装载机的电动化匹配设计及动力性经济性仿真

王嘉仑 连晋毅 董志强 薛昊渊

摘 要：针对某型号传统装载机进行电动化改造使其成为纯电动装载机，并在Cruise仿真软件中建立仿真模型，验证纯电动装载机的动力性和经济性。在Cruise中搭建传统装载机模型并与已知实验数据进行比较得到较为精准模型，在此基础上经过电动化匹配计算并搭建纯电动装载机模型。依据装载机的作业特点和运行工况特征设计了控制策略，并在Matlab/Simulink中建立控制策略模型与Cruise模型进行联合仿真。仿真结果显示，改造后的纯电动装载机在车速、牵引力、爬坡度等动力性指标方面达到了装载机的要求、而且能耗減小约21.5%。

关键词：纯电动;装载机;Cruise;Matlab/Simulink;联合仿真

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：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

如今世界面临能源危机，以新能源作为主要动力成为社会焦点。施工场地中广泛使用的装载机在如今能源短缺的大环境下，对其进行新能源研究的趋势已经不可阻挡。日本和欧洲的研究主要集中在混合动力装载机的方面。在纯电动装载机的研究各国也刚刚开展研究。本文针对某款小型传统装载机进行电动化改造，并使用仿真软件进行油改电的仿真模拟来确定纯电动装载机在动力性和经济性方面的可行性。

1 纯电动装载机的结构

1.1 装载机的功能特点

装载机作为一种牵引式土方石的工程机械设备，其典型工况为物料装卸、运输。根据装载机常见的工作模式：空载前进，铲装物料，后退、转向、前进、卸放物料、后退至原点这六个工作段组成一个完整的作业循环，如图1所示^[3]。

1.2 纯电动装载机结构设计

装载机的作业能力体现装载机的优劣性，而其中动力传动系统作为装载机核心组成部分，其性能的优劣直接决定了一台装载机的作业能力。如图2所示，装载机改为电机驱动，电机直接取代发动机，其余机械部分保留，如变速器、差速器、传动轴等。机器由主控制器实现整车行驶和作业控制^[6]。如图2所示。

2 纯电动装载机工况设置

装载机工况的设定一直是装载机整机仿真的问题之一。一直以来都没有专业的装载机仿真软件，没有类似于汽车一样的循环工况，所以装载机循环工况的正确设立是确保模拟仿真真实性的保证。本文基于Cruise软件的开发来设定装载机的循环工况^[2]。

2.1 Cruise介绍

Cruise可用于车辆的动力性，燃油经济性以及排放性能的仿真研究。其灵活的模块化设计理念可以对任何结构的汽车传动系进行仿真建模。并且设有Matlab/Simulink接口，可以快速方便的開发复杂的控制策略。对齐进行适当的功能开发可以进行装载机的仿真。

基于直观的模块化组件，可以直接在模块库中拖拽至工作区进行模型搭建，然后按照装载机功率流动的方向连接各模块，包括：信号连接、机械连接和电子连接等^[3]。

2.2 装载机工况设置

Cruise 是汽车专用仿真软件，该软件本身不具备仿真装载机特殊功能的能力，需要对其进行功能的拓展和开发才能仿真装载机的工作情况。

（1）车速的设置。

Cruise只能仿真正向行驶的情况。装载机在V型工况环境下工作时车辆前进和后退的时间各占一半，并考虑到车辆行驶方向对其性能影响较小，而且装载机的前进挡与倒挡传动比相差很小，所以将装载机倒挡时车辆行驶方向设置为向前行驶。

（2）装载机工作时变载重的设置。

装载机在V型工况下工作，载重变化非常明显且有规律。在Cruise中可以通过设置实现载重量的变化：①在行驶循环Cycle Run中的载重状态Load State选择空载empty，在后面的下拉选择框中选择可变附加载重Variable Additional Load;②在Cruise循环工况设置中，打开循环工况数据编辑，按照V型工况装载机负载变化情况，修改Cruise循环工况中对应数值，实现装载机仿真中载重的变化。

（3）驱动工作/转向系统的负载阻力的设置

由于Cruise中没有直接仿真模拟装载机工作阻力和转向系统的负载阻力的模块，所以在装载机模型中添加Flange模型，将阻力直接加载到电机模块上，从电机上直接消耗功率。

（4）铲装物料工况模拟。

作为装载机主要耗能点，铲装物料的设置很大程度上影响了装载机仿真准确性，所以铲装物料工况的设置非常重要。在装载机进行铲装时，车速趋近于“0”，牵引力达到最大。所以在Matlab/Simulink中建立铲阻控制策略，使装载机在铲装工况下行驶阻力达到最大，实现装载机最大牵引力的模拟。

3 传统和纯电动装载机整车模型的搭建

3.1 传统装载机的整车参数与经济性仿真

在Cruise中，发动机的参数设置定义了各种工作状态下转速、转矩、效率的MAP图，以及它们的性能参数，如最大转矩、最高功率和质量，以及转动惯量等。其它部件如变速器以及纯电动装载机的驱动电机、动力电池等部件也按照相似的方法设置。

3.2 传统装载机改为纯电动装载机动力匹配计算

3.2.1 电机匹配

（1）电动机功率匹配计算

装载机作业时电动机消耗主要体现在行走所需功率和液压泵工作所需功率，行走所需功率按照装载机作业时车轮发出的额定牵引力F_H所需功率P₁来确定，即公式^[1]（1）

其中：F_f为滚动阻力;V_T为装载机理论速度，单位为km/h，可取V_T=3～4km/h;δ_H为额定滑移率，对轮胎取δ_H=0.30～ 0.35;η_Z是传动系统总效率，机械传动取η_Z=0.85～0.88。代入得到P₁≈29.75KW。

装载机液压泵工作泵所需功率，按下公式（2）计算，即：

式中，P₁是工作泵的输出压力，Q₁是工作泵流量单位为L?min;η_b为工作泵效率，取η_b=0.75～0.85，计算的P₂=46.2Kw。

装载机所需总功率为：

P_总=P₁+P₂=75.62Kw                            （3）

考虑到电机在运转时可能会出现超负荷的情况下，为了安全，选取电机时选用的功率要大于匹配设计理论值，所以最后选择功率为90KW的永磁同步电机。

（2）转速匹配

电机转速匹配按公式（4）计算：

式中：n_m为电机峰值转速，单位r?min;i为减速比;v是装载机最大车速，单位为km?h;r为滚动车轮半径，m。得到电机峰值转速为2400r?min。

（3）扭矩匹配

电机扭矩匹配按公式（5）计算：

当电机扭矩最大时，电机转速较低，取电机最低转速1500 r?min，得T_max=444Nm。

3.2.2 电池容量匹配

电池容量C（单位Ah）按下公式^[5]计算，即：

式中，p为电动机功率;t为日工作时间，取3h;V为电池额定电压，取320V。代入得C=468.75Ah。

3.3 纯电动装载机控制策略搭建

Cruise中只能搭建纯电动装载机的整机模型，无法搭建控制策略，所以本文控制策略的搭建使用的是Matlab/ Simulink软件，其中控制策略的输入信号是Cruise中输出的状态变量，其中包括，电机转速，车速，档位和各种检测信号。如图3所示。

3.4 纯电动装载机整车模型搭建

首先在本文中先搭建了传统装载机的整车模型，并完成仿真，仿真结果如图4所示，完成一个V型工作工况消耗大约0.161L柴油，爬坡度为25.2°、最大牵引力为55.8KN满足原装载机在试验上的数据，表明该模型是比较接近传统装载机。

并以此在传统装载机整车模型的基础上进行改进，其中电机、电池部分根据计算出来的数据进行写入，差速器，主减速器部分依据表一进行数据填写。电机控制模块，电池控制模块，以及整车行驶以及作业控制由Matlab/Simulink控制，以此完成纯电动装载机整车模型的搭建^[2]。如图5所示。

4 动力性经济性仿真结果

4.1 动力性仿真结果

图6、7、8为在Cruise软件搭载Matlab/Simulink控制策略的联合仿真下得到车速、爬坡度、最大牵引力的仿真结果。如图6、7、8所示，纯电动装载机最大车速基本满足装载机要求，最大爬坡度为26.3°满足传统装载机25°?30°的要求，最大牵引力为56.6KN，综上所述，该纯电动装载机基本满足装载机动力性要求。

4.2 纯电动装载机经济性仿真结果

图9所示，为纯电动装载机电耗的仿真结果，结果显示在一个V型工作工况下的耗电量为1.28kWh，传统装载机在运行一个V型工况条件下的耗油量为0.161L，经计算0.161L柴油转化为功率大约为1.63kWh，所以装载机在运行一个V型工况下，纯电动装载机要比传统装载机节约大约21.5%的燃油消耗。

5 结论

在Cruise环境下搭建纯电动装载机模型，通过对软件的开发利用仿真模拟装载机工况，并在Matlab/Simulink中搭建控制策略与Cruise软件进行联合仿真，得到以下结论：

（1）通过对Cruise软件的开发，模块的运用，可以得到与实际实验中相似的整车模型和工作工况。

（2）通过比较传统和纯电动装载机的能耗曲线，验证纯电动装载机在经济性上将比燃油机节约21.5%的燃油消耗。

（3）通过比较最大牵引力和爬坡度，纯电动装载机也有动力性上的提高，也证明了该油改电模型的可行性。

参考文献

[1] 谢毅.纯电动轮式装载机动力系统的仿真与研究[J].装备制造技术，2018（03）：23-25.

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[6] Energy-Saving Optimization for Wheel Loade's Double-Pump Con -fluence Hydraulic System with Fixed-Displacement pump[J]. Yang YangSong，PengTian，LuYu.Applied Mechanics and Materials. 2013 （389）.