基于CRUISE的双电机耦合驱动电动拖拉机动力性仿真及控制策略

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在当今“碳达峰、碳中和”以及绿色环保的社会大背景下,传统燃油拖拉机由于消耗不可再生资源、排放有害气体、机械体积笨重、效率低下等缺点,已经无法适应现代农业的新要求。电动拖拉机不排放有毒气体或产生有害废弃物,启动和工作时的声音非常低,并且在启动时拥有较大的转矩,还能一直工作在高效区间,极大提高了整机续航时间。双电机驱动的设计可以有效解决拖拉机效率低等问题。在未来电池技术突破瓶颈后,电动拖拉机将会迎来广阔的市场。本文基于CRUISE动力仿真软件,围绕双电机耦合驱动电动拖拉机主要开展了以下研究:(1)根据电动拖拉机的作业特性,研究并设计适合电动拖拉机的整机驱动方案,分析并建立电动拖拉机整机的动力性和经济性指标,研究关键部件参数的匹配设计,完成关键部件的选择,主要包括选用直流电动机并确定额定转速,选用锂电池并确定电池容量。(2)基于整机动力性能仿真软件AVL CRUISE,进行主要部件仿真模型的搭建,包括整机模块部分、制动模块部分、电动机模块部分、主减速器模块部分、动力电池模块部分、差速器模块部分、驱动轮模块部分、监测模块部分等,在软件中完成各部件间的机械、电气以及信号连接,实现了整机的动力性仿真。仿真结果表明,整机的实际速度和目标速度之间的最大偏差为1.52km/h,最大扭矩达到184.3Nm;当电动拖拉机在低挡下以2km/h速度工作时,最大牵引力达到8955N,此时整机最大续航时间为4.5h,符合电动拖拉机动力性和经济性要求。(3)根据电动拖拉机的驱动控制目标,制定了整机驱动系统的控制策略,主要包括整机需求转矩计算策略及双电机转矩最优分配策略。其中,针对需求转矩计算策略,采用基础转矩加补偿转矩的方式,基础转矩由查表得来,补偿转矩利用模糊神经网络算法对不同工况下的需求转矩进行识别。针对转矩最优分配策略,核心是使双电机的效率达到最佳。在SIMULINK中搭建了整机的包括需求转矩计算策略和转矩分配策略的驱动控制策略模型,配置了整机模型与控制策略的交互信号,实现了AVL CRUISE和MATLAB平台间的联合仿真。仿真结果表明,基于ANFIS控制的补偿转矩随着转速和加速踏板开度变化率的响应变的更加迅速,更加平顺,证明转矩补偿策略的合理有效性。(4)最后,建立了双电机耦合驱动试验系统,对整机动力性和经济性进行验证。在定负载试验下,主电机的最高转速为4982.3r/min,辅助电机的最高转速为4257.7r/min。在变负载试验下,当负载转矩为387N·m时,主电机的功率为3.5k W,辅助电机的功率为1.88k W,整机的最高效率为82%。在电池耗能试验下,模拟正常道路低负载行驶时,在500s的循环测试下电池SOC由100%下降到97.4%,模拟犁耕高负载作业时,在500s的循环测试下电池SOC由100%下降到91.6%,符合电机、电池工作特性。
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