張亞萍

（蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050）

國外對節(jié)能拖拉機(jī)的研發(fā)較早，國內(nèi)起步較晚，最初研究的都是純電動拖拉機(jī)。隨著混合動力驅(qū)動技術(shù)在汽車上的成熟應(yīng)用，國外部分公司已推出混合動力拖拉機(jī)樣機(jī)，國內(nèi)混合動力拖拉機(jī)研究處于理論探索階段[1]。希望解決拖拉機(jī)作業(yè)時耗油量大、排放性差等問題，讓拖拉機(jī)在不同工況下高效工作，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

一、節(jié)能拖拉機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、國外節(jié)能拖拉機(jī)研究現(xiàn)狀

國外節(jié)能拖拉機(jī)的研發(fā)較早，最初研究的是純電動拖拉機(jī)[2]，由于存在續(xù)駛里程短、功率偏小等問題，并沒有被廣大用戶接受[1]。為彌補其存在的問題，隨著混合動力驅(qū)動技術(shù)在汽車上的成熟應(yīng)用，國外現(xiàn)已開始進(jìn)行混合動力拖拉機(jī)的研制，RUSELPROM、ZF、紐荷蘭、Vision Industries 等公司已推出混合動力拖拉機(jī)樣機(jī)[1～2]。

2、國內(nèi)節(jié)能拖拉機(jī)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對節(jié)能拖拉機(jī)的研究起步晚，20 世紀(jì)60 年代初，東北農(nóng)學(xué)院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等12 個單位聯(lián)合試制了一種電動拖拉機(jī)動力系統(tǒng)[1～2]。2011 年，北京海博瑞德汽車技術(shù)有限公司研發(fā)出第一代電動拖拉機(jī)的樣車[2]。目前，河南科技大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)正在進(jìn)行混合動力拖拉機(jī)理論探索研究[2]。

二、節(jié)能拖拉機(jī)主要研究內(nèi)容、問題與創(chuàng)新

1、主要研究內(nèi)容

混合動力應(yīng)用于拖拉機(jī)時，可以串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)為研究對象，結(jié)合拖拉機(jī)的工作特性和動力特性，設(shè)計拖拉機(jī)混合動力總成匹配和優(yōu)化系統(tǒng)。建立混合動力拖拉機(jī)主要部件的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)仿真模型及拖拉機(jī)混合動力總成模型，為理論分析提供驗證環(huán)境。提出控制策略，分析油耗。搭建半實物仿真平臺進(jìn)行循環(huán)工況試驗，優(yōu)化并驗證控制策略，最終要求在滿足動力性能前提下，實現(xiàn)節(jié)能減排。該動力總成和控制策略可為進(jìn)一步混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)研究提供理論和試驗依據(jù)，同時也為類似農(nóng)業(yè)機(jī)械的混合動力系統(tǒng)研究提供借鑒。

（1）總體設(shè)計方案及其性能評價指標(biāo)

分析多種混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、工作模式及優(yōu)缺點，結(jié)合拖拉機(jī)各種作業(yè)項目特點及工作環(huán)境[3]，提出拖拉機(jī)串聯(lián)式混合動力總成的總體設(shè)計方案及其性能評價指標(biāo)。

（2）動力總成參數(shù)匹配及優(yōu)化

根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行傳統(tǒng)拖拉機(jī)的實車實測試驗，提取拖拉機(jī)動力輸出的關(guān)鍵性參數(shù)，結(jié)合動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性要求，對動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、電機(jī)、蓄電池及變速器等部件進(jìn)行選型和參數(shù)確定。構(gòu)建試驗?zāi)Ｐ?，利用Advisor 軟件和Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，對串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力總成參數(shù)匹配及優(yōu)化進(jìn)行研究[3]。

（3）整車控制策略

以拖拉機(jī)最小油耗為目標(biāo)函數(shù)，基于動態(tài)優(yōu)化理論提出混合動力拖拉機(jī)整車控制策略。利用Matlab/Simulink 軟件建立拖拉機(jī)的動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)模型、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)及其控制相關(guān)模型?；赟imulink/Stateflow 模塊建立整機(jī)控制模型，然后將系統(tǒng)各部件模型和整機(jī)控制模型聯(lián)接起來組成整車動態(tài)模型，根據(jù)拖拉機(jī)不同的工況，完成聯(lián)合仿真，優(yōu)化并驗證控制策略[4]。

（4）設(shè)計優(yōu)化

基于Dspace 半仿真平臺，搭建串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)半實物仿真平臺，在拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境試驗?zāi)Ｐ拖?，進(jìn)一步驗證動力總成及參數(shù)匹配優(yōu)化和控制策略的正確性和有效性，進(jìn)而對設(shè)計缺陷進(jìn)行優(yōu)化，在滿足動力性能前提下，實現(xiàn)節(jié)能減排。

2、擬解決的關(guān)鍵問題

關(guān)鍵解決與拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放最直接相關(guān)的混合動力總成技術(shù)，包括總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)匹配及優(yōu)化和能量管理控制策略。要求拖拉機(jī)在作業(yè)時對動力總成的能量需求動態(tài)分配予發(fā)動機(jī)與電機(jī)系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，以實現(xiàn)減少能耗和排放的目標(biāo)。

3、特色與創(chuàng)新

根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行傳統(tǒng)拖拉機(jī)的實車實測試驗，提取拖拉機(jī)動力輸出的關(guān)鍵性參數(shù)。

基于動態(tài)優(yōu)化理論，提出串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的控制策略。

利用半實物仿真平臺優(yōu)化并驗證控制策略，使拖拉機(jī)在不同工況高效工作，并且節(jié)能環(huán)保[5]。

三、節(jié)能拖拉機(jī)研究方法

1、具體研究方法

混合動力應(yīng)用于拖拉機(jī)時需對拖拉機(jī)串聯(lián)式混合動力總成、參數(shù)匹配及優(yōu)化、控制策略等混合動力拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，驗證串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)在不同工況的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性。研究過程中利用傳統(tǒng)拖拉機(jī)實車實測動力輸出參數(shù)，利用軟件建模和虛擬仿真優(yōu)化動力總成及能量控制策略，并搭建半實物仿真平臺，驗證動力總成及參數(shù)匹配優(yōu)化和控制策略的正確性和有效性，進(jìn)而對設(shè)計缺陷進(jìn)行優(yōu)化。具體研究方法如下：

通過理論分析確定拖拉機(jī)混合動力總成設(shè)計方案，然后對傳統(tǒng)拖拉機(jī)進(jìn)行實車實測試驗，提取動力輸出的關(guān)鍵性參數(shù)。構(gòu)建試驗?zāi)Ｐ?，利用Advisor 軟件和Matlab/Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真驗證其動力總成參數(shù)匹配及優(yōu)化算法。

應(yīng)用Matlab/Simulink 軟件建立拖拉機(jī)的動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)模型、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)及其控制相關(guān)模型。應(yīng)用Simulink/Stateflow 模塊建立拖拉機(jī)整機(jī)控制策略模型，然后將各模型聯(lián)接起來組成整車動態(tài)模型，再聯(lián)合仿真[4]。

基于Dspace 半仿真平臺搭建串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)半實物仿真平臺，對電動機(jī)和發(fā)動機(jī)功率配比、發(fā)動機(jī)和電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩、牽引效率、總傳動效率和等效能耗等特性進(jìn)行試驗驗證和分析，進(jìn)一步優(yōu)化控制策略[1]。

2、可能遇到的問題和解決辦法

研究中可能出現(xiàn)拖拉機(jī)行走過程中由于特殊的作業(yè)環(huán)境使得發(fā)動機(jī)大部分時間在大功率低速區(qū)域工作，效率低下，燃油消耗大，排放性差。此類問題涉及到傳動部件的合理匹配問題，可以從動力總成各部件的最優(yōu)匹配方面進(jìn)行研究。

四、結(jié)論

研制在不同作業(yè)工況下自適應(yīng)提供動力且節(jié)能環(huán)保的拖拉機(jī)，以及將串聯(lián)式混合動力總成系統(tǒng)應(yīng)用在傳統(tǒng)拖拉機(jī)上時，首先可以結(jié)合拖拉機(jī)的運行環(huán)境及工作特性，設(shè)計拖拉機(jī)串聯(lián)式混合動力總成匹配和優(yōu)化系統(tǒng)；建立混合動力拖拉機(jī)主要部件的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)仿真模型及拖拉機(jī)混合動力總成模型，為理論分析提供驗證環(huán)境；提出控制策略，分析油耗；搭建半實物仿真平臺進(jìn)行半仿真試驗，優(yōu)化并驗證控制策略，最終要求在滿足動力性能前提下，實現(xiàn)節(jié)能減排。