油電混合機械液壓式拖拉機動力系統節能性

朱 鎮，賴龍輝，王登峰，陳 龍，蔡英鳳

油電混合機械液壓式拖拉機動力系統節能性

朱 鎮1,2，賴龍輝1，王登峰2，陳 龍1，蔡英鳳1※

（1. 江蘇大學汽車工程研究院，鎮江 212013；2. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025）

針對大馬力拖拉機在道路運輸與田間作業過程中由于工況復雜、作業環境惡劣導致油耗高、節能效果差的問題，該研究采用油電混合動力匹配液壓機械無級變速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式，設計了一種油電混合—機液復合拖拉機動力系統，探討了該系統的驅動模式與傳動方式的實現原理并得到液壓機械無級變速器的調速曲線；建立了動力系統的數學模型。為實現動力系統最佳性能，制定了整車控制架構，在此基礎上提出HMCVT經濟性速比控制策略、基于規則的工作模式劃分策略和基于自適應等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。為驗證所提控制策略的可行性，在SimulationX仿真軟件中建立系統動力學仿真模型，并基于測功機搭建試驗臺架進行測試，分別對拖拉機在犁耕、收獲和運輸3個典型工況下進行仿真與試驗。結果表明，所設計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，且動力系統能保持較高的系統效率（0.4以上），犁耕、收獲和運輸3個工況下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）與試驗值（2.72、6.80和1.77 L）的誤差均不超過5%，模型可靠。與德國農業協會公布的相近功率動力換擋拖拉機和無級變速拖拉機油耗數據相對比，該研究所提的控制策略在3種工況下節油9%～20%。研究結果可為多工況作業條件下降低拖拉機能耗提供解決方案。

拖拉機；混合動力；液壓機械無級變速器；等效因子；節能

0 引 言

拖拉機在現代農業生產中極為重要。根據農業農村部發布的數據，到2021年，中國各類拖拉機保有量已超過2 173萬臺，配套農具超過4 000萬部，并呈穩步增長趨勢。中國“十三五規劃能源發展綱要”和“2022年中央一號文件”都在農業生產中提出了節能的要求[1]。生產效率越高，對拖拉機的性能要求就越高，在降低油耗的同時，還要滿足拖拉機的性能要求，給拖拉機動力系統設計帶來了挑戰[2-3]。

靜液壓傳動、機械傳動和液壓機械傳動是拖拉機最常用的傳動方式。靜液壓傳動具有無級變速的優點，但大多數拖拉機不適合長期使用靜液壓傳動以保證傳動效率[4-6]。機械傳動的操作比較復雜，在功率變化范圍大的工況條件下需要更多的擋位[7]。液壓機械復合傳動可實現無級變速，它將液壓傳動和機械傳動組成復合傳動，既能滿足大馬力拖拉機的傳動要求，又能通過調節傳動比使發動機在最佳經濟曲線上運行[8]。張明柱等[9]研究了使發動機和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的傳動比實現拖拉機的最佳經濟性。由于液壓元件容積效率的限制，上述研究的液壓系統在部分負荷條件下效率不高[11]。拖拉機轉場作業時通常是空載，低負荷將導致拖拉機系統效率下降[12]。

道路車輛的電氣化表明，混合動力系統在高負荷時利用電池輔助發動機做功，在低負荷時利用發動機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，在客車上的節油率為5.9%。Kim等[14]研究發現，混合動力拖拉機在部分負荷條件下比傳統拖拉機有更好的經濟性，這是因為混合動力系統將發動機工作點調節到高效區域，并在必要時關閉發動機進行純電驅動。拖拉機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功率才能滿足驅動要求，導致設備體積大。液壓元件彌補了這一缺陷，并且具有啟動平穩、舒適性好的優點[15]。拖拉機和道路車輛的一個顯著區別是需要額外的動力輸出（Power Take-Off，PTO），現代拖拉機設計中的一個關鍵問題就是實現PTO轉速與車輪速度的獨立控制，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的油電混合—機液復合動力系統，以解決傳統拖拉機油耗高、節能效果差的問題，使拖拉機從低負荷到高負荷、從低速到高速都有良好的驅動性能和高效率。首先根據油電混合—機液復合動力系統的結構原理，建立各部件的數學模型，然后制定液壓機械無級變速器的速比控制策略、基于規則的工作模式劃分策略和基于自適應等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。最后，通過ITI SimulationX模型和搭建的試驗臺對所提控制策略進行仿真和測試，并與德國農業協會公布的動力換擋拖拉機和無級變速器拖拉機的油耗進行比較，驗證配備該動力系統的拖拉機相對于傳統拖拉機的節油性能。

1 動力系統結構原理

1.1 驅動模式

所設計的拖拉機油電混合—機液復合動力系統構型如圖１所示，主要由發動機、電機、動力電池、變量泵、定量馬達、行星齒輪機構、定軸齒輪、動力輸出軸、離合器和制動器組件組成，具體構型見文獻[18]。該系統具有2個動力源，通過控制離合器C1、C2、C3和制動器B1實現純電動、發動機單獨驅動、轉矩耦合驅動和轉速耦合驅動4種驅動模式，不同驅動模式下離合器與制動器的接合狀態如表1所示。

1.發動機 2.輸入軸 3.功率分流機構 4.液壓傳動機構 5.動力輸出軸 6.轉矩耦合機構 7.電機 8.轉速耦合機構 9.功率匯流機構 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為液壓系統的排量比。

表1 不同驅動模式下離合器與制動器接合狀態

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可以實現靜液壓傳動（H）、液壓機械傳動(HM)和機械傳動(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表示前進擋，R表示倒擋，H表示液壓傳動，M表示機械傳動，HM表示液壓機械傳動，1～4為行星齒輪特性參數，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 動力系統模型建立

2.1 發動機模型

拖拉機通常搭載柴油發動機，發動機模型多為靜態模型，在一定精度范圍內能反映發動機特性[19]。

式中T為發動機轉矩，是關于發動機轉速ω和油門開度的函數，N?m；Tmax(ω)表示當前發動機轉速下所能提供的最大轉矩，N?m ；b為發動機比油耗，g/(kW·h)；1為查表函數；P為發動機瞬時功率，kW。

2.2 電機模型

忽略電機熱力學影響，電機靜態插值模型可根據電機實時轉速轉矩建立[20]。

式中T為電機轉矩，N?m；為轉矩負荷率；ω為電機轉速，rad/s；P為電機功率，kW；為判斷電機狀態的參數，1功率為正，電機功能為電動機；1功率為負，電機功能為發電機；η為電機效率；f 為電機效率插值函數。

2.3 電池模型

電池荷電狀態（SOC）是能量管理的一個重要輸入信號，可按下式計算[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為電池內阻，Ω；P為電池的充放電功率，kW。

電池電壓和內阻通過試驗獲得，通過查表函數表示為

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阻的查表函數。

2.4 拖拉機縱向動力學模型

拖拉機的縱向動力學模型[22]可表示為

式中T為傳動系統輸入轉矩，N?m；0為驅動橋傳動比；i為變速器傳動比；T為驅動輪轉矩，N?m；J為驅動輪等效轉動慣量kg?m2；F為掛鉤拉力，N；ω為驅動輪角速度，rad/s；為空氣密度，kg/m3；C為空氣阻力系數；為迎風面積，m2；為車輛使用質量，kg；v為拖拉機實際車速，m/s；為重力加速度，m/s2；為滾動阻力系數；為坡道角度；r為驅動輪半徑，m；ω為變速箱輸入端角速度，rad/s；為驅動輪滑轉率。

拖拉機在各工況下的系統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為系統效率；η為發動機的效率；P為需求功率，kW；P為動力輸出軸功率，kW；P為電池功率，kW；為電池充放電狀態參數；電池處于充電狀態時，=0，電池處于放電狀態時，=1。

3 整車控制策略

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

3.1 整體控制邏輯

拖拉機的整車控制流程如圖2所示。首先，根據拖拉機當前的速度和目標速度以及拖拉機的實時載荷確定拖拉機的功率需求；然后，根據實時的電池SOC選擇最佳的驅動模式，并根據拖拉機的當前模式考慮是否切換模式，即在純電動驅動、純發動機驅動、轉矩耦合驅動和轉速耦合驅動之間選擇最合適的驅動模式；最后，在靜液壓傳動、液壓機械傳動和機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 拖拉機整車控制流程

驅動模式和傳動方式的匹配根據動力源和傳動方式的工作特性制定。如果選擇純電動驅動模式，由于電機轉速和轉矩可以在很大范圍內自由調節，所以不需要選擇靜液壓傳動或液壓機械傳動，而傳動效率最高的機械傳動可以滿足傳動要求，實現無級變速。

3.2 HMCVT速比匹配策略

HMCVT的速比應使發動機工作在最佳曲線上，并滿足拖拉機的速度要求。以最佳經濟性為例，拖拉機速度和發動機轉速之間的關系[24]如下：

式中n為發動機當前節氣門開度的最佳經濟轉速，r/min，通過臺架試驗得到。對于本文選擇的柴油機（WP6.180E40），n和之間的擬合曲線為

根據上述關系，發動機工作模式的HMCVT最佳經濟性速比曲面如圖3所示。

圖3 HMCVT最佳經濟性速比圖

3.3 基于規則的工作模式劃分

為了實現油電混合—機液復合動力系統的最佳性能，設計基于規則的拖拉機工作模式劃分策略，對拖拉機的各個功率區間進行最佳工作模式劃分：

初始化輸入參數包括電池SOC、變速器速比i、整機需求扭矩T和目標車速。首先判斷拖拉機是否需要起步，如果需要，根據需求轉矩確定起步方式；例如，如果拖拉機處于犁耕或運輸等需要提供大轉矩的工況，則通過發動機動力匹配液壓傳動起步；如果拖拉機處于轉場工況，需求轉矩小，電量充足，則通過電驅動匹配機械傳動的方式起步。拖拉機達到起步完成速度后即切換到作業模式，當傳動方式為機械傳動時，如果要求無級變速，則只有純電動方式才能滿足要求，否則通過發動機驅動的液壓機械傳動來實現無級變速。

變速器速比i與最小速比i-min之間的關系與需求轉速的大小密切相關。如果i<i-min，則需求轉速大于發動機額定轉速，SOC較高時，可以切換到轉速耦合驅動方式，滿足更高的速度要求；SOC較低時，拖拉機只能由發動機驅動。如果i≥i-min，拖拉機的速度要求較低，根據所需轉矩，SOC可以依次選擇最合適的驅動模式：純電動、發動機單獨驅動、轉矩耦合行車充電、轉矩耦合電機助力。

3.4 自適應等效燃油消耗最小策略

能量管理的第一步是根據當前需求轉矩選擇合適的驅動模式。如果選擇單動力源驅動，則直接進行功率輸出，不進行功率分配。如果選擇雙動力源，以轉矩耦合為例，根據需求轉矩，以燃油消耗最低的方式將轉矩分配給發動機和電機[25]。

等效因子將電池消耗功率與發動機的燃油消耗進行等價，計算出任意時刻發動機和電機的最低燃油消耗所對應的功率分配組合[26-27]。等效因子反映了能量使用的趨勢，如果較大，傾向于用油使發動機輸出更多的功率；如果較小，則傾向于用電使電機輸出更多的功率。考慮到SOC和能量分配策略，如果SOC較高，則通過電機驅動來節省燃料消耗；如果SOC較低，則通過發動機驅動來避免電量過低。等效因子和SOC之間的特殊關系可以實現動力源之間的最佳功率分配，并保證SOC在電池高效區域內。

等效燃油消耗模型可表示為

式中m為等效油耗，g/s；m為發動機油耗，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]內總等效油耗最小作為控制目標，定義系統的目標函數為()，根據Pontryagin最小值原理，將目標函數()最小化等價于系統在每個時刻的哈密頓函數((),(),)最小化，最佳輸出轉矩為

式中()為目標函數；(()，()，)為瞬時油耗函數；()為發動機和電機之間的最佳功率分配；(()，()，)為哈密爾頓函數；()為約束條件；()為系統的共態變量。

通過對哈密爾頓函數求偏導計算最低油耗。

式中為控制SOC狀態變化的函數。

最佳控制率u通過式（13）得到：

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

4 仿真與試驗

4.1 仿真建模

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

4.2 試驗臺架及原理

為了驗證所提油電混合—機液復合動力系統的性能，進行臺架試驗驗證，臺參數見表4，試驗臺架基于AVL測功機搭建。

試驗臺架如圖5a，測試原理如圖5b所示，將拖拉機的控制策略模型經編譯后下載至整車控制器（Hybrid Control Unit，HCU）中，試驗臺主控計算機與HCU通過通信實現觀測和標定，HCU通過數據采集交換系統間接與變頻驅動與控制系統、動力電池系統與測功機動力柜建立通信，并直接通過電機控制器控制電機，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—機液復合動力系統仿真模型

表3 仿真參數

表4 臺架配置

試驗過程中，通過測功機加載拖拉機的不同試驗工況，由經濟性速比控制策略決策液壓機械無級變速器的目標速比，結合規則式模式劃分策略與A-ECMS扭矩分配策略決策當前的工作模式以及目標轉矩的分配，再將相應的轉速轉矩、目標速比等控制信號作為控制目標由上位機發送到各部件控制器進行實時控制，對臺架各部件反饋的信號進行采集，驗證A-ECMS在線應用的可行性。

圖5 臺架試驗

5 結果與分析

犁耕和收獲工況是拖拉機的代表性作業工況，能夠反映拖拉機的主要作業性能，道路運輸時，拖拉機的速度變化范圍相較作業工況而言更廣，故本文選取犁耕、收獲和道路運輸3個工況作為試驗工況，由于拖拉機沒有特定的循環工況數據，故通過速度和拉力傳感器獲取實際作業時拖拉機的行駛速度和牽引阻力等數據來構建3種工況。

5.1 犁耕作業工況

犁耕作業受土壤性質影響，犁耕阻力的變化是隨機的，實際測量的相關參數如表5所示。以圖6所示掛鉤拉力F和目標車速v作為輸入進行犁耕作業工況測試。

表5 犁耕作業工況參數

圖6 犁耕作業輸入信號

犁耕作業工況試驗結果如圖7所示。雖然犁耕阻力不斷變化，但拖拉機的速度基本與測量速度一致，由于起步需求轉矩大，0～5 s以發動機起步，10～100 s耕深較小，需求轉矩小，多余的轉矩用于發電，使發動機工作點轉移到更高負荷處。100 s后拖拉機一直處于發動機單獨驅動模式，HMCVT能根據犁耕所需驅動力調節變速器速比使發動機工作點分布在油耗較低區域，發動機比油耗保持在205～211 g/(kW·h)范圍內，瞬時油耗在11～31 L/h之間，拖拉機整體油耗較低。犁耕作業過程中，不同載荷下HMCVT效率在0.84～0.90之間，系統效率在0.34～0.37之間，在不同的犁耕阻力下，拖拉機在整個作業過程中具有較低的燃油消耗。

圖7 犁耕作業試驗結果

5.2 收獲作業工況

以收獲作業時測量的數據作為輸入，拖拉機驅動力、目標車速以及PTO需求功率如圖8所示。

圖8 收獲作業輸入信號

收獲工況試驗結果如圖9所示。拖拉機起步后車速與目標車速保持一致，此時發動機轉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節下，根據行駛驅動需求轉矩與PTO需求轉矩改變電機轉矩，使系統獲得最高效率。此外，電機轉矩調節使發動機轉速保持平穩，并為PTO提供穩定的輸出速度并驅動其他機構。收獲作業時發動機油耗保持在206～211g/(kW·h)范圍內，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和行駛驅動的功率要求，又能保持較高的拖拉機系統效率。

5.3 運輸工況

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

式中m為拖拉機與拖車的總質量；本文以滿載運輸為研究目標，拖車質量5 010 kg，貨物質量13 080 kg，拖拉機總質量為26 350 kg。

運輸工況試驗結果如圖10所示。0～10 s通過液壓起步，10～40 s進入轉矩耦合電機助力模式，車輛具有較大的加速度；當車速大于40 km/h，進入轉速耦合模式，車速隨電機轉速提高而增大直至60 km/h，該過程車輛的提速相對較慢，這也是轉速耦合與轉矩耦合的區別，但車輛的最高車速得到提升，運輸效率更高。運輸過程中發動機保持較高轉速，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動模式的切換。

圖9 收獲作業試驗結果

圖10 運輸工況試驗結果

表6為上述3種工況下的SOC和燃油消耗量，SOC初始與結束差值較小，電池充放電近似平衡，拖拉機對外做功的能量主要來自發動機，燃油消耗量的仿真與試驗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 節能性驗證

為進一步驗證本文所提油電混合-機液復合動力系統的節能性，參照德國農業協會公布的拖拉機標準測試循環的數據，與CLAAS AXION 850 Hexashift裝備動力換擋PowerShift變速器的拖拉機和Fendt 724 Vario SCR裝備CVT 變速的拖拉機進行油耗對比[28]。測試循環包括14個作業工況，根據經合組織（OECD，Organization for Economic Co-operation and Development）規范2的相關要求在PowerMix上進行，模擬拖拉機在典型田間和運輸條件下的作業情況，并測量燃料消耗，測試結果如表7所示。

與裝備PowerShift和CVT拖拉機相比，裝備油電混合—機液復合動力系統拖拉機在田間和運輸作業中的瞬時燃油消耗最低。由于衡量拖拉機在不同作業中油耗的指標不同，為了更直觀地比較上述測試工況下得到的油耗，對試驗結果進一步處理，得到裝備上述變速器的拖拉機在犁耕工況、動力輸出工況和運輸工況的平均油耗，通過對比發現，本文提出的方案在犁耕工況下比動力換擋拖拉機節油20%，比無級變速器拖拉機節油9%；在動力輸出工況下比動力換擋拖拉機節油18%，比無級變速器拖拉機節油15%；在運輸工況下比動力換擋拖拉機節油15%，比無級變速器拖拉機節油19%。上述結果進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油能力。

表7 測試結果對比

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

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 論

1）根據拖拉機的實際作業要求設計了油電混合—機液復合動力系統，介紹了該動力系統的驅動和傳動實現原理，并制定了HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission）速比控制策略和混合動力系統能量管理策略。

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

3）犁耕、收獲和運輸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油耗誤差都在5%以內，低于德國農業協會公布的相近馬力的PowerShift和CVT拖拉機的油耗，節油9%～20%，所提出的混合動力系統能量管理策略和HMCVT速比控制策略可以實現拖拉機的節油降耗。

[1] 2022年中央一號文件發布[J]. 中國種業，2022(3)：132.

[2] Gao H, Xue J. Modeling and economic assessment of electric transformation of agricultural tractors fueled with diesel[J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2020, 39: 100697.

[3] Renius K T, Resch R. Continuously variable tractor transmissions[M].MI,USA: American Society of Agricultrual Engineers, 2005.

[4] 謝斌，武仲斌，毛恩榮. 農業拖拉機關鍵技術發展現狀與展望[J]. 農業機械學報，2018，49(8)：1-17.

Xie bin, Wu Zhongbin, Mao Enrong. Development status and Prospect of key technologies of agricultural tractors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 1-17. (in Chinese with English abstract)

[5] Ince E, Güler M A. Design and analysis of a novel power-split infinitely variable power transmission system[J]. Journal of Mechanical Design, 2019, 141(5): 054501.

[6] Manring N D. Mapping the efficiency for a hydrostatic transmission[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2016, 138(3): 031004.

[7] 魏超，苑士華，胡紀濱，等. 等差式液壓機械無級變速器的速比控制理論與試驗研究[J]. 機械工程學報，2011，47(16)：101-105.

Wei Chao, Yuan Shihua, Hu Jibin, et al Theoretical and experimental study on speed ratio control of equal difference hydro mechanical continuously variable transmission[J] Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(16): 101-105. (in Chinese with English abstract)

[8] 張明柱，王界中，王建華，等. 提高燃油經濟性的拖拉機變速控制策略[J]. 農業工程學報，2020，36(1)：82-89.

Zhang Mingzhu, Wang Jiezhong, Wang Jianhua, et al. Tractor variable speed control strategy to improve fuel economy [J] Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 82-89. (in Chinese with English abstract)

[9] 張明柱，王全勝，白東洋，等. 基于拖拉機整機效率最大化的液壓機械無級變速規律[J]. 農業工程學報，2016，32(21)：74-78.

Zhang Mingzhu, Wang Quansheng, Bai Dongyang, et al. Speed changing law of hydro-mechanical CVT based on maximum efficiency of tractors[J] Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 74-78. (in Chinese with English abstract)

[10] Ahn S, Choi J, Kim S, et al. Development of an integrated engine-hydro-mechanical transmission control algorithm for a tractor[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(7): 1-18.

[11] Karner J, Baldinger M, Reichl B. Prospects of hybrid systems on agricultural machinery[J]. GSTF Journal on Agricultural Engineering, 2014, 1(1): 33-37.

[12] Mcfadzean B, Butters L. An investigation into the feasibility of hybrid and all-electric agricultural machines[J]. 2017, 60: 500-511.

[13] Guo H, Wang X, Li L. State-of-charge-constraint-based energy management strategy of plug-in hybrid electric vehicle with bus route[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 199: 111972.

[14] Kim W S, Kim Y J, Chung S O, et al. Development of simulation model for fuel efficiency of agricultural tractor[J]. Korean Journal of Agricultural Science, 2016, 43(1): 116-126.

[15] Li X, Zhang L, Yang S, et al. Analysis and experiment of HMT stationary shift control considering the effect of oil bulk modulus[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2020, 12(11): 1-13.

[16] Rossi C, Pontara D, Falcomer C, et al. A hybrid–electric driveline for agricultural tractors based on an e-CVT power-split transmission[J]. Energies, 2021, 14(21): 6912.

[17] Haughery J R, Steward B L, Ryan S J, et al. Modeling hybrid hydro-electro-mechanical power-split populsion systems[C]// United states: Fluid Power Systems Technology, 2021: V001T01A047.

[18] 朱鎮，賴龍輝，蔡英鳳，等. 一種兼具轉速和轉矩耦合的多模式無級變速器：中國專利，112128336A[P]. 2020-12-25.

[19] 黃碩，李亮，楊超，等. 基于規則修正的同軸并聯混合動力客車瞬時優化能量分配策略[J]. 機械工程學報，2014，50(20)：113-121.

Huang Shuo, Li Liang, Yang Chao, et al Instantaneous optimal energy distribution strategy of coaxial parallel hybrid electric bus based on rule modification[J] Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(20): 113-121. (in Chinese with English abstract)

[20] Onori S, Serrao L, Rizzoni G. Hybrid electric vehicles: Energy management strategies[M]. London: Springer, 2016.

[21] 楊陽，鞏慧，秦大同，等. 基于效率優化的CVT重混汽車驅動控制策略[J]. 中國公路學報，2014，27(3)：108-115.

Yang Yang, Gong Hui, Qin Datong, et al Driving control strategy of CVT heavy-duty hybrid vehicle based on efficiency optimization[J]. China Journal of Highway and Transport, 2014, 27(3): 108-115. (in Chinese with English abstract)

[22] 李同輝，謝斌，王東青，等. 雙電機驅動電動拖拉機實時自適應能量管理策略研究[J]. 農業機械學報，2020，51(S2)：530-543.

Li Tonghui, Xie Bin, Wang Dongqing, et al. Research on real-time adaptive energy management strategy of dual motor driven electric tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S2): 530-543. (in Chinese with English abstract)

[23] 謝斌，張超，陳碩，等. 雙輪驅動電動拖拉機傳動性能研究[J]. 農業機械學報，2015，46(6)：8-13.

Xie Bin, Zhang Chao, Chen Shuo, et al. Study on transmission performance of two wheel drive electric tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 8-13. (in Chinese with English abstract)

[24] Chancellor W, Thai N. Automatic control of tractor transmission ratio and engine speed[J]. Transactions of the ASAE, 1984, 27(3): 642-646.

[25] Gu B, Rizzoni G. An adaptive algorithm for hybrid electric vehicle energy management based on driving pattern recognition[C] // Chicago, Illinois, USA, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2006: 249-258.

[26] Zhang L, Liu W, Qi B. Energy optimization of multi-mode coupling drive plug-in hybrid electric vehicles based on speed prediction[J]. Energy, 2020, 206: 118126.

[27] Wang F, Xia J, Xu X, et al. Torsional vibration-considered energy management strategy for power-split hybrid electric vehicles[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 296: 126399.

[28] Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft [EB/OL]. [2018-05-06]. https://www.dlg.org/de/landwirtschaft/tests/.html.

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，賴龍輝，王登峰，等. 油電混合機械液壓式拖拉機動力系統節能性[J]. 農業工程學報，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實驗室開放基金項目（20201201）；國家自然科學基金資助項目（52272435，52225212，U20A20333，U20A20331，51875255）；江蘇省六大人才高峰項目（2018-TD-GDZB-022）

朱鎮，博士，副教授，研究方向為車輛系統動力學。Email：zhuzhenjs@126.com

蔡英鳳，博士，教授，博士生導師，研究方向為智能網聯汽車技術。Email：caicaixiao0304@126.com