混合动力装载机动力系统设计与控制策略研究

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轮式装载机是重要的土石方施工设备,被广泛应用于工程建设领域,其油耗、排放问题一直为各方关注。混合动力技术是当前机动设备节能减排的主要途径,是轮式装载机的重要发展方向之一。本文依托国家“863”计划重点项目——《混合动力系统与节能型工程机械技术的应用研究》,以国内某6t装载机为原型,对同轴并联油电混合动力装载机进行了研究。研究内容涵盖混合动力系统理论分析、构型设计、参数匹配、虚拟样机仿真、控制策略制定等环节,在部件研究的基础上进行了整机性能分析,具体研究工作如下:(1)理论及应用研究混合动力基础理论发展至今已经成熟,即通过发动机与电驱动系统的协同来调节发动机工作区域,让发动机更高效地运行从而实现节能减排。目前在轮式装载机上的应用尚处于起步阶段,除川崎65ZHybrid机型采用行星排耦合装置外,在研的油电混合产品均为同轴并联形式。(2)整机构型设计动力系统构型设计关系着零部件的选配,是系统开发的重要基础。串联、并联及混联形式在汽车领域都有成熟的应用案例,串联形式的实质是自发电的纯电驱动系统,对电机功率要求较高,混联形式的技术要求最高,对于工况复杂恶劣的中型装载机适合采用并联形式。(3)关键部件研究混合动力系统是在传统动力系统上增加一套电驱动装置实现的,对电机、电池、超级电容、功率逆变器及功率耦合装置等部件应有充分的认识,研究中将关键部件的不同类型进行了对比分析。(4)工况分析轮式装载机作为专用装备,其动作具有周期性,不同的工作状态有不同的功率需求。通过工况分析获得作业过程中所需最大牵引力、最高行驶速度即最大需求功率等,为动力系统参数匹配和控制策略制定奠定基础。(5)动力系统参数匹配并联混合动力系统常用的参数匹配方法是对整机功率流“削峰填谷”,根据工况平均功率,功率波动情况及电机、超级电容的工作电压范围确定了动力系统各关键部件。(6)虚拟样机仿真借助图形化仿真平台——AMESim对经构型设计、参数匹配后的设计方案进行从部件到整体的虚拟样机建模和仿真,包括传统机型和混合动力机型的模型。并在Simulink中编制控制程序实现协同仿真。(7)控制策略对混合动力系统常用的控制方式进行了对比,制定了基本逻辑门限值控制、电容SOC最大化控制、电机最小助力控制和结合了逻辑门限区域划分的实时最优控制4种控制策略,并结合仿真结果对这四种控制程序进行了分析。
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