混合动力用于拖拉机的研究与思考

张亚萍

（兰州工业学院，兰州 730050）

国外对节能拖拉机的研发较早，国内起步较晚，最初研究的都是纯电动拖拉机。随着混合动力驱动技术在汽车上的成熟应用，国外部分公司已推出混合动力拖拉机样机，国内混合动力拖拉机研究处于理论探索阶段[1]。希望解决拖拉机作业时耗油量大、排放性差等问题，让拖拉机在不同工况下高效工作，实现节能环保。

一、节能拖拉机国内外研究现状

1、国外节能拖拉机研究现状

国外节能拖拉机的研发较早，最初研究的是纯电动拖拉机[2]，由于存在续驶里程短、功率偏小等问题，并没有被广大用户接受[1]。为弥补其存在的问题，随着混合动力驱动技术在汽车上的成熟应用，国外现已开始进行混合动力拖拉机的研制，RUSELPROM、ZF、纽荷兰、Vision Industries 等公司已推出混合动力拖拉机样机[1～2]。

2、国内节能拖拉机研究现状

国内对节能拖拉机的研究起步晚，20 世纪60 年代初，东北农学院和哈尔滨工业大学等12 个单位联合试制了一种电动拖拉机动力系统[1～2]。2011 年，北京海博瑞德汽车技术有限公司研发出第一代电动拖拉机的样车[2]。目前，河南科技大学和南京农业大学正在进行混合动力拖拉机理论探索研究[2]。

二、节能拖拉机主要研究内容、问题与创新

1、主要研究内容

混合动力应用于拖拉机时，可以串联式混合动力拖拉机为研究对象，结合拖拉机的工作特性和动力特性，设计拖拉机混合动力总成匹配和优化系统。建立混合动力拖拉机主要部件的数学模型、系统仿真模型及拖拉机混合动力总成模型，为理论分析提供验证环境。提出控制策略，分析油耗。搭建半实物仿真平台进行循环工况试验，优化并验证控制策略，最终要求在满足动力性能前提下，实现节能减排。该动力总成和控制策略可为进一步混合动力拖拉机动力系统研究提供理论和试验依据，同时也为类似农业机械的混合动力系统研究提供借鉴。

（1）总体设计方案及其性能评价指标

分析多种混合动力系统的结构组成、工作原理、工作模式及优缺点，结合拖拉机各种作业项目特点及工作环境[3]，提出拖拉机串联式混合动力总成的总体设计方案及其性能评价指标。

（2）动力总成参数匹配及优化

根据工作环境进行传统拖拉机的实车实测试验，提取拖拉机动力输出的关键性参数，结合动力性、经济性和排放性要求，对动力系统的发动机、电机、蓄电池及变速器等部件进行选型和参数确定。构建试验模型，利用Advisor 软件和Matlab/Simulink进行联合仿真，对串联式混合动力拖拉机动力总成参数匹配及优化进行研究[3]。

（3）整车控制策略

以拖拉机最小油耗为目标函数，基于动态优化理论提出混合动力拖拉机整车控制策略。利用Matlab/Simulink 软件建立拖拉机的动力学模型、发动机模型、发电机和驱动电机及其控制相关模型。基于Simulink/Stateflow 模块建立整机控制模型，然后将系统各部件模型和整机控制模型联接起来组成整车动态模型，根据拖拉机不同的工况，完成联合仿真，优化并验证控制策略[4]。

（4）设计优化

基于Dspace 半仿真平台，搭建串联式混合动力拖拉机半实物仿真平台，在拖拉机作业环境试验模型下，进一步验证动力总成及参数匹配优化和控制策略的正确性和有效性，进而对设计缺陷进行优化，在满足动力性能前提下，实现节能减排。

2、拟解决的关键问题

关键解决与拖拉机燃油经济性和排放最直接相关的混合动力总成技术，包括总成的结构设计、参数匹配及优化和能量管理控制策略。要求拖拉机在作业时对动力总成的能量需求动态分配予发动机与电机系统，使发动机工作在最佳燃油经济区，以实现减少能耗和排放的目标。

3、特色与创新

根据工作环境进行传统拖拉机的实车实测试验，提取拖拉机动力输出的关键性参数。

基于动态优化理论，提出串联式混合动力拖拉机的控制策略。

利用半实物仿真平台优化并验证控制策略，使拖拉机在不同工况高效工作，并且节能环保[5]。

三、节能拖拉机研究方法

1、具体研究方法

混合动力应用于拖拉机时需对拖拉机串联式混合动力总成、参数匹配及优化、控制策略等混合动力拖拉机关键技术进行研究，验证串联式混合动力拖拉机在不同工况的动力性、经济性、排放性。研究过程中利用传统拖拉机实车实测动力输出参数，利用软件建模和虚拟仿真优化动力总成及能量控制策略，并搭建半实物仿真平台，验证动力总成及参数匹配优化和控制策略的正确性和有效性，进而对设计缺陷进行优化。具体研究方法如下：

通过理论分析确定拖拉机混合动力总成设计方案，然后对传统拖拉机进行实车实测试验，提取动力输出的关键性参数。构建试验模型，利用Advisor 软件和Matlab/Simulink 进行联合仿真验证其动力总成参数匹配及优化算法。

应用Matlab/Simulink 软件建立拖拉机的动力学模型、发动机模型、发电机和驱动电机及其控制相关模型。应用Simulink/Stateflow 模块建立拖拉机整机控制策略模型，然后将各模型联接起来组成整车动态模型，再联合仿真[4]。

基于Dspace 半仿真平台搭建串联式混合动力拖拉机半实物仿真平台，对电动机和发动机功率配比、发动机和电动机输出转矩及驱动轮输出转矩、牵引效率、总传动效率和等效能耗等特性进行试验验证和分析，进一步优化控制策略[1]。

2、可能遇到的问题和解决办法

研究中可能出现拖拉机行走过程中由于特殊的作业环境使得发动机大部分时间在大功率低速区域工作，效率低下，燃油消耗大，排放性差。此类问题涉及到传动部件的合理匹配问题，可以从动力总成各部件的最优匹配方面进行研究。

四、结论

研制在不同作业工况下自适应提供动力且节能环保的拖拉机，以及将串联式混合动力总成系统应用在传统拖拉机上时，首先可以结合拖拉机的运行环境及工作特性，设计拖拉机串联式混合动力总成匹配和优化系统；建立混合动力拖拉机主要部件的数学模型，系统仿真模型及拖拉机混合动力总成模型，为理论分析提供验证环境；提出控制策略，分析油耗；搭建半实物仿真平台进行半仿真试验，优化并验证控制策略，最终要求在满足动力性能前提下，实现节能减排。