串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)能量管理策略

方樹平，周志立，徐立友

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)能量管理策略

方樹平，周志立，徐立友

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

以串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)為研究對象，針對電動汽車和電動拖拉機(jī)的不同，對高級車輛仿真器(advanced vehicle simulator,ADVISOR)進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)。制定了恒溫器式和功率跟隨式策略，并在此基礎(chǔ)上提出了模糊控制式能量管理策略。分別應(yīng)用3種策略對串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)在犁耕工況下進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果表明：3種策略都能有效地維持電池荷電狀態(tài)(SOC值)在指定范圍內(nèi)。在犁耕工況下工作1 h，采用模糊控制式能量管理策略時，電池SOC曲線變化最為平緩，拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比功率跟隨式策略提高了4.16%，比恒溫器式策略提高了8.10%。

串聯(lián)式混合動力；拖拉機(jī)；高級車輛仿真器；能量管理；模糊控制

0 引言

近年來，中國大力提倡發(fā)展“綠色農(nóng)機(jī)”，國家環(huán)?？偩职l(fā)布的GB 20891—2007 明確了拖拉機(jī)的強(qiáng)制排放指標(biāo)[1]，節(jié)能減排成為拖拉機(jī)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。針對傳統(tǒng)拖拉機(jī)存在變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低、油耗高、排放高[2]以及純電動車輛存在續(xù)航里程短、充電不便等問題[3]，混合動力車輛可以通過能量管理方案解決此類問題。

能量管理策略、電池技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動及控制構(gòu)成了混合動力車輛開發(fā)的三大關(guān)鍵技術(shù)[4]。能量管理策略的優(yōu)劣直接影響了整車性能。能量管理策略分為規(guī)則控制策略、瞬時優(yōu)化控制策略、全局優(yōu)化控制策略和基于工況自適應(yīng)的路況預(yù)測控制策略4種[5]。文獻(xiàn)[6-8]分別針對串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)式混合動力汽車研究了其能量管理策略及優(yōu)化問題，以達(dá)到固定循環(huán)工況減少燃油消耗和排放的目的。文獻(xiàn)[9]針對單電機(jī)電控機(jī)械式自動變速器(automated mechanical transmission,AMT)重度混合汽車，提出了不受工況限制的動態(tài)能量管理策略。文獻(xiàn)[10-11]研究了混合動力汽車能量管理策略的全局優(yōu)化問題。目前，國內(nèi)外對于混合動力車輛能量管理策略的研究主要集中在汽車等高速車輛上，而對拖拉機(jī)的研究較少。

本文以串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)為研究對象，制定串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的能量管理策略，并在基于ADVISOR二次開發(fā)的仿真系統(tǒng)下進(jìn)行仿真分析，為拖拉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的能量流動與控制策略

1.1 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的能量流動

本文所采用的串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及能量流動圖[2]如圖1所示，能量流動有如下幾條路線：

(Ⅰ)電池→控制器→電動機(jī)→變速器→驅(qū)動橋。

(Ⅱ)發(fā)動機(jī)→發(fā)電機(jī)→控制器→電池→電動機(jī)→變速器→驅(qū)動橋。

(Ⅲ)發(fā)動機(jī)→發(fā)電機(jī)→控制器→電動機(jī)→變速器→驅(qū)動橋。

(Ⅳ)驅(qū)動橋→變速器→電動機(jī)→電池(制動能量回收)。

圖1 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及能量流動圖

1.2 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的能量管理策略

串聯(lián)式混合動力車輛通常有恒溫器式和功率跟隨式兩種成熟的能量管理策略[12-15]。

基于上述兩種能量管理策略的思想，制定了串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的恒溫器式和功率跟隨式能量管理策略，并在此基礎(chǔ)上提出了模糊控制式能量管理策略。

1.2.1 恒溫器式能量管理策略

恒溫器式策略根據(jù)電池荷電狀態(tài)(SOC值)確定發(fā)動機(jī)的開啟和關(guān)閉，并使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)處。該工作點(diǎn)是根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性圖，預(yù)先計算出的燃油消耗最低時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系[16]。其內(nèi)容如下：

(Ⅰ)當(dāng)電池SOC

(Ⅱ)當(dāng)電池SOCmin

(Ⅲ)當(dāng)電池SOC>SOCmax時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉。

(Ⅳ)發(fā)動機(jī)工作時，處于最佳工作點(diǎn)。

1.2.2 功率跟隨式能量管理策略

功率跟隨式控制策略根據(jù)電機(jī)與電池組的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，經(jīng)發(fā)電機(jī)向電池組充電?？刂颇繕?biāo)是燃油消耗最低和電池組的工作壽命最長。其內(nèi)容如下：

(Ⅰ)當(dāng)電池SOC>SOCmax時，發(fā)動機(jī)停止工作，但當(dāng)拖拉機(jī)需求的功率太大時，發(fā)動機(jī)重新啟動。

(Ⅱ)當(dāng)電池SOC

(Ⅲ)當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，其功率輸出一方面要跟隨拖拉機(jī)功率需求的變化，同時維持電池SOC處于工作范圍的中間值附近，并工作于該輸出功率對應(yīng)的最佳工況點(diǎn)，該最佳工況點(diǎn)為效率最佳工況點(diǎn)。

(Ⅳ)發(fā)動機(jī)工作時，其輸出功率在一個指定范圍內(nèi)，以保證較高的效率。

(Ⅴ)發(fā)動機(jī)工作時，其輸出功率的變化率不應(yīng)超過規(guī)定值。

1.2.3 模糊控制式能量管理策略

模糊控制可以表達(dá)串聯(lián)式拖拉機(jī)控制中難以精確定量表達(dá)的規(guī)則，如功率要求離最優(yōu)曲線較近，則盡量少用電池，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同影響因素(功率需求、SOC、電機(jī)效率等)的折衷，魯棒性好[17]。在串聯(lián)式拖拉機(jī)的設(shè)計中，有模型、部件參數(shù)、測量值、工作條件或環(huán)境等大量不確定因素，這要求串聯(lián)式拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的魯棒性。

本文將拖拉機(jī)的總線需求功率Preq和電池SOC作為模糊控制器的輸入變量，通過分析兩者的變化來合理決定模糊控制器的輸出變量發(fā)動機(jī)功率Pe的變化量，達(dá)到功率分配的目的。其仿真模型如圖2所示?？偩€功率需求Preq的論域，實(shí)際為拖拉機(jī)電動機(jī)功率的變化范圍[-13，13]，在其取值范圍內(nèi)分7個模糊子集，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。電池SOC的論域取為[0，1]，在其論域范圍內(nèi)分5個模糊子集，即{BL，SL，M，SH，BH}。對于模糊控制器的輸出變量發(fā)動機(jī)功率Pe，根據(jù)發(fā)動機(jī)MAP圖劃分的經(jīng)濟(jì)區(qū)域可確定其論域?yàn)閇10，14]，在其論域范圍內(nèi)分5個模糊子集，即{BS，SS，M，SH，BH}。

圖2 模糊控制式能量管理策略仿真模型

(Ⅰ)隸屬函數(shù)設(shè)計

由于三角形隸屬度函數(shù)和梯形隸屬度函數(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算速度快和控制效果好的特點(diǎn)，因此，本文設(shè)計的模糊控制器輸入輸出變量采用兩者相結(jié)合的隸屬度函數(shù)。SOC、總線需求功率和發(fā)動機(jī)功率的隸屬度函數(shù)如圖3～圖5所示。

圖3 SOC隸屬函數(shù)圖4 總線需求功率Preq隸屬函數(shù)

圖5 發(fā)動機(jī)功率Pe隸屬函數(shù)

(Ⅱ)控制規(guī)則設(shè)計

模糊控制式策略和恒溫器式控制策略從原理上來說，兩者都是基于規(guī)則的控制策略，且兩者控制規(guī)則的制定都是基于對控制對象的了解和工程師在控制過程中的經(jīng)驗(yàn)，因此，模糊規(guī)則的制定可以參考目前應(yīng)用較多的基于規(guī)則的控制策略的控制經(jīng)驗(yàn)，見表1。

2 基于ADVISOR二次開發(fā)的串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)

表1 發(fā)動機(jī)功率Pe的控制規(guī)則

為了驗(yàn)證所制定能量管理策略的合理性，需要一個可靠的串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)。目前，ADVISOR是世界汽車行業(yè)最普遍使用的電動汽車仿真軟件平臺之一，是在Matlab/Simulink軟件大環(huán)境下開發(fā)的，各子系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計思想，且仿真模型與源代碼完全免費(fèi)公開[18]，因此，本文選擇此軟件進(jìn)行了二次開發(fā)。針對串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)與串聯(lián)式混合動力汽車的不同，對仿真工況、車速計算模型、整車模型和驅(qū)動力控制模型等進(jìn)行了相應(yīng)的修改，以建立串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的仿真系統(tǒng)。由于開發(fā)復(fù)雜，本文僅對拖拉機(jī)工況、車速計算模型和整車模型做簡要闡述。

2.1 拖拉機(jī)工況

ADVISOR中只有汽車行駛工況，沒有拖拉機(jī)工況。以拖拉機(jī)犁耕工況為例，犁耕工作時速度低，且車速平穩(wěn)，與汽車工況有很大不同，所以需要重新設(shè)定拖拉機(jī)工況。

目前，國內(nèi)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)時速度為4～6 km/h[19]。圖6所示為設(shè)定的拖拉機(jī)犁耕工況。

2.2 拖拉機(jī)車速計算模型

拖拉機(jī)在作業(yè)時，會產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，因而使拖拉機(jī)的實(shí)際速度低于理論速度。由于ADVISOR中是針對汽車的仿真軟件，因此需要在車輪模型中做出相應(yīng)修改。拖拉機(jī)實(shí)際速度可表示為：

u=u0(1-δ)，

(1)

式中：u為拖拉機(jī)實(shí)際速度，km/h；u0為拖拉機(jī)的理論速度，km/h；δ為拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率。

圖6 拖拉機(jī)犁耕工況

拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率δ的大小取決于拖拉機(jī)的驅(qū)動和行走裝置的形式、構(gòu)造、尺寸、附著質(zhì)量、土壤特性、掛鉤負(fù)荷等。在實(shí)際仿真中，可采用一種由國內(nèi)牽引試驗(yàn)資料統(tǒng)計得出的驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率方程[20]。拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率δ與驅(qū)動力系數(shù)φ的關(guān)系為：

(2)

驅(qū)動力與附著系數(shù)的關(guān)系可表示為：

Fq=φZq，

(3)

式中：φ為驅(qū)動力系數(shù)；φmax為最大附著系數(shù)；δ*為特征滑轉(zhuǎn)率值；Fq為拖拉機(jī)的驅(qū)動力，N；Zq為驅(qū)動輪垂直載荷，N。

隨著驅(qū)動力的變化，滑轉(zhuǎn)率也在不斷地變化，將式(2)所示的關(guān)系以數(shù)據(jù)形式存入表中，通過查表得到實(shí)時滑轉(zhuǎn)率，根據(jù)式(1)計算出拖拉機(jī)驅(qū)動輪的理論角速度，反向推理出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等。拖拉機(jī)車速計算仿真模型如圖7所示。

圖7 拖拉機(jī)車速計算模型

2.3 拖拉機(jī)整車模型和頂層模塊

圖8 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)受力分析簡圖

串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的受力簡圖如圖8所示。圖8中，G為串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)作用在質(zhì)心(a，h)上的重力，N；FT為牽引阻力，N；Xc、Xq為前、后輪受到的平行地面的土壤反作用力，近似用拖拉機(jī)總的滾動阻力Ff來代替，N；Zc、Zq為前后輪受到的垂直地面的土壤反作用力，N；Fq為驅(qū)動力，N。

考慮到拖拉機(jī)在行駛方向的平衡，可得拖拉機(jī)行駛平衡方程式：

(4)

式中：σ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

與汽車不同，拖拉機(jī)由于作業(yè)時速度低，可不考慮風(fēng)阻，但需要考慮牽引阻力FT。所以在ADVISOR整車模型中需要進(jìn)行修改，修改后的整車模型如圖9所示，拖拉機(jī)頂層模塊如圖10所示。

3 控制策略仿真分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2，21-23]所提供的混合動力拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)計算方法，以某型農(nóng)用拖拉機(jī)為研究對象，經(jīng)過計算，并參考市場上所銷售產(chǎn)品，得到整機(jī)主要參數(shù)，如表2所示。

圖9 拖拉機(jī)整車模型圖10 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)頂層模塊

表2 串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)整機(jī)參數(shù)

為驗(yàn)證串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)的正確性，針對圖6所示的拖拉機(jī)工況，在軟件自帶的策略下，得到目標(biāo)速度與實(shí)際速度的對比圖，如圖11所示。為驗(yàn)證所制定能量管理策略的合理性，對上述拖拉機(jī)工況進(jìn)行10次循環(huán)，即拖拉機(jī)連續(xù)工作1 h，然后分別對3種策略進(jìn)行仿真，得到電池SOC的變化曲線，如圖12所示。燃油消耗量、電池SOC終值和等效燃油消耗量等如表3所示。

圖11 目標(biāo)車速與仿真車速對比圖圖12 3種策略下的SOC變化曲線

表3 3種策略下的燃油消耗量

由圖11可以看出：實(shí)際車速能夠很好地跟隨目標(biāo)車速，即能很好地跟隨工況車速，說明針對ADVISOR的二次開發(fā)是合理的，可以用來研究其能量管理策略。

由圖12可以看出：3種策略都能夠使SOC維持在0.4～0.8。恒溫器式策略SOC下降速度最快，表明電池快速放電，電池壽命短；功率跟隨式策略電池SOC變化較恒溫器式更慢，但有很多局部彎折，表明電池壽命較恒溫器式更長，發(fā)動機(jī)開啟頻繁；模糊控制式策略SOC值變化最為平穩(wěn)，放電時SOC變化較為緩慢，在跌至0.4以后，能以合理的速度回升，電池壽命較前兩種更長。

從表3可以看出：模糊控制式策略等效燃油消耗量最佳，分別比恒溫器式策略節(jié)油8.10%，比功率跟隨式策略節(jié)油4.16%。

4 結(jié)論

(1) 通過對ADVISOR的二次開發(fā)，建立了串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)，為其能量管理策略的研究提供了可靠的平臺。

(2) 恒溫器式、功率跟隨式和模糊控制式策略都能夠?qū)Υ?lián)式混合動力拖拉機(jī)的能量分配實(shí)現(xiàn)管理。3種策略都能夠?qū)㈦姵豐OC值維持在0.4～0.8，模糊控制式策略的控制效果比其他兩種策略更好，分別比恒溫器式策略節(jié)油8.10%，比功率跟隨式策略節(jié)油4.16%。

(3)恒溫器式和功率跟隨式策略都是通過人為地設(shè)定門限值，將電池SOC控制在一定范圍內(nèi)，還需對門限值的設(shè)置進(jìn)行深入研究。

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河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃基金項目(142102210424);河南省重點(diǎn)產(chǎn)學(xué)研合作項目(132107000052);河南省教育廳重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃基金項目(14B460015)

方樹平(1989-),男,河南信陽人,碩士生;周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檐囕v新型傳動理論與控制技術(shù).

2014-09-27

1672-6871(2015)06-0061-06

U469.2

A