節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法
2023-05-21 18:10:31
節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法
【專利摘要】本發明涉及節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，以牽引電動機作為發動機，以柴油機/發電機組作為主能源系統，以蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助能源系統，柴油機/發電機在經濟性運行下，主能源系統發出電功率定值，驅動牽引電動機高效運行，當電功率定值大於牽引電動機需求電功率時，由輔助能源系統儲存多餘電功率；當輔助能源系統SOC值高於設定值時，主能源系統停止工作，由輔助能源系統單獨供能；本發明以柴油機/發電機在經濟運行下供電而不是根據拖拉機功率需求供電，使柴油機/發電機中的柴油機始終運行在其有效燃油消耗率最小工況點附近，能量使用效率高、油耗較低、實現了節能減排。
【專利說明】節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法。
【背景技術】
[0002]節能和環保是我國以及當今世界工業【技術領域】的兩個重要主題。應對今天世界範圍內的能源短缺問題與溫室氣體排放問題，節能和高效成為了現代工業產品的主流趨勢。拖拉機作為現代農業生產的主要動力，擔當著諸如農田建設、犁耕、中耕、植保、收穫等農業任務。我國的拖拉機保有量逐年增加，2010年底，全國大中型拖拉機保有量近400萬臺，小型拖拉機保有量近2000萬臺。儘管我國農業機械化在「十一五」期間取得了長足發展，但與發達國家相比仍有較大差距，整體水平依然不高；與在工業化、城鎮化深入發展中同步推進農業現代化的重大要求相比尚存諸多差距；與建設社會主義新農村的任務要求還不相適應，面臨諸多矛盾和問題，「十二五」規劃明確提出，經濟有效，節約資源、保護環境為農業機械技術的發展目標之一。
[0003]由於我國農業經濟特點與發達國家存在許多差異，農業機械產品對於節能和高效的需求更大。混合動力拖拉機作為傳統拖拉機向純電動拖拉機過渡的產品，具有易於在原產品上改裝，且易改裝為純電動拖拉機的優點。相較傳統拖拉機，混合動力拖拉機具有多種能源系統，可實現靈活多變的能量管理，為能源的高效利用提供了可能性；且由於電能的參與，可節省一部分燃油消耗。相較純電動拖拉機，混合動力拖拉機具有更好的續航能力，在電池技術和充電技術取得更大技術突破之前，混合動力拖拉機對於實際生產的意義更大。
[0004]現有的串聯混合動力拖拉機研究尚處於技術儲備階段，國內尚無相關產品出現，主流企業也並未進行相關開發；相關高校只是理論研究，並且多數處於針對並聯混合模式以及整車設計方法的研究階段，對於控制系統的研究尚未開展。對比混合動力汽車的控制方式，針對轉速和轉矩作為動力輸出的車輛動力學系統，汽車作為交通工具，其路況相比拖拉機較好，而且使用串聯混合動力的汽車的目標主要在於節能減排，通常用於城市交通工具，工況主要變化在於車速，對於轉矩的變化通常不大。而車速取決於駕駛員意圖，所以採用這種基於轉矩的控制方式將導致整車犧牲車速的靈活變化，無法使用於汽車。而本發明所述的運行模式和控制方法適用於車速變化較小而轉矩變化較大的拖拉機系統。相比電控系統，其核心ECU關鍵在於信號處理模塊，國內之所以ECU方面技術相對國外落後的原因就是在於電控技術的類似於專家系統的控制系統的處理模塊沒有掌握核心技術，專家系統的建立很複雜。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種節能型串聯混合動力拖拉機控制方法，使傳動系統中的牽引電動機始終以效率較高的工況運行，提高燃油使用效率，實現節能減排。
[0006]為實現上述目的，本發明的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，以牽引電動機作為發動機，以柴油機/發電機組作為主能源系統，以蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助能源系統，柴油機/發電機在經濟性運行下，主能源系統發出電功率定值，驅動牽引電動機高效運行，當電功率定值大於牽引電動機需求電功率時，由輔助能源系統儲存多餘電功率；當輔助能源系統SOC值高於設定值時，主能源系統停止工作，由輔助能源系統單獨供能。
[0007]進一步的，當拖拉機工作出現負載功率突增時，由輔助能源系統提供負載突變電功率。
[0008]所述驅動牽引電動機高效運行的方法步驟如下:
[0009]( I)採集拖拉機油門踏板開度及檔杆位置信號；
[0010](2)根據油門踏板開度及檔杆位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉矩；
[0011](3)第一種方式:根據期望輸出轉矩以電動機效率的數學模型為優化目標進行搜索尋優，得到電動機效率最大時的期望輸出轉速；或者是第二種方式:採用針對電動機效率的實驗並進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數，根據期望牽引力求的期望車速，根據當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉速；
[0012](4)將期望輸出轉速、期望輸出轉矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
[0013]所述步驟(2)中是根據油門踏板開度大小佔踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉矩，設踏板深度為A，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時期望牽
引力大小估算為根據當前傳動比得到該期望牽引力下的期望輸
出轉矩。
[0014]所述步驟(3)的第一種方式中以牽引電動機效率的理論數學模型作為目標函數，對以期望牽引力為中心的正負F kN (Fwant- F，Fwant+ F )為範圍採用智能區域搜索算法進行搜索尋優，得到搜索範圍內使目標函數最優即電動機效率最高時的工作點(Fbest，Vbest),其中Fbest e (Fwant- F，Fwant+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牽引電動機最高效運行的期望車速，當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉速。
[0015]所述智能區域搜索算法為魚群算法、蟻群算法或粒子群算法。
[0016]所述步驟(3)的第二種方式是通過設計實驗繪製不同檔位下電動機的運行效率曲線，通過採集電機臺架試驗以及負載試驗數據繪製等效率曲線的方式得到一條平滑的曲線，使該曲線通過電機運行高效率曲線區域；採集曲線上的點，進行回歸分析，擬合相關函數，以得到不同檔位下的分段函數。
[0017]所述步驟(4)之後，定時採集拖拉機油門踏板開度及檔杆位置信號，判斷是否需要重新進行期望輸出轉速的計算，如果是，則重新執行步驟(2)至(4)，電動機控制器採用新的期望輸出轉速進行控制；如果不是，電動機控制器採用上次的期望輸出轉速進行控制。
[0018]進一步的，對是否需要重新進行期望輸出轉速的計算是首先判斷檔杆位置是否變化，若是變化則需重新計算，若是沒有變化則再採用關於踏板開度、踏板開度變化率構成的模糊規則進行判斷。
[0019]本發明的節能型串聯混合動力拖拉機控制方法，以柴油機/發電機在經濟運行下供電而不是根據拖拉機功率需求供電，使柴油機/發電機中的柴油機始終運行在其有效燃油消耗率最小工況點附近，能量使用效率高、油耗較低、實現了節能減排。[0020]基於拖拉機的電動機模型以及整車數學模型，使傳動系統中的牽引電動機始終以效率較高的工況運行，智能處理部分可採用單片機實現，則實驗的投入成本、開發成本較小，而且適用於我國拖拉機電控技術不發達的現狀，且無須開發龐大的專家系統，控制結果可以使電動機始終運行在效率最高區域附近，可以顯著提高電傳動效率，解決大馬力串聯混合動力拖拉機從事輕載作業時效率低的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明實施例的控制方法原理圖；
[0022]圖2是本發明實施例的SOC控制策略原理圖；
[0023]圖3是本發明實施例的所用控制系統示意圖；
[0024]圖4是本發明實施例的某180馬力拖拉機所配牽引電機一檔下理論運行特性圖；
[0025]圖5是本發明實施例的某180馬力拖拉機所配牽引電機三檔下理論運行特性圖；
[0026]圖6是本發明實施例的邏輯模糊控制器控制流程圖；
[0027]圖7是踏板開度變化率隸屬度函數表示圖；
[0028]圖8是踏板開度隸屬度函數標示圖。
[0029]圖1中的標記含義如下:
[0030]Pge-表示柴油機/發電機組以柴油機最小有效燃油消耗率工況運行下所發出的電功率；PMquiM表示高效運行模式下的工作需求功率；Pmargin表示高效模式運行下柴油機/發電機發出的多餘電功率；Ppeak表示負載突變功率需求；PMg—表示再生制動功率。
[0031]圖3中的標記含義如下:
[0032]I表示油門踏板；2表示踏板位置傳感器；3表示通信總線；4表示邏輯模糊控制器；5表示電機控制器；6表示牽引電動機；7表示智能處理模塊；8表示變速器輸出軸；9表示輪速傳感器；10表示轉矩傳感器；11表示變速器；12表示變速器輸入軸；13表示倒檔位置傳感器；14表不4檔位置傳感器；15表不3檔位置傳感器；16表不2檔位置傳感器；17表不I檔位置傳感器；18表不離合器。
【具體實施方式】
[0033]一、節能型串聯混合動力拖拉機控制方法
[0034]節能型串聯混合動力拖拉機控制方法以牽引電動機作為發動機，以柴油機/發電機組作為主能源系統，以蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助能源系統，柴油機/發電機在經濟性運行下，主能源系統發出電功率定值，驅動牽引電動機高效運行，當電功率定值大於牽引電動機需求電功率時，由輔助能源系統儲存多餘電功率；當輔助能源系統SOC值高於設定值時，主能源系統停止工作，由輔助能源系統單獨供能。當拖拉機工作出現負載功率突增時，由輔助能源系統提供負載突變電功率。上述「/」表示「和」的意思。
[0035]如圖1所示的串聯混合動力拖拉機中，以混合動力拖拉機的柴油機/發電機組作為主能源系統，其中，柴油機始終以其最小燃油消耗率下的工況運行，運行過程中，主能源所發電功率Pge-基本恆定。以蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助能源系統。驅動系牽引電動機通過控制模塊控制始終運行在高效工況附近，由於電機的高效工況並不是全負荷工況，因此該模式下運行的拖拉機能量流無法平衡，高效運行的電動機未必總能完全消耗主能源所供電能，會產生柴油機/發電機發出的多餘電功率PMgin。因此使用輔助能源系統儲存這部分能量，並儲存再生制動產生的能量。結合圖2所示SOC控制策略，在當其SOC值高於設定值時，柴油機/發電機組停止工作，由輔助能源系統單獨供能，將這部分儲存的能量釋放出來。圖2中SOC1ot指設定的電能存儲裝置的最小荷電量，SOCttjp指設定的最大荷電量。
[0036]上述控制方法可適用於採用手動變速器的串聯混合動力拖拉機；或用於在保留動力橋和車身結構的基礎上以現有傳統機型為裝機對象的串聯混合動力傳動系。下面給出具體的採用該控制方法的串聯混合動力拖拉機的使電動機高效運行的控制系統及控制方法。
[0037]二、節能型串聯混合動力拖拉機的電動機高效運行控制系統
[0038]節能型串聯混合動力拖拉機的電動機高效運行控制系統如圖3所示，控制系統包括踏板1、踏板位置傳感器2、通信總線3、邏輯模糊控制器4、電機控制器5、牽引電動機6、智能處理模塊7、變速器輸出軸8、轉速傳感器9、轉矩傳感器10、變速器11、變速器輸入軸12、倒檔位置傳感器13、4檔位置傳感器14、3檔位置傳感器15、2檔位置傳感器16、I檔位置傳感器17和離合器18。
[0039]智能處理模塊7採用尋優搜索算法對以期望牽引力為中心正負某範圍牽引力內的電動機效率進行尋優或者採用針對電動機效率的實驗並進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數，得到電動機效率最大時的期望輸出轉速連同期望轉矩輸入電動機控制器；智能處理模塊7可分析期望牽引力下使電動機高效運行的行駛速度，以便得出電機高效運行下的參照輸出轉速；踏板位置傳感器2、檔杆位置傳感器(包括1-4檔及倒檔位置傳感器)、邏輯模塊控制器4和智能處理模塊7之間採用CAN總線作為通信總線3。
[0040]邏輯模塊控制器4包括模糊化算法模塊、推理模塊、解模糊模塊。
[0041]轉速傳感器採用磁電式轉速傳感器，安裝於變速器輸出軸旁邊，通過間接測量的方法，測量行駛速度信號，並以此信號作為控制過程的反饋信號之一；轉矩傳感器採用金屬電阻應變片轉矩傳感器，安裝於變速器輸出軸上，其彈性元件為轉軸，轉軸的應變可以引起應變片的電阻發生改變，從而可通過間接測量的方式得到負載牽引力信號，並以此信號作為控制過程的反饋信號之一；轉速傳感器和轉矩傳感器輸出連接電動機控制器。
[0042]踏板位置傳感器採用磁阻式角度傳感器，安裝於踏板位置，提取瞬間油門踏板的位置信號，將其轉化為電信號傳遞給控制模塊，邏輯模糊控制器4和智能處理模塊7憑此信號得出踏板開度變化大小和變化率大小；1檔位置傳感器、2檔位置傳感器、3檔位置傳感器、4檔位置傳感器和倒檔位置傳感器採用壓電式傳感器，貼於檔杆導向框板各檔位置槽內偵U，當檔杆進入該檔位的槽內時，觸碰擠壓壓電傳感器，產生此時的檔杆位置信號。
[0043]三、節能型串聯混合動力拖拉機的電動機高效運行控制方法
[0044]節能型串聯混合動力拖拉機的電動機高效運行控制方法的步驟如下；
[0045]( I)通過踏板位置傳感器和檔杆位置傳感器分別採集拖拉機油門踏板開度及檔杆位置信號，並將信號通過CAN總線上傳給邏輯模糊控制器和智能處理模塊；
[0046](2)智能處理模塊根據油門踏板開度及檔杆位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉矩；
[0047](3)根據期望輸出轉矩以電動機效率的數學模型為優化目標進行搜索尋優，得到電動機效率最大時的期望輸出轉速；[0048](4)將期望輸出轉速、期望輸出轉矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
[0049]步驟(2)中是根據油門踏板開度大小佔踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉矩(此處期望轉矩是指中央傳動處轉矩，可以理解為車輪處輸出轉矩需求；由於電動機的輸出轉矩於車輪後橋處輸出轉矩之間，在達到附著極限之前的差別為主減速器和變速器的速比作用，二者之間為定比關係。)。具體方法為，以某180馬力拖拉機為例，設計其傳動系統為:某156kW柴油機/發電機組作為其主能源，某130kW電動機作為其發動機，匹配蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助電源，以國內某品牌180馬力拖拉機為裝機對象，保留其車橋及車身部分，對其設計4檔變速器進行功率變換。經理論分析計算和計算機仿真，此串聯混合動力傳動系滿足原機性能需求。根據檔杆位置信號判斷當前工況所處檔位，根據此檔位下的有效牽引力範圍，如圖4、圖5所示，以其踏板最大開度對應該檔位下的最大有效牽引力，以1/N踏板開度對應其牽引力最小值，以其中間的(N-l)/N踏板開度範圍對應其期望牽引力變化範圍。如駕駛員踏踏板深度為A (根據具體使用的踏板位置傳感器得到)，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時駕駛員的期望牽引力大小可估算為:
【權利要求】
1.節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，以牽引電動機作為發動機，以柴油機/發電機組作為主能源系統，以蓄電池組或蓄電池/超級電容組作為輔助能源系統，其特徵在於:柴油機/發電機在經濟性運行下，主能源系統發出電功率定值，驅動牽引電動機高效運行，當電功率定值大於牽引電動機需求電功率時，由輔助能源系統儲存多餘電功率；當輔助能源系統SOC值高於設定值時，主能源系統停止工作，由輔助能源系統單獨供能。
2.根據權利要求1所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，當拖拉機工作出現負載功率突增時，由輔助能源系統提供負載突變電功率。
3.根據權利要求2所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，所述驅動牽引電動機高效運行的方法步驟如下: (1)採集拖拉機油門踏板開度及檔杆位置信號； (2)根據油門踏板開度及檔杆位置信號求得期望牽引力、期望輸出轉矩； (3)第一種方式:根據期望輸出轉矩以電動機效率的數學模型為優化目標進行搜索尋優，得到電動機效率最大時的期望輸出轉速；或者是第二種方式:採用針對電動機效率的實驗並進行回歸分析得到相關最高效率的分段函數，根據期望牽引力求的期望車速，根據當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉速； (4)將期望輸出轉速、期望輸出轉矩輸入電動機控制器，對電動機的運行進行控制。
4.根據權利要求3所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於:所述步驟(2)中是根據油門踏板開度大小佔踏板最大開度的比例估算駕駛員期望輸出轉矩，設踏板深度為A，最大開度為B，n檔位下的最大有效牽引力為Fmax.n，此時期望牽引力大小估算
5.根據權利要求4所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，所述步驟(3)的第一種方式中以牽引電動機效率的理論數學模型作為目標函數，對以期望牽引力為中心的正負F kN(Fwant- F，Fwant+ F )為範圍採用智能區域搜索算法進行搜索尋優，得到搜索範圍內使目標函數最優即電動機效率最高時的工作點(Fbest, Vbest),其中Fbest e (Fwant-F，Fwant+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牽引電動機最高效運行的期望車速，當前傳動比得到該期望車速下的期望輸出轉速。
6.根據權利要求5所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，所述智能區域搜索算法為魚群算法、蟻群算法或粒子群算法。
7.根據權利要求4所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，所述步驟(3)的第二種方式是通過設計實驗繪製不同檔位下電動機的運行效率曲線，通過採集電機臺架試驗以及負載試驗數據繪製等效率曲線的方式得到一條平滑的曲線，使該曲線通過電機運行高效率曲線區域；採集曲線上的點，進行回歸分析，擬合相關函數，以得到不同檔位下的分段函數。
8.根據權利要求3-7中任一項所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，所述步驟(4)之後，定時採集拖拉機油門踏板開度及檔杆位置信號，判斷是否需要重新進行期望輸出轉速的計算，如果是，則重新執行步驟(2)至(4)，電動機控制器採用新的期望輸出轉速進行控制；如果不是，電動機控制器採用上次的期望輸出轉速進行控制。
9.根據權利要求8所述的節能型串聯混合動力拖拉機的控制方法，其特徵在於，對是否需要重新進行期望輸出轉速的計算是首先判斷檔杆位置是否變化，若是變化則需重新計算，若是沒有變化則再採用`關於踏板開度、踏板開度變化率構成的模糊規則進行判斷。
【文檔編號】B60W10/08GK103625462SQ201310332347
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月1日 優先權日:2013年8月1日
【發明者】徐立友, 劉孟楠, 周志立, 王偉, 李晴, 方樹平, 劉海亮, 遊昆雲, 王心彬 申請人:河南科技大學