裝載機(jī)的電動化匹配設(shè)計(jì)及動力性經(jīng)濟(jì)性仿真

王嘉侖 連晉毅 董志強(qiáng) 薛昊淵

摘 要：針對某型號傳統(tǒng)裝載機(jī)進(jìn)行電動化改造使其成為純電動裝載機(jī)，并在Cruise仿真軟件中建立仿真模型，驗(yàn)證純電動裝載機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。在Cruise中搭建傳統(tǒng)裝載機(jī)模型并與已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到較為精準(zhǔn)模型，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過電動化匹配計(jì)算并搭建純電動裝載機(jī)模型。依據(jù)裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)和運(yùn)行工況特征設(shè)計(jì)了控制策略，并在Matlab/Simulink中建立控制策略模型與Cruise模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果顯示，改造后的純電動裝載機(jī)在車速、牽引力、爬坡度等動力性指標(biāo)方面達(dá)到了裝載機(jī)的要求、而且能耗減小約21.5%。

關(guān)鍵詞：純電動;裝載機(jī);Cruise;Matlab/Simulink;聯(lián)合仿真

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2020）10-98-04

Motorized Matching Design of Loader and Simulation of Its Power and Economy^*

Wang Jialun，?Lian Jinyi，?Dong Zhiqiang，?Xue Haoyuan

（Taiyuan University of Science and Technology， Shanxi Taiyuan 030024）

Abstract：?The electrification transformation of a certain type of traditional loader is made into a pure electric loader， and a simulation model is established in Cruise simulation software to verify the power and economy of the pure electric loader.?A traditional loader model is built in Cruise and compared with known experimental data to obtain a more accurate model. Based on this， a pure electric loader model is calculated and calculated based on electrification matching.?The control strategy is designed according to the operating characteristics and operating conditions of the loader， and the control strategy model and Cruise model are established in Matlab/Simulink for joint simulation.?The simulation results show that the retrofitted pure electric loader meets the requirements of the loader in terms of vehicle speed， traction， gradient and other dynamic indicators， and reduces energy consumption.

Keywords：?Pure electric;?Loader;?Cruise;?Matlab/Simulink;?Co-simulation

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-98-04

前言

如今世界面臨能源危機(jī)，以新能源作為主要動力成為社會焦點(diǎn)。施工場地中廣泛使用的裝載機(jī)在如今能源短缺的大環(huán)境下，對其進(jìn)行新能源研究的趨勢已經(jīng)不可阻擋。日本和歐洲的研究主要集中在混合動力裝載機(jī)的方面。在純電動裝載機(jī)的研究各國也剛剛開展研究。本文針對某款小型傳統(tǒng)裝載機(jī)進(jìn)行電動化改造，并使用仿真軟件進(jìn)行油改電的仿真模擬來確定純電動裝載機(jī)在動力性和經(jīng)濟(jì)性方面的可行性。

1 純電動裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 裝載機(jī)的功能特點(diǎn)

裝載機(jī)作為一種牽引式土方石的工程機(jī)械設(shè)備，其典型工況為物料裝卸、運(yùn)輸。根據(jù)裝載機(jī)常見的工作模式：空載前進(jìn)，鏟裝物料，后退、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、卸放物料、后退至原點(diǎn)這六個(gè)工作段組成一個(gè)完整的作業(yè)循環(huán)，如圖1所示^[3]。

1.2 純電動裝載機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝載機(jī)的作業(yè)能力體現(xiàn)裝載機(jī)的優(yōu)劣性，而其中動力傳動系統(tǒng)作為裝載機(jī)核心組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定了一臺裝載機(jī)的作業(yè)能力。如圖2所示，裝載機(jī)改為電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)直接取代發(fā)動機(jī)，其余機(jī)械部分保留，如變速器、差速器、傳動軸等。機(jī)器由主控制器實(shí)現(xiàn)整車行駛和作業(yè)控制^[6]。如圖2所示。

2?純電動裝載機(jī)工況設(shè)置

裝載機(jī)工況的設(shè)定一直是裝載機(jī)整機(jī)仿真的問題之一。一直以來都沒有專業(yè)的裝載機(jī)仿真軟件，沒有類似于汽車一樣的循環(huán)工況，所以裝載機(jī)循環(huán)工況的正確設(shè)立是確保模擬仿真真實(shí)性的保證。本文基于Cruise軟件的開發(fā)來設(shè)定裝載機(jī)的循環(huán)工況^[2]。

2.1?Cruise介紹

Cruise可用于車輛的動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真研究。其靈活的模塊化設(shè)計(jì)理念可以對任何結(jié)構(gòu)的汽車傳動系進(jìn)行仿真建模。并且設(shè)有Matlab/Simulink接口，可以快速方便的開發(fā)復(fù)雜的控制策略。對齊進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ荛_發(fā)可以進(jìn)行裝載機(jī)的仿真。

基于直觀的模塊化組件，可以直接在模塊庫中拖拽至工作區(qū)進(jìn)行模型搭建，然后按照裝載機(jī)功率流動的方向連接各模塊，包括：信號連接、機(jī)械連接和電子連接等^[3]。

2.2?裝載機(jī)工況設(shè)置

Cruise 是汽車專用仿真軟件，該軟件本身不具備仿真裝載機(jī)特殊功能的能力，需要對其進(jìn)行功能的拓展和開發(fā)才能仿真裝載機(jī)的工作情況。

（1）車速的設(shè)置。

Cruise只能仿真正向行駛的情況。裝載機(jī)在V型工況環(huán)境下工作時(shí)車輛前進(jìn)和后退的時(shí)間各占一半，并考慮到車輛行駛方向?qū)ζ湫阅苡绊戄^小，而且裝載機(jī)的前進(jìn)擋與倒擋傳動比相差很小，所以將裝載機(jī)倒擋時(shí)車輛行駛方向設(shè)置為向前行駛。

（2）裝載機(jī)工作時(shí)變載重的設(shè)置。

裝載機(jī)在V型工況下工作，載重變化非常明顯且有規(guī)律。在Cruise中可以通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)載重量的變化：①在行駛循環(huán)Cycle Run中的載重狀態(tài)Load State選擇空載empty，在后面的下拉選擇框中選擇可變附加載重Variable Additional Load;②在Cruise循環(huán)工況設(shè)置中，打開循環(huán)工況數(shù)據(jù)編輯，按照V型工況裝載機(jī)負(fù)載變化情況，修改Cruise循環(huán)工況中對應(yīng)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)仿真中載重的變化。

（3）驅(qū)動工作/轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)載阻力的設(shè)置

由于Cruise中沒有直接仿真模擬裝載機(jī)工作阻力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)載阻力的模塊，所以在裝載機(jī)模型中添加Flange模型，將阻力直接加載到電機(jī)模塊上，從電機(jī)上直接消耗功率。

（4）鏟裝物料工況模擬。

作為裝載機(jī)主要耗能點(diǎn)，鏟裝物料的設(shè)置很大程度上影響了裝載機(jī)仿真準(zhǔn)確性，所以鏟裝物料工況的設(shè)置非常重要。在裝載機(jī)進(jìn)行鏟裝時(shí)，車速趨近于“0”，牽引力達(dá)到最大。所以在Matlab/Simulink中建立鏟阻控制策略，使裝載機(jī)在鏟裝工況下行駛阻力達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)最大牽引力的模擬。

3?傳統(tǒng)和純電動裝載機(jī)整車模型的搭建

3.1?傳統(tǒng)裝載機(jī)的整車參數(shù)與經(jīng)濟(jì)性仿真

在Cruise中，發(fā)動機(jī)的參數(shù)設(shè)置定義了各種工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率的MAP圖，以及它們的性能參數(shù)，如最大轉(zhuǎn)矩、最高功率和質(zhì)量，以及轉(zhuǎn)動慣量等。其它部件如變速器以及純電動裝載機(jī)的驅(qū)動電機(jī)、動力電池等部件也按照相似的方法設(shè)置。

3.2?傳統(tǒng)裝載機(jī)改為純電動裝載機(jī)動力匹配計(jì)算

3.2.1?電機(jī)匹配

（1）電動機(jī)功率匹配計(jì)算

裝載機(jī)作業(yè)時(shí)電動機(jī)消耗主要體現(xiàn)在行走所需功率和液壓泵工作所需功率，行走所需功率按照裝載機(jī)作業(yè)時(shí)車輪發(fā)出的額定牽引力F_H所需功率P₁來確定，即公式^[1]（1）

其中：F_f為滾動阻力;V_T為裝載機(jī)理論速度，單位為km/h，可取V_T=3～4km/h;δ_H為額定滑移率，對輪胎取δ_H=0.30～ 0.35;η_Z是傳動系統(tǒng)總效率，機(jī)械傳動取η_Z=0.85～0.88。代入得到P₁≈29.75KW。

裝載機(jī)液壓泵工作泵所需功率，按下公式（2）計(jì)算，即：

式中，P₁是工作泵的輸出壓力，Q₁是工作泵流量單位為L?min;η_b為工作泵效率，取η_b=0.75～0.85，計(jì)算的P₂=46.2Kw。

裝載機(jī)所需總功率為：

P_總=P₁+P₂=75.62Kw ???????????????????????????（3）

考慮到電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能會出現(xiàn)超負(fù)荷的情況下，為了安全，選取電機(jī)時(shí)選用的功率要大于匹配設(shè)計(jì)理論值，所以最后選擇功率為90KW的永磁同步電機(jī)。

（2）轉(zhuǎn)速匹配

電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配按公式（4）計(jì)算：

式中：n_m為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，單位r?min;i為減速比;v是裝載機(jī)最大車速，單位為km?h;r為滾動車輪半徑，m。得到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速為2400r?min。

（3）扭矩匹配

電機(jī)扭矩匹配按公式（5）計(jì)算：

當(dāng)電機(jī)扭矩最大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，取電機(jī)最低轉(zhuǎn)速1500?r?min，得T_max=444Nm。

3.2.2?電池容量匹配

電池容量C（單位Ah）按下公式^[5]計(jì)算，即：

式中，p為電動機(jī)功率;t為日工作時(shí)間，取3h;V為電池額定電壓，取320V。代入得C=468.75Ah。

3.3?純電動裝載機(jī)控制策略搭建

Cruise中只能搭建純電動裝載機(jī)的整機(jī)模型，無法搭建控制策略，所以本文控制策略的搭建使用的是Matlab/?Simulink軟件，其中控制策略的輸入信號是Cruise中輸出的狀態(tài)變量，其中包括，電機(jī)轉(zhuǎn)速，車速，檔位和各種檢測信號。如圖3所示。

3.4?純電動裝載機(jī)整車模型搭建

首先在本文中先搭建了傳統(tǒng)裝載機(jī)的整車模型，并完成仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，完成一個(gè)V型工作工況消耗大約0.161L柴油，爬坡度為25.2°、最大牽引力為55.8KN滿足原裝載機(jī)在試驗(yàn)上的數(shù)據(jù)，表明該模型是比較接近傳統(tǒng)裝載機(jī)。

并以此在傳統(tǒng)裝載機(jī)整車模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其中電機(jī)、電池部分根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入，差速器，主減速器部分依據(jù)表一進(jìn)行數(shù)據(jù)填寫。電機(jī)控制模塊，電池控制模塊，以及整車行駛以及作業(yè)控制由Matlab/Simulink控制，以此完成純電動裝載機(jī)整車模型的搭建^[2]。如圖5所示。

4 動力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

4.1 動力性仿真結(jié)果

圖6、7、8為在Cruise軟件搭載Matlab/Simulink控制策略的聯(lián)合仿真下得到車速、爬坡度、最大牽引力的仿真結(jié)果。如圖6、7、8所示，純電動裝載機(jī)最大車速基本滿足裝載機(jī)要求，最大爬坡度為26.3°滿足傳統(tǒng)裝載機(jī)25°?30°的要求，最大牽引力為56.6KN，綜上所述，該純電動裝載機(jī)基本滿足裝載機(jī)動力性要求。

4.2 純電動裝載機(jī)經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

圖9所示，為純電動裝載機(jī)電耗的仿真結(jié)果，結(jié)果顯示在一個(gè)V型工作工況下的耗電量為1.28kWh，傳統(tǒng)裝載機(jī)在運(yùn)行一個(gè)V型工況條件下的耗油量為0.161L，經(jīng)計(jì)算0.161L柴油轉(zhuǎn)化為功率大約為1.63kWh，所以裝載機(jī)在運(yùn)行一個(gè)V型工況下，純電動裝載機(jī)要比傳統(tǒng)裝載機(jī)節(jié)約大約21.5%的燃油消耗。

5 結(jié)論

在Cruise環(huán)境下搭建純電動裝載機(jī)模型，通過對軟件的開發(fā)利用仿真模擬裝載機(jī)工況，并在Matlab/Simulink中搭建控制策略與Cruise軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到以下結(jié)論：

（1）通過對Cruise軟件的開發(fā)，模塊的運(yùn)用，可以得到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中相似的整車模型和工作工況。

（2）通過比較傳統(tǒng)和純電動裝載機(jī)的能耗曲線，驗(yàn)證純電動裝載機(jī)在經(jīng)濟(jì)性上將比燃油機(jī)節(jié)約21.5%的燃油消耗。

（3）通過比較最大牽引力和爬坡度，純電動裝載機(jī)也有動力性上的提高，也證明了該油改電模型的可行性。

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