电力变矩混合动力装载机驱动机理及其协调控制研究

装载机负载变化范围宽，输出功率波动剧烈，发动机工作点分布区域分散，严重地影响了装载机的油耗和排放性能；为了协调发动机的动力输出与牵引力需求之间的关系，装载机普遍采用自适应性较强的液力变矩器作为变矩传动部件，但变矩器传动效率较低，使装载机油耗和排放进一步恶化。本项目拟研究一种具有电力变矩功能的机电耦合系统，该系统既能实现混合动力装载机的各种节能减排工作模式，又能利用行星排的变矩传动原理降速增扭，还能在变矩过程中利用电机发电回收发动机的盈余功率以备电机驱动时使用，不仅能提高装载机的能源利用率，还能提高变矩传动效率。本项目主要研究混合动力装载机的电力变矩机理及其协调控制理论，基于最优控制理论建立系统参数优化匹配方程，运用正交化分析方法通过平台仿真搜索出最优配置方案，利用实验台架验证协调控制的效果。研究成果将在混合动力装载机机电耦合理论和变矩传动机理研究领域具有深远的科学意义和广阔的工程应用前景。

本项目在分析装载机作业过程动力需求变化规律的基础上，提出了一种具有电力变矩功能的混合动力装载机结构方案。该方案利用行星排变矩传动原理实现了装载机电力变矩的功能，在变矩传动过程中通过电机反转发电回收发动机的盈余功率，不但具有一般混合动力系统提高能量利用率降低油耗的功能，而且还取消了传统装载机的液力变矩器，避免了传统装载机依靠液力传动而产生的机械损失，提高了混合动力装载机的变矩传动效率。本项目综合运用行星排变矩传动理论，研究了其与混合动力技术相结合并在装载机上推广应用的关键技术问题，为提高装载机的能量利用率和变矩传动效率提供了理论指导和方法借鉴，具体研究内容包括：1、针对两种典型物料开展了装载机工作循环试验，利用数据挖掘技术从试验数据中萃取体现其能耗规律的特征数据，基于特征数据创建了装载机循环工况，为本项目的进一步研究提供必要的数据支持；2、针对装载机循环工况体现的能耗规律，提出了7种混合动力装载机的节能途径，并逐一对其节能潜力和实施难度进行了评估，对其中2种最具节能潜力的途径制定了具体的结构实施方案；3、通过试验和理论分析的方法研究了液力变矩器与行星排变矩传动特性的差异，进而研究了利用行星排模拟液力变矩传动特性的关键技术问题；4、以装载机的动力要求为边界条件，以行星排变矩传动理论为约束条件，创建了电力变矩混合动力装载机的匹配理论，详细阐述了其动力系统的匹配问题；5、针对电力变矩混合动力装载机的结构和功能特点，分层次编制了工作模式划分策略、电力变矩模式控制策略以及超级电容电量（State Of Charge-SOC）平衡策略，规划了电力变矩混合动力装载机实现各种节能工作模式的控制方法；6、基于AMEsim软件搭建了电力变矩混合动力装载机仿真平台，在仿真平台中植入了本项目创建的装载机循环工况，并嵌入了本项目指定的协调控制策略，通过仿真验证了本项目的研究成果和相关结论；7、最后，利用同轴并联混合动力装载机检验了电力变矩混合动力装载机的部分节能工作模式的节能效果，在试验台架上检验了电力变矩模式的能量回收效果。.另外，还对装载机其它非液力变矩传动方案进行了研究，其中包括纯静液传动和静液-机械复合传动方案，相关研究内容为本项目提供了方案的对比和开阔的思路。