摘要：為最大限度發(fā)揮電能在作業(yè)過程中的優(yōu)勢，以插電并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)為研究對象，采用滾動優(yōu)化的思想，提出基于時間窗口的自適應(yīng)閾值優(yōu)化混合動力拖拉機(jī)節(jié)能控制策略。搭建插電并聯(lián)式混動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模型，制訂拖拉機(jī)多種能源模式切換策略，對關(guān)鍵閾值參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化研究?；谕侠瓩C(jī)犁耕工況，利用Matlab/Simulink仿真平臺，對文中策略與功率跟隨策略進(jìn)行仿真對比。結(jié)果表明：在循環(huán)犁耕工況下，基于時間窗口的自適應(yīng)閾值優(yōu)化混合動力拖拉機(jī)節(jié)能控制策略等效燃油消耗下降8.78%，為插電并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的節(jié)能控制提供新的控制方法。

關(guān)鍵詞：混合動力拖拉機(jī)；節(jié)能控制；自適應(yīng)閾值；控制策略；功率跟隨

中圖分類號：S219" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0147?06

Research on energy?saving control of plug?in parallel hybrid tractor

based on adaptive threshold optimization

Yan Xianghai Yan Yuxiang Zhang Junjiang Wang Wei Xu Liyou

（1. College of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， 471003， China;

2. State Key Laboratory of Intelligent Agricultural Power Equipment， Luoyang， 471000， China;

3. YTO Group Corporation Co.， Ltd.， Luoyang， 471004， China）

Abstract： Taking the plug?in parallel hybrid tractor as the research object， in order to maximize the advantages of electric energy in the process of operation， the idea of rolling optimization is adopted， and the energy?saving control strategy of hybrid tractor based on adaptive threshold optimization of time window is proposed. The drive system model of the plug?in parallel hybrid tractor is built， the switch strategy of the tractor's multiple energy modes is formulated， and the adaptive optimization of the key threshold parameters is studied. Based on the tractor ploughing condition， the simulation comparison between the strategy in this paper and the power following strategy is carried out using the Matlab/Simulink simulation platform. The results show that the equivalent fuel consumption of the energy?saving control strategy of the hybrid tractor based on the adaptive threshold optimization of the time window is reduced by 8.78% under the cycle plowing condition， which provides a new control method for the energy?saving control of the plug?in parallel hybrid tractor.

Keywords： hybrid tractor; energy?saving control； adaptive threshold; control strategy; power follow

0 引言

《“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》對我國農(nóng)業(yè)機(jī)械未來的發(fā)展提出新要求：完善綠色農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新體系，推動農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)升級，加快綠色高效技術(shù)裝備示范推廣[1]。拖拉機(jī)作為主要農(nóng)業(yè)裝備之一，在我國農(nóng)村擁有相當(dāng)大的保有量，所以拖拉機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展在全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中顯得尤為重要[2]。當(dāng)今針對傳統(tǒng)拖拉機(jī)存在油耗高、排放高以及純電動拖拉機(jī)存在連續(xù)作業(yè)時間短、充電不便等問題，發(fā)展混合動力拖拉機(jī)節(jié)能技術(shù)對于全國實(shí)施綠色農(nóng)機(jī)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

混合動力拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的優(yōu)劣直接影響到整機(jī)工作當(dāng)中化石能源與電能的消耗情況，從而對整機(jī)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響[4]，而拖拉機(jī)動力系統(tǒng)控制策略與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，因此研究節(jié)能控制策略具有重要意義[5]。王春光[6]針對并聯(lián)混合動力拖拉機(jī)，以需求轉(zhuǎn)矩和電池SOC（State of charge）狀態(tài)為輸入，設(shè)計(jì)了模糊控制策略，仿真結(jié)果表明，在運(yùn)輸工況下所提出的策略優(yōu)于電力輔助控制策略。張俊江等[7]針對增程式電動拖拉機(jī)提出了一種SOC閾值調(diào)整算法，結(jié)果表明，拖拉機(jī)的燃油消耗降低65.78%，電能消耗提高了41.18%。駱光炬[8]提出一種基于SOC的功率跟隨式和模糊推理式能量管理策略，分別與定點(diǎn)式對比，優(yōu)化結(jié)果明顯。周潤東[9]提出了一種基于龐特里亞金極小值原理的混合動力拖拉機(jī)能量分配策略，通過算法計(jì)算，綜合油耗較恒溫器式控制策略降低了32.91%。劉孟楠等[10]運(yùn)用小波變換的方法，通過超級電容實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)動力系統(tǒng)中各動力源間的頻率解耦控制。目前混合動力拖拉機(jī)控制策略主要分為基于規(guī)則、基于優(yōu)化兩大類[11]，針對混合動力拖拉機(jī)而言基于規(guī)則的控制策略簡單易用，利于實(shí)現(xiàn)[12]?；诠β矢S的控制策略也是基于規(guī)則控制策略的一種[13]，但是傳統(tǒng)的功率跟隨式控制策略會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的頻繁啟停，不利于充分發(fā)揮混合動力拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，本文在功率跟隨式控制策略的基礎(chǔ)上提出一種基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化的控制策略。

本文通過Matlab/Simulink搭建混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)仿真平臺[14]，根據(jù)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)面積的可預(yù)見性，設(shè)計(jì)自適應(yīng)閾值優(yōu)化節(jié)能控制策略，劃分混合動力拖拉機(jī)犁耕工作模式，實(shí)施驅(qū)動系統(tǒng)模式控制，并在仿真平臺中對控制策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 驅(qū)動系統(tǒng)模型

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置簡圖

圖1提供了插電并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)總成簡圖。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于發(fā)動機(jī)與電機(jī)呈同軸布置，此軸為電機(jī)轉(zhuǎn)子軸套的加長軸，延伸到電機(jī)后端經(jīng)過離合器與發(fā)動機(jī)輸出軸相連，通過離合器的開閉可實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)各動力源之間的切換。電機(jī)兼具驅(qū)動和發(fā)電作用。

1.2 整機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模型搭建

整機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)建模主要包括發(fā)動機(jī)、電機(jī)、電池等主要部件建模[15]，本文研究重點(diǎn)為混合動力拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)，因此忽略變速箱等傳動機(jī)構(gòu)的詳細(xì)建模。本文采用逆向建模的思路，犁耕工況下拖拉機(jī)驅(qū)動功率

2 基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化的節(jié)能控制

2.1 自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略

為了有效解決插電混合動力拖拉機(jī)作業(yè)末期電能剩余過多的問題，基于拖拉機(jī)作業(yè)面積，提出一種基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化的節(jié)能控制策略，對切換到拖拉機(jī)純電驅(qū)動工作模式的切換規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，基于時間窗口的思想采取滾動計(jì)算，調(diào)整切換規(guī)則中閾值的設(shè)定。

在混合動力拖拉機(jī)犁耕作業(yè)前，輸入需要犁耕的總面積S，采集時間窗口內(nèi)（0→tn）拖拉機(jī)已犁耕土地消耗的能量Qn，計(jì)算時間窗口內(nèi)犁耕單位面積土地所消耗的能量λ；利用滾動計(jì)算的思想，每次將時間窗口拉長一個步長[t']，從而不斷的更新當(dāng)前時間窗口內(nèi)犁耕單位面積土地所需的能量λ?；跁r間窗口的示意圖如圖2所示。

由犁耕單位面積所需能量λ可完成對犁耕剩余面積所需能量的估算。因?yàn)棣酥翟谝恢备?，所以對犁耕剩余面積所需能量的估算也在持續(xù)更新，并將估算值與蓄電池內(nèi)剩余可用電量進(jìn)行對比；當(dāng)控制策略持續(xù)輸出電池剩余電量大于估算值的信號時，驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入純電驅(qū)動模式，利用電機(jī)高效區(qū)范圍廣，峰值轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，使用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動完成對剩余面積的犁耕作業(yè)。本策略利用純電犁耕剩余面積時發(fā)動機(jī)熄火，減少發(fā)動機(jī)工作時間，提高蓄電池內(nèi)電能利用率，從而降低整機(jī)油耗，以期提高混合動力拖拉機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 犁耕工作過程分析

2.2.1 犁耕作業(yè)時驅(qū)動系統(tǒng)工作過程分析

犁耕開始前需輸入總耕地面積，犁耕過程中根據(jù)自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略需要不斷更新時間窗口內(nèi)犁耕單位面積所消耗的能量，具體關(guān)系如式（15）～式（17）所示。

基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化節(jié)能控制策略具體流程如圖3所示。

時間窗口步長為[t']，即每間隔時間[t']，控制策略就會完成一次對犁耕剩余面積需要能量[Qy]的估算，同時根據(jù)BMS提供的SOC信息，比較估算值與電池內(nèi)剩余能量大小，并向外輸出是否打開純電模式開關(guān)的控制信號，若蓄電池內(nèi)剩余可用能量小于耕完余下面積所需能量，即[Qym-Qy≤0]，純電模式控制開關(guān)A置0，混合動力拖拉機(jī)保持現(xiàn)有模式；若蓄電池內(nèi)剩余可用電量大于耕完余下面積所需能量，即[Qym-Qy]gt;0，純電模式控制開關(guān)A置4，則無論此時混合動力拖拉機(jī)處于何種模式都將切換到純電動驅(qū)動模式。

2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)模式控制

3 仿真分析

3.1 工況設(shè)計(jì)

設(shè)定單個循環(huán)混合動力拖拉機(jī)犁耕仿真工況[19]，如圖4所示。為測試控制策略各模式切換的有效性，犁耕工況內(nèi)設(shè)置有勻加速、勻速、勻減速三種工況，勻速犁耕作業(yè)行駛速度控制在4～7 km/h；單個循環(huán)工況的時間為500 s，對上述工況進(jìn)行4次循環(huán)，即混合動力拖拉機(jī)持續(xù)作業(yè)時間為2 000 s。

犁耕阻力可由式（3）得到，土壤比阻k取7，犁鏵數(shù)z取5，單個犁的寬度b取30，為在仿真中盡可能模擬混合動力拖拉機(jī)實(shí)際作業(yè)工況，在Matlab軟件中隨機(jī)生成（30±2） cm的隨機(jī)數(shù)作為犁耕深度h，模擬可變犁耕阻力，如圖5所示。

犁耕總面積設(shè)置為3 000 m2。初始SOC為0.5，[SOCmin]設(shè)置為0.2，時間窗口步長[t']為5 s。

大馬力插電并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)整機(jī)參數(shù)，如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖6可知，在0～1 535 s時，混合動力拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)對犁耕工況進(jìn)行功率跟隨，根據(jù)功率需求各模式進(jìn)行工作模式切換，從1 535 s后，混合動力拖拉機(jī)進(jìn)入純電驅(qū)動模式（A=4），此階段發(fā)動機(jī)熄火，整機(jī)動力來源全部由電機(jī)提供。

基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略中犁耕單位面積消耗的能量變化情況如圖7所示。由圖7可知，λ值從開始到結(jié)束，波動逐漸趨于平緩，說明控制策略對于剩余耕地所需能量的估算也更加精準(zhǔn)。

兩種策略下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩變化如圖8所示。由圖8可知，在功率跟隨策略下，發(fā)動機(jī)在整個犁耕工況中，均處在工作狀態(tài)，跟隨整機(jī)功率需求，為拖拉機(jī)提供動力；在自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略下，在1 535 s后發(fā)動機(jī)停止工作，轉(zhuǎn)矩為0，整機(jī)全部動力由電機(jī)提供。

兩種策略下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化如圖9所示。由圖9可知，在功率跟隨策略下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在整個犁耕工況中全程跟隨整機(jī)功率需求在不斷變化，轉(zhuǎn)矩為正，電機(jī)為電動機(jī)；轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)。在自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略下，在1 535 s后，電機(jī)只作為電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，不再為蓄電池充電，電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于當(dāng)前拖拉機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

兩種控制策略下，SOC變化情況如圖10所示。由圖10可知，在功率跟隨式控制策略下，SOC一直在0.5附近波動；在基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略下，SOC的終值為0.21，提升了電能利用率。

兩種策略下，燃油消耗量變化如圖11所示。因功率跟隨策略下的發(fā)動機(jī)需要根據(jù)整機(jī)功率需要開啟或者關(guān)閉，所以油耗也在發(fā)動機(jī)工作時持續(xù)增長，發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，維持不變；而自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略的油耗曲線在1 535 s時停止波動，此后發(fā)動機(jī)熄火，不再消耗燃油。

綜合圖11和表2可知，混合動力拖拉機(jī)在自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略下，在工況中消耗燃油4.619 3 L，消耗電能6.120 8×107 J，按等效熱值法將電能轉(zhuǎn)化為油耗，所以等效油耗為6.326 L；而在功率跟隨式控制策略下，混合動力拖拉機(jī)耗油5.453 3 L，消耗電能5.311 1×107 J，等效油耗為6.935 L，基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化控制策略比功率跟隨式策略等效燃油消耗降低8.78%。

4 結(jié)論

1） 采用自適應(yīng)閾值優(yōu)化的節(jié)能控制策略，解決插電混合動力拖拉機(jī)作業(yè)末期電能剩余過多的問題，提高電能利用率。

2） 仿真結(jié)果表明，與功率跟隨式控制策略相比，基于自適應(yīng)閾值優(yōu)化的并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)節(jié)能控制策略的SOC終值由0.5附近下降到0.21，等效燃油消耗下降8.78%。

參 考 文 獻(xiàn)

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