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纯电驱动装载机驱动电机与离合器协调控制的换挡策略研究

纯电驱动装载机驱动电机与离合器协调控制的换挡策略研究

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作者：蔡少乐华侨大学

学位级别：硕士

为了应对全球气候变化与能源危机等问题,我国确立的“双碳”目标为工程机械产业结构升级指明了方向。各国日趋严格的排放要求与近年来快速发展的三电技术,使得纯电驱动技术以其零排放、低噪声以及高效率等优点逐渐成为工程机械的理想驱... 详细信息

为了应对全球气候变化与能源危机等问题,我国确立的“双碳”目标为工程机械产业结构升级指明了方向。各国日趋严格的排放要求与近年来快速发展的三电技术,使得纯电驱动技术以其零排放、低噪声以及高效率等优点逐渐成为工程机械的理想驱动解决方案之一。与电动汽车相比,装载机在非结构路面上作业与行驶时振动剧烈、稳定性差,对动力系统要求作业时扭矩范围大与转场时转速范围宽,需要频繁切换挡位来保证动力需求。而电动汽车领域的相关共性技术不能直接应用于装载机,因此对仍处于探索阶段的纯电驱动装载机行走动力总成方案、换挡品质以及自动变速换挡规律的研究具有重要的意义。首先,与内燃机相比,驱动电机以其不需要怠速、过载能力强以及调速调矩动态性能优良等特性,为装载机行走动力总成方案重新设计提供了机会。为了发挥纯电驱动技术更优异的操纵性与节能性,通过对比分析一款50型传统装载机方案,提出了一种将行走驱动与液压工作系统解耦的分布式电机解决方案。行走系统采用驱动电机-变速器取代内燃机-液力变矩器-变速器的理想传动方案,并对该动力总成与电液换挡控制系统方案进行了分析与参数匹配。在此基础上,以一台自主研发的纯电驱动装载机作为研究对象,进行“V”型作业工况的试验,提取了可以描述其作业工况的特征参数,从而建立面向作业终端的典型循环工况,为行走动力总成方案的再设计与后续自动变速换挡规律的研究奠定基础。其次,对所提出的传动方案进行研究分析,由于传动方式由液力传动转变为机械传动,导致整车存在传动系统的动载荷增加、变矩器自适应控制须由驱动电机主动控制完成等问题。使得驱动电机与湿式离合器的协调控制变得尤为苛刻与具有重要性。本文针对纯电驱动装载机换挡过程的非线性与时变性系统,从整车行走传动系统动力学模型与换挡品质展开研究,提出一种基于纯电驱动装载机驱动电机变扭矩与湿式离合器压力协调控制的无动力中断换挡策略。由离合器压力与驱动电机转速、扭矩闭环的协调控制,实现理想建压分阶段自适应控制,在惯性相阶段设计了滑摩控制器,采用PID算法控制驱动电机输出合适的扭矩,使结合的湿式离合器转速差跟踪期望转速差轨迹。再次,由于装载机工况复杂多变,传统汽车上的自动换挡控制策略无法很好移植到装载机上。针对这一问题,根据所提出的纯电驱动装载机行走动力总成方案设计了最佳动力性与最佳经济型换挡规律。并对动力性与经济性换挡规律的差异性进行研究,提出了一种兼顾动力性与经济性的综合性换挡策略。最后,对换挡品质研究搭建了基于AMESim-Matlab/Simulink联合仿真与平台试验,验证了所提出的分阶段自适应控制与滑摩控制器的有效性。相比未加控制的恒扭矩控制方案,换挡过程冲击度、滑摩功以及换挡时间均得到有效优化,且变速器输出轴扭矩平稳变化无动力中断。相较于传统装载机换挡品质大幅提高,为纯电驱动工程机械行走系统方案及换挡时的驱动电机与湿式离合器协调控制提供了参考。对自动变速换挡规律研究搭建了基于AMESimMatlab/Simulink联合仿真,验证了面向作业终端需求的典型循环工况建立的准确性,且综合性换挡策略符合预期,有一定的工程实际应用价值。

关键词：装载机纯电驱动动力换挡电液控制换挡品质自动变速换挡规律

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电动装载机驾驶意图与作业工况自适应综合换挡策略研究

电动装载机驾驶意图与作业工况自适应综合换挡策略研究

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作者：许铭楷华侨大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖、石油资源匮乏等问题日益彰显,我国提出了“碳中和、碳达峰”双碳目标,节能减排已成为各行业发展的主要趋势,而纯电驱动成为工程机械领域的焦点。然而装载机作业工况复杂恶劣,铲掘作业时需要大扭矩而转场时需要高车速... 详细信息

随着全球气候变暖、石油资源匮乏等问题日益彰显,我国提出了“碳中和、碳达峰”双碳目标,节能减排已成为各行业发展的主要趋势,而纯电驱动成为工程机械领域的焦点。然而装载机作业工况复杂恶劣,铲掘作业时需要大扭矩而转场时需要高车速,驾驶员需要频繁切换挡位来保证动力需求,换挡次数过多容易使其疲劳,难以集中注意力进而影响安全性。此外,不同熟练程度的驾驶员操纵水平又会影响整车的经济性,而自动变速技术的应用一定程度上可以解决上述存在的问题。因此,对电动装载机自动变速技术深入探究具有重要意义。首先,对本文研究的50型电动装载机传动系统展开分析及参数匹配。在此基础上,对换挡规律的类型进行分析,以换挡前后加速度最大为目标制定了最佳动力性换挡规律,保证了动力性;以换挡前后电机工作在高效率区间为目标制定了最佳经济性换挡规律,保证了经济性。其次,传统换挡规律不受驾驶员的操纵影响,无法满足驾驶员的驾驶需求,因此,对电动装载机的驾驶意图进行识别研究。通过对比分析几种常用的驾驶意图识别方法,选择模糊控制作为本文驾驶意图识别的研究方法,将驾驶意图划分为急加速、正常加速、维持、减速以及制动五个意图,选择油门踏板开度、油门踏板开度变化率和制动踏板开度作为识别的输入参数,利用Matlab/Simulink搭建了驾驶意图识别仿真模型,并进行仿真分析,验证了基于模糊控制的驾驶意图识别能够较为准确识别出驾驶意图。再次,针对装载机作业工况下负载变化剧烈,传统换挡规律无法很好地适应作业工况会导致不必要的换挡现象这一问题,本文对作业工况识别展开研究。分析了装载机常见作业工况特征,并选取最为常用的“V”型工况作为研究工况,通过实车试验采集数据,采用K-means聚类分析对装载机循环工况分类,构建了带有特征参数信息的循环工况。在此基础上,分别使用K近邻算法和加权欧式距离判别法对工况作业阶段进行识别,采用Matlab编写识别算法,对两种算法的识别准确度进行验证,结果表明本文的工况识别方法具有可行性与准确性,且加权欧式距离判别法识别准确度优于K近邻算法,准确度达到了92.57%。最后,提出了基于驾驶意图与作业工况自适应的综合换挡策略,搭建了基于AMESim-Matlab/Simulink联合仿真模型,对制定的最佳动力性、最佳经济性换挡规律以及所提出的综合换挡策略分别进行了动力性与经济性的仿真验证,仿真结果表明综合换挡策略能够较好适应不同驾驶员需求和作业工况的不同阶段,达到同时兼顾动力性和经济性的效果,提高了整车自动变速系统的性能。此外,搭建了电动装载机机电液传动系统综合试验平台,通过静态手动换挡试验对换挡逻辑进行验证,然后对最佳动力性、最佳经济性换挡规律的动力性和经济性进行试验验证,并且对有驾驶意图修正的综合换挡策略进行试验验证,验证了所研究内容效果达到预期,有一定的工程实际应用价值。

关键词：电动装载机自动变速换挡规律驾驶意图识别工况识别综合换挡策略

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