电动拖拉机驱动系统研究

论文摘要

研究表明,新型电动拖拉机是解决由农业机械所造成的能源和环保问题的有效途径之一。而在我国,关于电动拖拉机方面的研究几乎是一片空白.因此,深入研究电动拖拉机的电驱动系统设计理论以及电驱动特性,对电动拖拉机的研究与开发具有重要的意义。本文基于电动拖拉机实际作业工况对电驱动系统的要求,结合当前国内外在电驱动系统方面的研究现状,研制了一种基于串励直流电动机的电动拖拉机驱动系统。主要研究内容和取得的结论归纳如下:1、电动拖拉机电驱动系统设计理论及计算方法研究。根据电动拖拉机作业特点,提出了一种电动机和变速箱相结合的电动拖拉机传动系统结构方案,并给出了电动拖拉机动力性能和经济性能评价指标以及电驱动系统主要参数的设计计算方法,以基于串励直流电动机的某型号小四轮电动拖拉机电驱动系统为设计实例,计算分析了该电动拖拉机的驱动力-行驶阻力平衡图、不同挡位下的爬坡度以及连续作业时间.研究结果表明:基于串励直流电动机的电动拖拉机电驱动系统的驱动力特性场接近理想驱动力特性场,其各挡下的驱动力特性是一组下凹的曲线,低速恒转矩,高速恒功率;同一行驶速度下所对应高挡驱动力大于低挡驱动力,这是由电机的调速特性决定的;电动拖拉机各个挡位下具有较广的稳定作业速度范围,但是各个挡位之间速度重合的范围较多,说明所用变速箱变速比与电动机匹配不合理;电动拖拉机最大爬坡度达到30%以上,并且各挡爬坡度变化范围较广,作业过程中不需要频繁换挡;影响电动拖拉机连续作业时间的因素较多,其中作业行驶速度和作业负荷影响最为明显,作业负荷越大,连续作业时间就越短,作业速度越快,连续作业时间就越短。2、电动拖拉机驱动特性仿真研究。从电动拖拉机牵引作业受力分析入手,建立其行驶平衡方程式以及驱动系统的仿真模型和控制策略,基于ADVISOR开发了电动拖拉机仿真系统,分别以低速EUDC工况和一匀速工况作为循环测试工况的输入,对电动拖拉机驱动特性与驱动系统各部件动力学特性进行了仿真研究,研究结果表明:仿真速度能够很好地跟踪目标速度,说明电驱动系统正常工作;驱动轮输出转矩主要受作业负荷的影响,匀速作业时,输出转矩不变,而在加减速或负荷有变化时,输出转矩也跟着变化;蓄电池输出电流受作业负荷和行驶速度的影响较大,随着作业负荷或行驶速度的增加,蓄电池输出电流也跟着增大;蓄电池SOC的大小反映了剩余电量的多少,SOC越小,剩余电量越少;电动拖拉机具有较强的抗过载能力,能够承受的最大突加载荷可达到额定载荷的1.4倍,并且具有自适应负荷能力,随着作业负荷的增加,作业速度降低,但仍能继续作业。3、电动拖拉机电驱动系统试验台研究.建立了模块化的电驱动系统试验台,开发了基于LabVIEW的试验台测控系统,对试验台所用传感器进行了标定.所得结论如下:所开发的电驱动系统试验台不仅能够完成整车性能试验,还能对单个部件的性能进行测试,并且具有较好的可扩展性;通过数据采集卡输出电压直接控制磁粉制动器制动力矩,可以方便的模拟不同作业工况的负荷。4、电动拖拉机电驱动系统驱动特性试验研究。试验研究了驱动轮驱动特性、功率特性、蓄电池电压、电流特性、电驱动系统传动效率、电机控制效率以及最高行驶速度、最大爬坡度等。研究结果表明:驱动轮各挡驱动特性与理论分析一致,受电动机外特性影响,是一组近似双曲线,随着转速增加,驱动转矩下降;蓄电池剩余电量的多少不影响驱动特性,只影响一次充电连续作业时间;不同挡位下电动拖拉机的驱动转矩和传动效率差别较大,在Ⅴ、Ⅵ两挡作业时,它的动力性和经济性最好;不同挡位的驱动力特性曲线适合不同类型作业工况,应为某些常用作业工况设计与之匹配的作业挡;蓄电池电压、电流特性与仿真研究结果一致;电机控制器具有较高的工作效率,正常工作时的效率都在90%以上,对电动拖拉机的传动效率影响不大。5、电动拖拉机模拟作业试验研究。试验研究了电动拖拉机不同作业工况下传动系统各部件的输出特性以及抗突加载荷的能力.研究结果表明:电动拖拉机在不同作业工况时,蓄电池的输出电压、电流变化趋势基本相同,载荷越大,电压下降越多,而在行驶速度波动时,输出电压波动不大,作业结束后,蓄电池电压有所回升,电压下降的多少反映了蓄电池输出能量的多少,电压下降越多,蓄电池输出的能量就越多;蓄电池电流則随着速度、载荷的波动而上下波动,速度、载荷越大,输出的电流就越大;犁耕作业的平均传动效率大于运输作业时的传动效率,这说明传动系统所用变速箱的适合重载作业工况;电动拖拉机在波动载荷比为1.57的最大突变载荷下从事犁耕作业时,作业速度有微小的波动,但不影响正常作业。通过本课题的研究,以期为电动拖拉机电驱动系统的研究及开发提供理论基础和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 电动车辆研究背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 电动车辆国内外发展历程
• 1.2.1 电动汽车的发展历程
• 1.2.2 电动拖拉机的发展历程
• 1.3 电动车辆电驱动系统论述
• 1.3.1 电驱动系统结构形式
• 1.3.2 电驱动系统相关技术
• 1.4 课题研究目标和内容
• 参考文献
• 第二章 电驱动系统参数设计及计算方法研究
• 2.1 电驱动系统结构设计
• 2.2 电驱动系统性能评价指标
• 2.2.1 理想驱动特性场
• 2.2.2 动力性能评价指标
• 2.2.3 经济性能评价指标
• 2.3 电驱动系统理论模型
• 2.3.1 蓄电池模型
• 2.3.2 电机模型
• 2.3.3 驱动轮模型
• 2.4 电驱动系统参数匹配
• 2.4.1 电动机额定功率
• 2.4.2 变速箱传动比的确定
• 2.4.3 蓄电池电池数的确定
• 2.5 电机外特性试验研究
• 2.5.1 试验目的及试验设备
• 2.5.2 试验系统构建及原理
• 2.5.3 试验结果
• 2.6 电驱动系统设计实例
• 2.6.1 主要参数的设计
• 2.6.2 计算结果分析
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 电驱动系统性能仿真研究
• 3.1 电动车辆系统仿真技术
• 3.2 仿真软件ADVISOR
• 3.2.1 ADVISOR的特点
• 3.2.2 ADVISOR系统结构
• 3.3 基于ADVISOR的二次开发
• 3.3.1 仿真模型的建立
• 3.3.2 m文件的建立
• 3.3.3 测试工况的建立
• 3.4 动力性能仿真研究
• 3.4.1 空载工况仿真
• 3.4.2 运输作业仿真
• 3.4.3 犁耕作业仿真
• 3.4.4 突变载荷仿真
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 电驱动系统试验台机械结构设计
• 4.1 试验台总体设计
• 4.1.1 试验要求
• 4.1.2 试验方法选择
• 4.1.3 试验台模块划分
• 4.1.4 试验台结构设计
• 4.2 负载模拟模块设计
• 4.2.1 磁粉制动器
• 4.2.2 可调直流电源
• 4.3 数据采集模块的设计
• 4.3.1 试验台待测物理量
• 4.3.2 传感器的选择及标定
• 4.3.3 数据采集设备的选择
• 4.3.4 虚拟仪器
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 电驱动系统试验台测控系统开发
• 5.1 虚拟仪器软件开发平台
• 5.1.1 LabVIEW平台简介
• 5.1.2 LabVIEW平台的人机界面
• 5.1.3 LabVIEW平台的调试技术
• 5.2 数据采集理论基础
• 5.2.1 采样和采样定理
• 5.2.2 信号类型和连接方式
• 5.3 数据采集设备的通道设置与测试
• 5.4 试验台测控系统设计与实现
• 5.4.1 测控系统总体设计
• 5.4.2 系统设置模块
• 5.4.3 数据的采集存储与显示模块
• 5.4.4 转速校正模块
• 5.4.5 磁粉制动器控制模块
• 5.4.6 挡位预测控制模块
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 电驱动系统输出特性试验研究
• 6.1 我国电动车辆试验标准简介
• 6.2 电驱动系统输出特性试验研究
• 6.2.1 试验目的及试验设备
• 6.2.2 试验方案
• 6.2.3 试验结果及分析
• 6.3 最高转速试验
• 6.3.1 试验系统及试验设备
• 6.3.2 试验方案
• 6.3.3 试验结果及分析
• 6.4 最大爬坡度试验
• 6.4.1 试验系统及试验设备
• 6.4.2 试验方案
• 6.4.3 试验结果及分析
• 6.5 电机控制器效率试验
• 6.5.1 试验系统及试验设备
• 6.5.2 试验方案
• 6.5.3 试验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 电动拖拉机模拟作业试验研究
• 7.1 运输作业模拟试验研究
• 7.1.1 试验目的及试验设备
• 7.1.2 试验方案
• 7.2.3 试验结果及分析
• 7.2 犁耕作业模拟试验研究
• 7.2.1 试验目的及试验设备
• 7.2.2 试验方案
• 7.2.3 试验结果及分析
• 7.3 突加载荷模拟试验研究
• 7.3.1 试验目的及试验设备
• 7.3.2 试验方案
• 7.3.3 试验结果及分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 主要创新内容
• 8.3 后续研究建议及展望
• 附录一 电驱动系统输出特性试验结果
• 附录二 转矩转速传感器（2）静态标定试验结果
• 附录三 电驱动系统试验台
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文