朱 鎮(zhèn)，賴龍輝，王登峰，陳 龍，蔡英鳳

油電混合機(jī)械液壓式拖拉機(jī)動力系統(tǒng)節(jié)能性

朱 鎮(zhèn)1,2，賴龍輝1，王登峰2，陳 龍1，蔡英鳳1※

（1. 江蘇大學(xué)汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013；2. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025）

針對大馬力拖拉機(jī)在道路運(yùn)輸與田間作業(yè)過程中由于工況復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣導(dǎo)致油耗高、節(jié)能效果差的問題，該研究采用油電混合動力匹配液壓機(jī)械無級變速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式，設(shè)計(jì)了一種油電混合—機(jī)液復(fù)合拖拉機(jī)動力系統(tǒng)，探討了該系統(tǒng)的驅(qū)動模式與傳動方式的實(shí)現(xiàn)原理并得到液壓機(jī)械無級變速器的調(diào)速曲線；建立了動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)最佳性能，制定了整車控制架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出HMCVT經(jīng)濟(jì)性速比控制策略、基于規(guī)則的工作模式劃分策略和基于自適應(yīng)等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。為驗(yàn)證所提控制策略的可行性，在SimulationX仿真軟件中建立系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，并基于測功機(jī)搭建試驗(yàn)臺架進(jìn)行測試，分別對拖拉機(jī)在犁耕、收獲和運(yùn)輸3個典型工況下進(jìn)行仿真與試驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制策略能夠兼顧混合動力源的最佳扭矩分配與電池電量平衡，且動力系統(tǒng)能保持較高的系統(tǒng)效率（0.4以上），犁耕、收獲和運(yùn)輸3個工況下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）與試驗(yàn)值（2.72、6.80和1.77 L）的誤差均不超過5%，模型可靠。與德國農(nóng)業(yè)協(xié)會公布的相近功率動力換擋拖拉機(jī)和無級變速拖拉機(jī)油耗數(shù)據(jù)相對比，該研究所提的控制策略在3種工況下節(jié)油9%～20%。研究結(jié)果可為多工況作業(yè)條件下降低拖拉機(jī)能耗提供解決方案。

拖拉機(jī)；混合動力；液壓機(jī)械無級變速器；等效因子；節(jié)能

0 引 言

拖拉機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極為重要。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的數(shù)據(jù)，到2021年，中國各類拖拉機(jī)保有量已超過2 173萬臺，配套農(nóng)具超過4 000萬部，并呈穩(wěn)步增長趨勢。中國“十三五規(guī)劃能源發(fā)展綱要”和“2022年中央一號文件”都在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提出了節(jié)能的要求[1]。生產(chǎn)效率越高，對拖拉機(jī)的性能要求就越高，在降低油耗的同時，還要滿足拖拉機(jī)的性能要求，給拖拉機(jī)動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)[2-3]。

靜液壓傳動、機(jī)械傳動和液壓機(jī)械傳動是拖拉機(jī)最常用的傳動方式。靜液壓傳動具有無級變速的優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)拖拉機(jī)不適合長期使用靜液壓傳動以保證傳動效率[4-6]。機(jī)械傳動的操作比較復(fù)雜，在功率變化范圍大的工況條件下需要更多的擋位[7]。液壓機(jī)械復(fù)合傳動可實(shí)現(xiàn)無級變速，它將液壓傳動和機(jī)械傳動組成復(fù)合傳動，既能滿足大馬力拖拉機(jī)的傳動要求，又能通過調(diào)節(jié)傳動比使發(fā)動機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)曲線上運(yùn)行[8]。張明柱等[9]研究了使發(fā)動機(jī)和HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission）整體效率最大化的傳動比控制策略。Ahn等[10]提出了一種控制算法，通過控制HMCVT的傳動比實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)性。由于液壓元件容積效率的限制，上述研究的液壓系統(tǒng)在部分負(fù)荷條件下效率不高[11]。拖拉機(jī)轉(zhuǎn)場作業(yè)時通常是空載，低負(fù)荷將導(dǎo)致拖拉機(jī)系統(tǒng)效率下降[12]。

道路車輛的電氣化表明，混合動力系統(tǒng)在高負(fù)荷時利用電池輔助發(fā)動機(jī)做功，在低負(fù)荷時利用發(fā)動機(jī)剩余功率為電池充電，可以有效降低油耗，提高車輛性能，對于拖拉機(jī)也是如此。Guo等[13]提出了一種基于電池電量（State of Charge，SOC）約束的能量管理策略，在客車上的節(jié)油率為5.9%。Kim等[14]研究發(fā)現(xiàn)，混合動力拖拉機(jī)在部分負(fù)荷條件下比傳統(tǒng)拖拉機(jī)有更好的經(jīng)濟(jì)性，這是因?yàn)榛旌蟿恿ο到y(tǒng)將發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到高效區(qū)域，并在必要時關(guān)閉發(fā)動機(jī)進(jìn)行純電驅(qū)動。拖拉機(jī)帶載起步時需要很大的扭矩，由于電氣元件的功率密度比液壓元件低，需要很高的電池和電機(jī)功率才能滿足驅(qū)動要求，導(dǎo)致設(shè)備體積大。液壓元件彌補(bǔ)了這一缺陷，并且具有啟動平穩(wěn)、舒適性好的優(yōu)點(diǎn)[15]。拖拉機(jī)和道路車輛的一個顯著區(qū)別是需要額外的動力輸出（Power Take-Off，PTO），現(xiàn)代拖拉機(jī)設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵問題就是實(shí)現(xiàn)PTO轉(zhuǎn)速與車輪速度的獨(dú)立控制，電氣化為該問題提供了解決方案[16]。

Haughery等[17]提出了液壓-電力-機(jī)械變速器，研究了該變速器的傳動性能但沒有考慮效率問題。本文提出一種用于拖拉機(jī)的油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)拖拉機(jī)油耗高、節(jié)能效果差的問題，使拖拉機(jī)從低負(fù)荷到高負(fù)荷、從低速到高速都有良好的驅(qū)動性能和高效率。首先根據(jù)油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，建立各部件的數(shù)學(xué)模型，然后制定液壓機(jī)械無級變速器的速比控制策略、基于規(guī)則的工作模式劃分策略和基于自適應(yīng)等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。最后，通過ITI SimulationX模型和搭建的試驗(yàn)臺對所提控制策略進(jìn)行仿真和測試，并與德國農(nóng)業(yè)協(xié)會公布的動力換擋拖拉機(jī)和無級變速器拖拉機(jī)的油耗進(jìn)行比較，驗(yàn)證配備該動力系統(tǒng)的拖拉機(jī)相對于傳統(tǒng)拖拉機(jī)的節(jié)油性能。

1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 驅(qū)動模式

所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖１所示，主要由發(fā)動機(jī)、電機(jī)、動力電池、變量泵、定量馬達(dá)、行星齒輪機(jī)構(gòu)、定軸齒輪、動力輸出軸、離合器和制動器組件組成，具體構(gòu)型見文獻(xiàn)[18]。該系統(tǒng)具有2個動力源，通過控制離合器C1、C2、C3和制動器B1實(shí)現(xiàn)純電動、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動、轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動和轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動4種驅(qū)動模式，不同驅(qū)動模式下離合器與制動器的接合狀態(tài)如表1所示。

1.發(fā)動機(jī) 2.輸入軸 3.功率分流機(jī)構(gòu) 4.液壓傳動機(jī)構(gòu) 5.動力輸出軸 6.轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu) 7.電機(jī) 8.轉(zhuǎn)速耦合機(jī)構(gòu) 9.功率匯流機(jī)構(gòu) 10.副變速器 11.輸出軸；C1～C5為離合器，B1～B5為制動器，K1～K4為行星齒輪，i1～i3為傳動比，e為液壓系統(tǒng)的排量比。

表1 不同驅(qū)動模式下離合器與制動器接合狀態(tài)

注：▲表示離合器或制動器接合，下同。

Note: ▲means that clutch or brake engaged，the same below.

1.2 傳動方式

液壓機(jī)械無級變速器有3種傳動方式，通過控制離合器C4、C5和制動器B1、B2、B3、B4、B5可以實(shí)現(xiàn)靜液壓傳動（H）、液壓機(jī)械傳動(HM)和機(jī)械傳動(M)，各傳動方式下的傳動比以及離合器和制動器的控制邏輯如表2所示。

表2 擋位控制邏輯

注：F表示前進(jìn)擋，R表示倒擋，H表示液壓傳動，M表示機(jī)械傳動，HM表示液壓機(jī)械傳動，1～4為行星齒輪特性參數(shù)，其中1=1.80，2=1.60,3=1.65，4=1.65，1=0.62，2=1.00。

Note: F stands for forward gear, R stands for reverse gear, H stands for hydraulic transmission, M stands for mechanical transmission, HM stands for hydraulic mechanical transmission,1～4is the characteristic parameter of planetary gear, where1=1.80,2=1.60,3=1.65,4=1.65,1=0.62,2=1.00.

2 動力系統(tǒng)模型建立

2.1 發(fā)動機(jī)模型

拖拉機(jī)通常搭載柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)模型多為靜態(tài)模型，在一定精度范圍內(nèi)能反映發(fā)動機(jī)特性[19]。

式中T為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，是關(guān)于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω和油門開度的函數(shù)，N?m；Tmax(ω)表示當(dāng)前發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下所能提供的最大轉(zhuǎn)矩，N?m ；b為發(fā)動機(jī)比油耗，g/(kW·h)；1為查表函數(shù)；P為發(fā)動機(jī)瞬時功率，kW。

2.2 電機(jī)模型

忽略電機(jī)熱力學(xué)影響，電機(jī)靜態(tài)插值模型可根據(jù)電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩建立[20]。

式中T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N?m；為轉(zhuǎn)矩負(fù)荷率；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；P為電機(jī)功率，kW；為判斷電機(jī)狀態(tài)的參數(shù)，1功率為正，電機(jī)功能為電動機(jī)；1功率為負(fù)，電機(jī)功能為發(fā)電機(jī)；η為電機(jī)效率；f 為電機(jī)效率插值函數(shù)。

2.3 電池模型

電池荷電狀態(tài)（SOC）是能量管理的一個重要輸入信號，可按下式計(jì)算[21]：

式中SOC為時刻的SOC值；SOC0為電池初始時刻的SOC值；Q為電池額定容量，Ah；I為電池充放電電流，A；V為電池電壓，V；r為電池內(nèi)阻，Ω；P為電池的充放電功率，kW。

電池電壓和內(nèi)阻通過試驗(yàn)獲得，通過查表函數(shù)表示為

式中V為電池路端電壓，f和f分別是電池開路電壓和電池內(nèi)阻的查表函數(shù)。

2.4 拖拉機(jī)縱向動力學(xué)模型

拖拉機(jī)的縱向動力學(xué)模型[22]可表示為

式中T為傳動系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩，N?m；0為驅(qū)動橋傳動比；i為變速器傳動比；T為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，N?m；J為驅(qū)動輪等效轉(zhuǎn)動慣量kg?m2；F為掛鉤拉力，N；ω為驅(qū)動輪角速度，rad/s；為空氣密度，kg/m3；C為空氣阻力系數(shù)；為迎風(fēng)面積，m2；為車輛使用質(zhì)量，kg；v為拖拉機(jī)實(shí)際車速，m/s；為重力加速度，m/s2；為滾動阻力系數(shù)；為坡道角度；r為驅(qū)動輪半徑，m；ω為變速箱輸入端角速度，rad/s；為驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率。

拖拉機(jī)在各工況下的系統(tǒng)效率可以通過分析不同工況下動力元件的功率流得到[23]：

式中η為系統(tǒng)效率；η為發(fā)動機(jī)的效率；P為需求功率，kW；P為動力輸出軸功率，kW；P為電池功率，kW；為電池充放電狀態(tài)參數(shù)；電池處于充電狀態(tài)時，=0，電池處于放電狀態(tài)時，=1。

3 整車控制策略

裝備油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的拖拉機(jī)有多種驅(qū)動模式和傳動方式，根據(jù)拖拉機(jī)在不同工況下對功率和速度的要求，合理選擇驅(qū)動模式和傳動方式可使其性能最優(yōu)。使用多動力源同時驅(qū)動時需要考慮動力源之間的功率分配，以達(dá)到最佳的系統(tǒng)效率。

3.1 整體控制邏輯

拖拉機(jī)的整車控制流程如圖2所示。首先，根據(jù)拖拉機(jī)當(dāng)前的速度和目標(biāo)速度以及拖拉機(jī)的實(shí)時載荷確定拖拉機(jī)的功率需求；然后，根據(jù)實(shí)時的電池SOC選擇最佳的驅(qū)動模式，并根據(jù)拖拉機(jī)的當(dāng)前模式考慮是否切換模式，即在純電動驅(qū)動、純發(fā)動機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動和轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動之間選擇最合適的驅(qū)動模式；最后，在靜液壓傳動、液壓機(jī)械傳動和機(jī)械傳動之間選擇合適的傳動方式，以滿足最佳的動力傳輸。

圖2 拖拉機(jī)整車控制流程

驅(qū)動模式和傳動方式的匹配根據(jù)動力源和傳動方式的工作特性制定。如果選擇純電動驅(qū)動模式，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以在很大范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，所以不需要選擇靜液壓傳動或液壓機(jī)械傳動，而傳動效率最高的機(jī)械傳動可以滿足傳動要求，實(shí)現(xiàn)無級變速。

3.2 HMCVT速比匹配策略

HMCVT的速比應(yīng)使發(fā)動機(jī)工作在最佳曲線上，并滿足拖拉機(jī)的速度要求。以最佳經(jīng)濟(jì)性為例，拖拉機(jī)速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[24]如下：

式中n為發(fā)動機(jī)當(dāng)前節(jié)氣門開度的最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，r/min，通過臺架試驗(yàn)得到。對于本文選擇的柴油機(jī)（WP6.180E40），n和之間的擬合曲線為

根據(jù)上述關(guān)系，發(fā)動機(jī)工作模式的HMCVT最佳經(jīng)濟(jì)性速比曲面如圖3所示。

圖3 HMCVT最佳經(jīng)濟(jì)性速比圖

3.3 基于規(guī)則的工作模式劃分

為了實(shí)現(xiàn)油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的最佳性能，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的拖拉機(jī)工作模式劃分策略，對拖拉機(jī)的各個功率區(qū)間進(jìn)行最佳工作模式劃分：

初始化輸入?yún)?shù)包括電池SOC、變速器速比i、整機(jī)需求扭矩T和目標(biāo)車速。首先判斷拖拉機(jī)是否需要起步，如果需要，根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩確定起步方式；例如，如果拖拉機(jī)處于犁耕或運(yùn)輸?shù)刃枰峁┐筠D(zhuǎn)矩的工況，則通過發(fā)動機(jī)動力匹配液壓傳動起步；如果拖拉機(jī)處于轉(zhuǎn)場工況，需求轉(zhuǎn)矩小，電量充足，則通過電驅(qū)動匹配機(jī)械傳動的方式起步。拖拉機(jī)達(dá)到起步完成速度后即切換到作業(yè)模式，當(dāng)傳動方式為機(jī)械傳動時，如果要求無級變速，則只有純電動方式才能滿足要求，否則通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動的液壓機(jī)械傳動來實(shí)現(xiàn)無級變速。

變速器速比i與最小速比i-min之間的關(guān)系與需求轉(zhuǎn)速的大小密切相關(guān)。如果i<i-min，則需求轉(zhuǎn)速大于發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，SOC較高時，可以切換到轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動方式，滿足更高的速度要求；SOC較低時，拖拉機(jī)只能由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。如果i≥i-min，拖拉機(jī)的速度要求較低，根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩，SOC可以依次選擇最合適的驅(qū)動模式：純電動、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動、轉(zhuǎn)矩耦合行車充電、轉(zhuǎn)矩耦合電機(jī)助力。

3.4 自適應(yīng)等效燃油消耗最小策略

能量管理的第一步是根據(jù)當(dāng)前需求轉(zhuǎn)矩選擇合適的驅(qū)動模式。如果選擇單動力源驅(qū)動，則直接進(jìn)行功率輸出，不進(jìn)行功率分配。如果選擇雙動力源，以轉(zhuǎn)矩耦合為例，根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩，以燃油消耗最低的方式將轉(zhuǎn)矩分配給發(fā)動機(jī)和電機(jī)[25]。

等效因子將電池消耗功率與發(fā)動機(jī)的燃油消耗進(jìn)行等價，計(jì)算出任意時刻發(fā)動機(jī)和電機(jī)的最低燃油消耗所對應(yīng)的功率分配組合[26-27]。等效因子反映了能量使用的趨勢，如果較大，傾向于用油使發(fā)動機(jī)輸出更多的功率；如果較小，則傾向于用電使電機(jī)輸出更多的功率?？紤]到SOC和能量分配策略，如果SOC較高，則通過電機(jī)驅(qū)動來節(jié)省燃料消耗；如果SOC較低，則通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動來避免電量過低。等效因子和SOC之間的特殊關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)動力源之間的最佳功率分配，并保證SOC在電池高效區(qū)域內(nèi)。

等效燃油消耗模型可表示為

式中m為等效油耗，g/s；m為發(fā)動機(jī)油耗，g/s；m為電池等效油耗，g/s；η為電池充放電效率；Q是燃油低熱值，MJ/kg；()是等效因子，通過下式計(jì)算：

式中0為等效因子初值；Δ為等效因子變化量；ΔSOC為SOC變化量；SOC為電池SOC上限；SOC為電池SOC下限；s為等效因子上限；s為等效因子下限；為SOC懲罰因子。

以工況周期[0,t]內(nèi)總等效油耗最小作為控制目標(biāo)，定義系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為()，根據(jù)Pontryagin最小值原理，將目標(biāo)函數(shù)()最小化等價于系統(tǒng)在每個時刻的哈密頓函數(shù)((),(),)最小化，最佳輸出轉(zhuǎn)矩為

式中()為目標(biāo)函數(shù)；(()，()，)為瞬時油耗函數(shù)；()為發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間的最佳功率分配；(()，()，)為哈密爾頓函數(shù)；()為約束條件；()為系統(tǒng)的共態(tài)變量。

通過對哈密爾頓函數(shù)求偏導(dǎo)計(jì)算最低油耗。

式中為控制SOC狀態(tài)變化的函數(shù)。

最佳控制率u通過式（13）得到：

式中T()為時刻下的需求轉(zhuǎn)矩，和為電機(jī)和發(fā)動機(jī)的最佳分配轉(zhuǎn)矩。以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為控制變量，在確定需求轉(zhuǎn)矩時，按照一定的迭代梯度計(jì)算所有可能的發(fā)動機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩組合的等效油耗，并以油耗最低的組合作為轉(zhuǎn)矩分配目標(biāo)，得到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩組合。

4 仿真與試驗(yàn)

4.1 仿真建模

在ITI SimulationX中建立如圖4所示的油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)模型。在ITI SimulationX元件庫下，利用Modelica語言的跨域方程概念，建立發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)模型、變速器模型、底盤模型、模式切換單元、速比計(jì)算單元和功率分配單元，仿真參數(shù)見表3。

4.2 試驗(yàn)臺架及原理

為了驗(yàn)證所提油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的性能，進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，臺參數(shù)見表4，試驗(yàn)臺架基于AVL測功機(jī)搭建。

試驗(yàn)臺架如圖5a，測試原理如圖5b所示，將拖拉機(jī)的控制策略模型經(jīng)編譯后下載至整車控制器（Hybrid Control Unit，HCU）中，試驗(yàn)臺主控計(jì)算機(jī)與HCU通過通信實(shí)現(xiàn)觀測和標(biāo)定，HCU通過數(shù)據(jù)采集交換系統(tǒng)間接與變頻驅(qū)動與控制系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)與測功機(jī)動力柜建立通信，并直接通過電機(jī)控制器控制電機(jī)，通過DSP控制器控制HMCVT的排量比，通過PWM（Pulse Width Modulation）電壓放大器電磁換向閥間接控制離合器和制動器完成模式切換。

圖4 基于ITI SimulationX的油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)仿真模型

表3 仿真參數(shù)

表4 臺架配置

試驗(yàn)過程中，通過測功機(jī)加載拖拉機(jī)的不同試驗(yàn)工況，由經(jīng)濟(jì)性速比控制策略決策液壓機(jī)械無級變速器的目標(biāo)速比，結(jié)合規(guī)則式模式劃分策略與A-ECMS扭矩分配策略決策當(dāng)前的工作模式以及目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的分配，再將相應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、目標(biāo)速比等控制信號作為控制目標(biāo)由上位機(jī)發(fā)送到各部件控制器進(jìn)行實(shí)時控制，對臺架各部件反饋的信號進(jìn)行采集，驗(yàn)證A-ECMS在線應(yīng)用的可行性。

圖5 臺架試驗(yàn)

5 結(jié)果與分析

犁耕和收獲工況是拖拉機(jī)的代表性作業(yè)工況，能夠反映拖拉機(jī)的主要作業(yè)性能，道路運(yùn)輸時，拖拉機(jī)的速度變化范圍相較作業(yè)工況而言更廣，故本文選取犁耕、收獲和道路運(yùn)輸3個工況作為試驗(yàn)工況，由于拖拉機(jī)沒有特定的循環(huán)工況數(shù)據(jù)，故通過速度和拉力傳感器獲取實(shí)際作業(yè)時拖拉機(jī)的行駛速度和牽引阻力等數(shù)據(jù)來構(gòu)建3種工況。

5.1 犁耕作業(yè)工況

犁耕作業(yè)受土壤性質(zhì)影響，犁耕阻力的變化是隨機(jī)的，實(shí)際測量的相關(guān)參數(shù)如表5所示。以圖6所示掛鉤拉力F和目標(biāo)車速v作為輸入進(jìn)行犁耕作業(yè)工況測試。

表5 犁耕作業(yè)工況參數(shù)

圖6 犁耕作業(yè)輸入信號

犁耕作業(yè)工況試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。雖然犁耕阻力不斷變化，但拖拉機(jī)的速度基本與測量速度一致，由于起步需求轉(zhuǎn)矩大，0～5 s以發(fā)動機(jī)起步，10～100 s耕深較小，需求轉(zhuǎn)矩小，多余的轉(zhuǎn)矩用于發(fā)電，使發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更高負(fù)荷處。100 s后拖拉機(jī)一直處于發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式，HMCVT能根據(jù)犁耕所需驅(qū)動力調(diào)節(jié)變速器速比使發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布在油耗較低區(qū)域，發(fā)動機(jī)比油耗保持在205～211 g/(kW·h)范圍內(nèi)，瞬時油耗在11～31 L/h之間，拖拉機(jī)整體油耗較低。犁耕作業(yè)過程中，不同載荷下HMCVT效率在0.84～0.90之間，系統(tǒng)效率在0.34～0.37之間，在不同的犁耕阻力下，拖拉機(jī)在整個作業(yè)過程中具有較低的燃油消耗。

圖7 犁耕作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

5.2 收獲作業(yè)工況

以收獲作業(yè)時測量的數(shù)據(jù)作為輸入，拖拉機(jī)驅(qū)動力、目標(biāo)車速以及PTO需求功率如圖8所示。

圖8 收獲作業(yè)輸入信號

收獲工況試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。拖拉機(jī)起步后車速與目標(biāo)車速保持一致，此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器速比基本不變。收獲過程需求功率主要來自PTO，行駛驅(qū)動所需的功率相對較小，在等效燃油消耗最小控制策略的調(diào)節(jié)下，根據(jù)行駛驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩與PTO需求轉(zhuǎn)矩改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)獲得最高效率。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速保持平穩(wěn)，并為PTO提供穩(wěn)定的輸出速度并驅(qū)動其他機(jī)構(gòu)。收獲作業(yè)時發(fā)動機(jī)油耗保持在206～211g/(kW·h)范圍內(nèi)，瞬時油耗在10.4～32.3 L/h之間。收獲過程中，HMCVT的效率基本保持在0.89以上，系統(tǒng)效率保持在0.39以上，所制定的能量管理策略既能滿足PTO和行駛驅(qū)動的功率要求，又能保持較高的拖拉機(jī)系統(tǒng)效率。

5.3 運(yùn)輸工況

拖拉機(jī)在運(yùn)輸過程中受到來自拖車的拉力，從動力學(xué)角度看，如果拖拉機(jī)與拖車之間是剛性連接的，兩者將共享相同的縱向速度，拖拉機(jī)的縱向受力F為

式中m為拖拉機(jī)與拖車的總質(zhì)量；本文以滿載運(yùn)輸為研究目標(biāo)，拖車質(zhì)量5 010 kg，貨物質(zhì)量13 080 kg，拖拉機(jī)總質(zhì)量為26 350 kg。

運(yùn)輸工況試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。0～10 s通過液壓起步，10～40 s進(jìn)入轉(zhuǎn)矩耦合電機(jī)助力模式，車輛具有較大的加速度；當(dāng)車速大于40 km/h，進(jìn)入轉(zhuǎn)速耦合模式，車速隨電機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增大直至60 km/h，該過程車輛的提速相對較慢，這也是轉(zhuǎn)速耦合與轉(zhuǎn)矩耦合的區(qū)別，但車輛的最高車速得到提升，運(yùn)輸效率更高。運(yùn)輸過程中發(fā)動機(jī)保持較高轉(zhuǎn)速，變速器速比基本保持在最小傳動比g-min附近。該過程涉及了多種驅(qū)動模式的切換。

圖9 收獲作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

圖10 運(yùn)輸工況試驗(yàn)結(jié)果

表6為上述3種工況下的SOC和燃油消耗量，SOC初始與結(jié)束差值較小，電池充放電近似平衡，拖拉機(jī)對外做功的能量主要來自發(fā)動機(jī)，燃油消耗量的仿真與試驗(yàn)值相對誤差率最大不超過5%。

表6 SOC與燃油消耗量匯總

5.4 節(jié)能性驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提油電混合-機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的節(jié)能性，參照德國農(nóng)業(yè)協(xié)會公布的拖拉機(jī)標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)的數(shù)據(jù)，與CLAAS AXION 850 Hexashift裝備動力換擋PowerShift變速器的拖拉機(jī)和Fendt 724 Vario SCR裝備CVT 變速的拖拉機(jī)進(jìn)行油耗對比[28]。測試循環(huán)包括14個作業(yè)工況，根據(jù)經(jīng)合組織（OECD，Organization for Economic Co-operation and Development）規(guī)范2的相關(guān)要求在PowerMix上進(jìn)行，模擬拖拉機(jī)在典型田間和運(yùn)輸條件下的作業(yè)情況，并測量燃料消耗，測試結(jié)果如表7所示。

與裝備PowerShift和CVT拖拉機(jī)相比，裝備油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)拖拉機(jī)在田間和運(yùn)輸作業(yè)中的瞬時燃油消耗最低。由于衡量拖拉機(jī)在不同作業(yè)中油耗的指標(biāo)不同，為了更直觀地比較上述測試工況下得到的油耗，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步處理，得到裝備上述變速器的拖拉機(jī)在犁耕工況、動力輸出工況和運(yùn)輸工況的平均油耗，通過對比發(fā)現(xiàn)，本文提出的方案在犁耕工況下比動力換擋拖拉機(jī)節(jié)油20%，比無級變速器拖拉機(jī)節(jié)油9%；在動力輸出工況下比動力換擋拖拉機(jī)節(jié)油18%，比無級變速器拖拉機(jī)節(jié)油15%；在運(yùn)輸工況下比動力換擋拖拉機(jī)節(jié)油15%，比無級變速器拖拉機(jī)節(jié)油19%。上述結(jié)果進(jìn)一步證明了本文提出的方案和制定的能量管理策略的可靠節(jié)油能力。

表7 測試結(jié)果對比

注：D1為牽引作業(yè)，D2為牽引+PTO作業(yè)，D3為運(yùn)輸作業(yè)。T1為裝備PowerShift變速器的拖拉機(jī)，T2為裝備CVT變速器的拖拉機(jī)，T3為裝備油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)的拖拉機(jī)；PL1～PL2代表犁耕作業(yè)，PTO1～PTO3代表動力輸出作業(yè)，TR40、TR50、TR60代表不同車速下的運(yùn)輸工況。

Note: D1 refers to traction operation, D2 refers to traction +PTO operation, D3 refers to transportation operation. T1 refers to the tractor equipped with PowerShift transmission, T2 refers to the tractor equipped with CVT transmission, T3 refers to the tractor equipped with mechanic-electronic-hydraulic powertrain system; PL1-PL2 represents ploughing operation, PTO1-PTO3 represents power take off operation, and TR40, TR50 and TR60 represent transportation operation at different vehicle speeds.

6 結(jié) 論

1）根據(jù)拖拉機(jī)的實(shí)際作業(yè)要求設(shè)計(jì)了油電混合—機(jī)液復(fù)合動力系統(tǒng)，介紹了該動力系統(tǒng)的驅(qū)動和傳動實(shí)現(xiàn)原理，并制定了HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission）速比控制策略和混合動力系統(tǒng)能量管理策略。

2）對犁耕、收獲和運(yùn)輸工況進(jìn)行分析。犁耕工況主要工作在發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下，HMCVT可以根據(jù)犁耕阻力連續(xù)改變變速器速比，使發(fā)動機(jī)工作在低油耗區(qū)域，變速器效率在0.84～0.90之間，收獲工況主要工作在轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動模式，變速器效率保持在0.89以上，能夠滿足行駛驅(qū)動和PTO（Power Take-Off）的動力要求運(yùn)輸工況可以通過多種驅(qū)動方式獲得更大的驅(qū)動力，拓寬拖拉機(jī)的速度范圍，降低油耗且提高運(yùn)輸效率。工況結(jié)束時，犁耕、收獲和運(yùn)輸工況SOC（State of Charge）的變化量分別為+1.96、?0.37與?0.19個百分點(diǎn)，基本維持在SOC目標(biāo)值60%附近。

3）犁耕、收獲和運(yùn)輸3個工況下分別耗油2.72、6.80和1.77 L，3種工況的仿真和試驗(yàn)油耗誤差都在5%以內(nèi)，低于德國農(nóng)業(yè)協(xié)會公布的相近馬力的PowerShift和CVT拖拉機(jī)的油耗，節(jié)油9%～20%，所提出的混合動力系統(tǒng)能量管理策略和HMCVT速比控制策略可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的節(jié)油降耗。

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Energy saving characteristics of the mechanical hydraulic tractor power system with oil electric hybrid power

Zhu Zhen1,2, Lai Longhui1, Wang Dengfeng2, Chen Long1, Cai Yingfeng1※

(1.,,212013; 2.,,130025,)

A tractor is a typical representative of power machinery in agricultural production. Two working conditions of tractors include road transportation and field operation. These working conditions can also be subdivided into plowing, rotary tillage, and fertilization, according to the carried agricultural implements. However, there are high oil consumption and low energy-saving in tractors, where the external load fluctuates frequently, as the working environment changes. Furthermore, a large number of gears have been equipped and frequently shifted to fully meet the needs of different working conditions in the traditional tractors, leading to the difficulty of tractor operation. In this study, a hybrid-mechanical-hydraulic power system was designed for a tractor using continuously variable transmission and hybrid power technology. The driving and transmission modes of the system were realized to obtain the speed regulation curve of the continuously variable transmission. The mounted hydro-mechanical continuously variable transmission (HMCVT) was also optimized for the best performance of the power system. Taking the engine economy curve as the target, the economic speed ratio map of HMCVT was drawn by the MATLAB platform. The target speed ratio was then obtained, according to the vehicle speed and throttle opening. As such, a speed ratio control strategy was formulated using the engine economy curve. Moreover, an energy management strategy was constructed using the minimum equivalent fuel consumption. The equivalent factor was integrated into the working division using the logic threshold. The penalty function was then introduced to maintain the battery State of Charge (SOC) stability. A strategy was designed for the rule-based mode division and the minimum fuel consumption power allocation using the adaptive equivalent factor. Specifically, the vehicle speed, demand torque, battery SOC, and speed ratio were firstly used as the logic threshold for the mode division, and then the minimum instantaneous equivalent fuel consumption was used as the objective function. Finally, the corresponding constraint conditions were introduced to calculate the minimum fuel for the engine and motor at any moment. The dynamic model of the tractor system was established in the SimulationX software. A test bench was also built using a dynamometer. The simulation and experimental analysis of the tractor were performed on the three typical working conditions of plowing, harvesting, and transportation. The results showed that the error between the simulation and test value was less than 5%, indicating a reliable model. The HMCVT efficiency was above 0.80 under the three working conditions, whereas, the efficiency of the whole power system was around 0.4. The SOC values were achieved at +1.96, -0.37, and -0.19 at the end of the plowing, harvesting, and transportation, respectively, indicating near the target value. The fuel consumption values were 2.72, 6.80, and 1.77 L in the plowing, harvesting, and transportation, respectively. Therefore, the 18% and 15% oil consumption was saved under the power output condition, compared with the power shift tractor, and the continuously variable transmission tract published by the German Agricultural Association, respectively. By contrast, 15% and 19% of the oil were saved under the transportation condition, compared with the power shift tractor, and the continuously variable transmission tractor, respectively. The 9%-20% fuel was also saved under three working conditions, indicating the feasible power system and the control strategy. The finding can provide a better solution to reduce the tractor energy consumption under multi-working conditions.

tractor; hybrid power; hydro-mechanical continuously variable transmission; equivalent factor; energy saving

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.006

U463.2

A

1002-6819(2022)-17-0052-09

朱鎮(zhèn)，賴龍輝，王登峰，等. 油電混合機(jī)械液壓式拖拉機(jī)動力系統(tǒng)節(jié)能性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(17)：52-60.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.006 http://www.tcsae.org

Zhu Zhen, Lai Longhui, Wang Dengfeng, et al. Energy saving characteristics of the mechanical hydraulic tractor power system with oil electric hybrid power[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 52-60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.006 http://www.tcsae.org

2022-03-05

2022-07-13

汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（20201201）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52272435，52225212，U20A20333，U20A20331，51875255）；江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（2018-TD-GDZB-022）

朱鎮(zhèn)，博士，副教授，研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)。Email：zhuzhenjs@126.com

蔡英鳳，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)。Email：caicaixiao0304@126.com