11独立驱动车辆使车辆维持速度行驶。

以上起步助力方法也可用于车辆加速助力，仅需将起步判断阶段改为车辆加速判断阶段，车辆加速与车辆起步的判断逻辑相似，仅需删除车速为0的判断步骤，和车辆挡位变化的判断步骤，并根据实车重新标定油门设定阈值F1、转速设定阈值V1和转矩设定值T，使车辆在达到上述参数阈值时处于加速扭矩即将被响应的时机，在有了上述时机后，可采用起步助力阶段相似的控制方法控制上装电机25，进行车辆运行中的加速助力，并可以根据车辆横向加速度值小于一个设定阈值作为退出加速助力的条件。

此外，基于本发明的水泥搅拌车的底盘1和上装系统2，还能够实现电磁制动或者说动能回收功能，当上装系统(例如上装控制器9)检测到制动踏板开度大于设定值时，控制电控离合器121接合，同时控制上装电机25响应一个负扭矩(即发电扭矩)，车辆通过传动系统反拖发动机11的同时通过电控离合器121和传动轴12反拖上装电机25克服负扭矩发电并储存在动力电池8中，同时负扭矩作用于下游动力系统，提供了一部分车辆的制动力，一般来说，作为满载的水泥罐车，自重大，车辆减速或者刹车时的制动扭矩需求较大，上述动能回收过程中的负扭矩可以为上装电机25的最大发电扭矩，最大程度回收动能，实现能源节省减少排放。

当制动踏板开度为0，则结束动能回收，回到上装系统正常状态下的动力电池充电逻辑，需要继续为动力电池8充电时，降低响应的发电扭矩(结束制动后将由发动机11克服发电扭矩)；不需要为动力电池8充电时，断开电控离合器121，使上装电机25进入待机。

上装系统实施例：

本实施例中，上装系统采用如水泥搅拌车实施例中介绍的电动上装系统，并能够实现如水泥搅拌车实施例中描述的起步助力方法，上述内容已在水泥搅拌车实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。

水泥搅拌车控制方法实施例：

本实施例中的控制方法采用如水泥搅拌车实施例中描述的起步助力方法，上述内容已在水泥搅拌车实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种水泥搅拌车，其特征在于，包括汽车底盘和设置在汽车底盘上的上装部分；

所述汽车底盘包括发动机，所述发动机驱动连接底盘驱动轮；

所述上装部分包括水泥搅拌筒、上装电动机、动力电池、上装电机；所述动力电池连接上装电动机和上装电机，所述上装电动机驱动连接水泥搅拌筒，所述发动机通过上装离合器和取力装置连接上装电机；所述取力装置为传动轴；

还包括控制器，所述控制器控制连接所述上装离合器、上装电机、上装电动机，所述控制器还采集车辆状态；

所述控制器执行指令以如下步骤实现车辆控制方法：

车辆起步时，控制上装离合器接合；

控制上装电机工作在电动模式输出第一设定扭矩；

车速达到设定值后，控制上装电机工作在发电模式并为动力电池充电；或者，车速达到设定值后，控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

2.根据权利要求1所述的水泥搅拌车，其特征在于，所述控制器采集车辆挡位、车速、油门踏板位置传感器、发动机转速；车辆控制方法中，判断车辆起步的条件包括如下条件的一个或多个：空挡切进前进挡、车速为0、油门踏板开度达到第一设定阈值、发动机转速由怠速达到第二设定阈值。

3.根据权利要求1或2所述的水泥搅拌车，其特征在于，还包括判断车辆倾斜程度的倾角模块；车辆控制方法中，在车辆起步时，若通过倾角模块判断车辆处于上坡，则控制上装电机输出第二设定扭矩，第二设定扭矩大于第一设定扭矩。

4.根据权利要求3所述的水泥搅拌车，其特征在于，第二设定扭矩与车辆倾斜程度正相关。

5.根据权利要求1所述的水泥搅拌车，其特征在于，车辆控制方法中，若检测到车辆制动，则控制上装离合器接合；控制上装电机工作在发电模式并输出最大扭矩；车辆制动状态结束后，控制上装电机恢复为原输出扭矩，或者控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

6.一种水泥搅拌车的上装系统，其特征在于，包括水泥搅拌筒、上装电动机、动力电池、上装电机；所述动力电池连接上装电动机和上装电机，所述上装电动机驱动连接水泥搅拌筒，所述上装电机还用于通过上装离合器向车辆底盘输出驱动力；所述上装电机的输出轴用于通过传动轴连接车辆底盘上用于驱动底盘驱动轮的发动机；

还包括控制器，所述控制器控制连接所述上装离合器、上装电机、上装电动机，所述控制器还用于采集车辆状态；

所述控制器执行指令以实现如下步骤：

当控制器判断车辆起步时，控制上装离合器接合；

控制上装电机工作在电动模式输出第一设定扭矩；

车速达到设定值后，控制上装电机工作在发电模式并为动力电池充电；或者，车速达到设定值后，控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

7.根据权利要求6所述的水泥搅拌车的上装系统，其特征在于，所述控制器用于采集车辆挡位、车速、油门踏板位置传感器、发动机转速；控制器判断车辆起步的条件包括如下条件的一个或多个：空挡切进前进挡、车速为0、油门踏板开度达到第一设定阈值、发动机转速由怠速达到第二设定阈值。

8.根据权利要求6或7所述的水泥搅拌车的上装系统，其特征在于，还包括判断车辆倾斜程度的倾角模块；车辆控制方法中，在车辆起步时，若通过倾角模块判断车辆处于上坡，则控制上装电机输出第二设定扭矩，第二设定扭矩大于第一设定扭矩，且第二设定扭矩与车辆倾斜程度正相关。

9.根据权利要求6所述的水泥搅拌车的上装系统，其特征在于，若所述控制器判断车辆制动，则控制上装离合器接合；控制上装电机工作在发电模式并输出最大扭矩；车辆制动状态结束后，控制上装电机恢复为原输出扭矩，或者控制上装离合器断开，同时控制上装电机工作在待机模式。

10.一种水泥搅拌车控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的水泥搅拌车中的车辆控制方法。

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