基于自適應閾值優化的插電并聯式混合動力拖拉機節能控制研究

摘要：為最大限度發揮電能在作業過程中的優勢，以插電并聯式混合動力拖拉機為研究對象，采用滾動優化的思想，提出基于時間窗口的自適應閾值優化混合動力拖拉機節能控制策略。搭建插電并聯式混動拖拉機驅動系統模型，制訂拖拉機多種能源模式切換策略，對關鍵閾值參數進行自適應優化研究。基于拖拉機犁耕工況，利用Matlab/Simulink仿真平臺，對文中策略與功率跟隨策略進行仿真對比。結果表明：在循環犁耕工況下，基于時間窗口的自適應閾值優化混合動力拖拉機節能控制策略等效燃油消耗下降8.78%，為插電并聯式混合動力拖拉機的節能控制提供新的控制方法。

關鍵詞：混合動力拖拉機；節能控制；自適應閾值；控制策略；功率跟隨

中圖分類號：S219" " " 文獻標識碼：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”全國農業綠色發展規劃》對我國農業機械未來的發展提出新要求：完善綠色農機裝備創新體系，推動農機裝備研發升級，加快綠色高效技術裝備示范推廣[1]。拖拉機作為主要農業裝備之一，在我國農村擁有相當大的保有量，所以拖拉機節能技術發展在全國農業綠色發展中顯得尤為重要[2]。當今針對傳統拖拉機存在油耗高、排放高以及純電動拖拉機存在連續作業時間短、充電不便等問題，發展混合動力拖拉機節能技術對于全國實施綠色農機發展有著重要的現實意義[3]。

混合動力拖拉機驅動系統控制策略的優劣直接影響到整機工作當中化石能源與電能的消耗情況，從而對整機經濟性產生影響[4]，而拖拉機動力系統控制策略與經濟性密切相關，因此研究節能控制策略具有重要意義[5]。王春光[6]針對并聯混合動力拖拉機，以需求轉矩和電池SOC（State of charge）狀態為輸入，設計了模糊控制策略，仿真結果表明，在運輸工況下所提出的策略優于電力輔助控制策略。張俊江等[7]針對增程式電動拖拉機提出了一種SOC閾值調整算法，結果表明，拖拉機的燃油消耗降低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，分別與定點式對比，優化結果明顯。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能量分配策略，通過算法計算，綜合油耗較恒溫器式控制策略降低了32.91%。劉孟楠等[10]運用小波變換的方法，通過超級電容實現拖拉機動力系統中各動力源間的頻率解耦控制。目前混合動力拖拉機控制策略主要分為基于規則、基于優化兩大類[11]，針對混合動力拖拉機而言基于規則的控制策略簡單易用，利于實現[12]。基于功率跟隨的控制策略也是基于規則控制策略的一種[13]，但是傳統的功率跟隨式控制策略會導致發動機的頻繁啟停，不利于充分發揮混合動力拖拉機的燃油經濟性，因此，本文在功率跟隨式控制策略的基礎上提出一種基于自適應閾值優化的控制策略。

本文通過Matlab/Simulink搭建混合動力拖拉機動力系統仿真平臺[14]，根據拖拉機犁耕作業面積的可預見性，設計自適應閾值優化節能控制策略，劃分混合動力拖拉機犁耕工作模式，實施驅動系統模式控制，并在仿真平臺中對控制策略進行試驗驗證。

1 驅動系統模型

1.1 驅動系統結構布置簡圖

圖1提供了插電并聯式混合動力拖拉機驅動系統總成簡圖。該系統的特點在于發動機與電機呈同軸布置，此軸為電機轉子軸套的加長軸，延伸到電機后端經過離合器與發動機輸出軸相連，通過離合器的開閉可實現動力系統各動力源之間的切換。電機兼具驅動和發電作用。

1.2 整機驅動系統模型搭建

整機驅動系統建模主要包括發動機、電機、電池等主要部件建模[15]，本文研究重點為混合動力拖拉機驅動系統控制策略的設計，因此忽略變速箱等傳動機構的詳細建模。本文采用逆向建模的思路，犁耕工況下拖拉機驅動功率

2 基于自適應閾值優化的節能控制

2.1 自適應閾值優化控制策略

為了有效解決插電混合動力拖拉機作業末期電能剩余過多的問題，基于拖拉機作業面積，提出一種基于自適應閾值優化的節能控制策略，對切換到拖拉機純電驅動工作模式的切換規則進行優化，基于時間窗口的思想采取滾動計算，調整切換規則中閾值的設定。

在混合動力拖拉機犁耕作業前，輸入需要犁耕的總面積S，采集時間窗口內（0→tn）拖拉機已犁耕土地消耗的能量Qn，計算時間窗口內犁耕單位面積土地所消耗的能量λ；利用滾動計算的思想，每次將時間窗口拉長一個步長[t']，從而不斷的更新當前時間窗口內犁耕單位面積土地所需的能量λ。基于時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。因為λ值在一直更新，所以對犁耕剩余面積所需能量的估算也在持續更新，并將估算值與蓄電池內剩余可用電量進行對比；當控制策略持續輸出電池剩余電量大于估算值的信號時，驅動系統進入純電驅動模式，利用電機高效區范圍廣，峰值轉矩大的特點，使用電機單獨驅動完成對剩余面積的犁耕作業。本策略利用純電犁耕剩余面積時發動機熄火，減少發動機工作時間，提高蓄電池內電能利用率，從而降低整機油耗，以期提高混合動力拖拉機的經濟性。

2.2 犁耕工作過程分析

2.2.1 犁耕作業時驅動系統工作過程分析

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

基于自適應閾值優化節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BMS提供的SOC信息，比較估算值與電池內剩余能量大小，并向外輸出是否打開純電模式開關的控制信號，若蓄電池內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A置0，混合動力拖拉機保持現有模式；若蓄電池內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A置4，則無論此時混合動力拖拉機處于何種模式都將切換到純電動驅動模式。

2.2.2 驅動系統模式控制

3 仿真分析

3.1 工況設計

設定單個循環混合動力拖拉機犁耕仿真工況[19]，如圖4所示。為測試控制策略各模式切換的有效性，犁耕工況內設置有勻加速、勻速、勻減速三種工況，勻速犁耕作業行駛速度控制在4～7 km/h；單個循環工況的時間為500 s，對上述工況進行4次循環，即混合動力拖拉機持續作業時間為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實際作業工況，在Matlab軟件中隨機生成（30±2） cm的隨機數作為犁耕深度h，模擬可變犁耕阻力，如圖5所示。

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

大馬力插電并聯式混合動力拖拉機整機參數，如表1所示。

3.2 仿真結果分析

由圖6可知，在0～1 535 s時，混合動力拖拉機驅動系統對犁耕工況進行功率跟隨，根據功率需求各模式進行工作模式切換，從1 535 s后，混合動力拖拉機進入純電驅動模式（A=4），此階段發動機熄火，整機動力來源全部由電機提供。

基于自適應閾值優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。

兩種策略下，發動機轉矩變化如圖8所示。由圖8可知，在功率跟隨策略下，發動機在整個犁耕工況中，均處在工作狀態，跟隨整機功率需求，為拖拉機提供動力；在自適應閾值優化控制策略下，在1 535 s后發動機停止工作，轉矩為0，整機全部動力由電機提供。

兩種策略下，電機轉矩變化如圖9所示。由圖9可知，在功率跟隨策略下，電機轉矩在整個犁耕工況中全程跟隨整機功率需求在不斷變化，轉矩為正，電機為電動機；轉矩為負，電機為發電機。在自適應閾值優化控制策略下，在1 535 s后，電機只作為電動機單獨驅動，不再為蓄電池充電，電機轉矩等于當前拖拉機驅動轉矩。

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；在基于自適應閾值優化控制策略下，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動機需要根據整機功率需要開啟或者關閉，所以油耗也在發動機工作時持續增長，發動機關閉時，維持不變；而自適應閾值優化控制策略的油耗曲線在1 535 s時停止波動，此后發動機熄火，不再消耗燃油。

綜合圖11和表2可知，混合動力拖拉機在自適應閾值優化控制策略下，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，基于自適應閾值優化控制策略比功率跟隨式策略等效燃油消耗降低8.78%。

4 結論

1） 采用自適應閾值優化的節能控制策略，解決插電混合動力拖拉機作業末期電能剩余過多的問題，提高電能利用率。

2） 仿真結果表明，與功率跟隨式控制策略相比，基于自適應閾值優化的并聯式混合動力拖拉機節能控制策略的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

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