混合動力用于拖拉機的研究與思考

張亞萍

（蘭州工業學院，蘭州 730050）

國外對節能拖拉機的研發較早，國內起步較晚，最初研究的都是純電動拖拉機。隨著混合動力驅動技術在汽車上的成熟應用，國外部分公司已推出混合動力拖拉機樣機，國內混合動力拖拉機研究處于理論探索階段[1]。希望解決拖拉機作業時耗油量大、排放性差等問題，讓拖拉機在不同工況下高效工作，實現節能環保。

一、節能拖拉機國內外研究現狀

1、國外節能拖拉機研究現狀

國外節能拖拉機的研發較早，最初研究的是純電動拖拉機[2]，由于存在續駛里程短、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，隨著混合動力驅動技術在汽車上的成熟應用，國外現已開始進行混合動力拖拉機的研制，RUSELPROM、ZF、紐荷蘭、Vision Industries 等公司已推出混合動力拖拉機樣機[1～2]。

2、國內節能拖拉機研究現狀

國內對節能拖拉機的研究起步晚，20 世紀60 年代初，東北農學院和哈爾濱工業大學等12 個單位聯合試制了一種電動拖拉機動力系統[1～2]。2011 年，北京海博瑞德汽車技術有限公司研發出第一代電動拖拉機的樣車[2]。目前，河南科技大學和南京農業大學正在進行混合動力拖拉機理論探索研究[2]。

二、節能拖拉機主要研究內容、問題與創新

1、主要研究內容

混合動力應用于拖拉機時，可以串聯式混合動力拖拉機為研究對象，結合拖拉機的工作特性和動力特性，設計拖拉機混合動力總成匹配和優化系統。建立混合動力拖拉機主要部件的數學模型、系統仿真模型及拖拉機混合動力總成模型，為理論分析提供驗證環境。提出控制策略，分析油耗。搭建半實物仿真平臺進行循環工況試驗，優化并驗證控制策略，最終要求在滿足動力性能前提下，實現節能減排。該動力總成和控制策略可為進一步混合動力拖拉機動力系統研究提供理論和試驗依據，同時也為類似農業機械的混合動力系統研究提供借鑒。

（1）總體設計方案及其性能評價指標

分析多種混合動力系統的結構組成、工作原理、工作模式及優缺點，結合拖拉機各種作業項目特點及工作環境[3]，提出拖拉機串聯式混合動力總成的總體設計方案及其性能評價指標。

（2）動力總成參數匹配及優化

根據工作環境進行傳統拖拉機的實車實測試驗，提取拖拉機動力輸出的關鍵性參數，結合動力性、經濟性和排放性要求，對動力系統的發動機、電機、蓄電池及變速器等部件進行選型和參數確定。構建試驗模型，利用Advisor 軟件和Matlab/Simulink進行聯合仿真，對串聯式混合動力拖拉機動力總成參數匹配及優化進行研究[3]。

（3）整車控制策略

以拖拉機最小油耗為目標函數，基于動態優化理論提出混合動力拖拉機整車控制策略。利用Matlab/Simulink 軟件建立拖拉機的動力學模型、發動機模型、發電機和驅動電機及其控制相關模型。基于Simulink/Stateflow 模塊建立整機控制模型，然后將系統各部件模型和整機控制模型聯接起來組成整車動態模型，根據拖拉機不同的工況，完成聯合仿真，優化并驗證控制策略[4]。

（4）設計優化

基于Dspace 半仿真平臺，搭建串聯式混合動力拖拉機半實物仿真平臺，在拖拉機作業環境試驗模型下，進一步驗證動力總成及參數匹配優化和控制策略的正確性和有效性，進而對設計缺陷進行優化，在滿足動力性能前提下，實現節能減排。

2、擬解決的關鍵問題

關鍵解決與拖拉機燃油經濟性和排放最直接相關的混合動力總成技術，包括總成的結構設計、參數匹配及優化和能量管理控制策略。要求拖拉機在作業時對動力總成的能量需求動態分配予發動機與電機系統，使發動機工作在最佳燃油經濟區，以實現減少能耗和排放的目標。

3、特色與創新

根據工作環境進行傳統拖拉機的實車實測試驗，提取拖拉機動力輸出的關鍵性參數。

基于動態優化理論，提出串聯式混合動力拖拉機的控制策略。

利用半實物仿真平臺優化并驗證控制策略，使拖拉機在不同工況高效工作，并且節能環保[5]。

三、節能拖拉機研究方法

1、具體研究方法

混合動力應用于拖拉機時需對拖拉機串聯式混合動力總成、參數匹配及優化、控制策略等混合動力拖拉機關鍵技術進行研究，驗證串聯式混合動力拖拉機在不同工況的動力性、經濟性、排放性。研究過程中利用傳統拖拉機實車實測動力輸出參數，利用軟件建模和虛擬仿真優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匹配優化和控制策略的正確性和有效性，進而對設計缺陷進行優化。具體研究方法如下：

通過理論分析確定拖拉機混合動力總成設計方案，然后對傳統拖拉機進行實車實測試驗，提取動力輸出的關鍵性參數。構建試驗模型，利用Advisor 軟件和Matlab/Simulink 進行聯合仿真驗證其動力總成參數匹配及優化算法。

應用Matlab/Simulink 軟件建立拖拉機的動力學模型、發動機模型、發電機和驅動電機及其控制相關模型。應用Simulink/Stateflow 模塊建立拖拉機整機控制策略模型，然后將各模型聯接起來組成整車動態模型，再聯合仿真[4]。

基于Dspace 半仿真平臺搭建串聯式混合動力拖拉機半實物仿真平臺，對電動機和發動機功率配比、發動機和電動機輸出轉矩及驅動輪輸出轉矩、牽引效率、總傳動效率和等效能耗等特性進行試驗驗證和分析，進一步優化控制策略[1]。

2、可能遇到的問題和解決辦法

研究中可能出現拖拉機行走過程中由于特殊的作業環境使得發動機大部分時間在大功率低速區域工作，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匹配方面進行研究。

四、結論

研制在不同作業工況下自適應提供動力且節能環保的拖拉機，以及將串聯式混合動力總成系統應用在傳統拖拉機上時，首先可以結合拖拉機的運行環境及工作特性，設計拖拉機串聯式混合動力總成匹配和優化系統；建立混合動力拖拉機主要部件的數學模型，系統仿真模型及拖拉機混合動力總成模型，為理論分析提供驗證環境；提出控制策略，分析油耗；搭建半實物仿真平臺進行半仿真試驗，優化并驗證控制策略，最終要求在滿足動力性能前提下，實現節能減排。