节能型串联混合动力拖拉机的控制方法
【专利摘要】本发明涉及节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，以牵引电动机作为发动机，以柴油机/发电机组作为主能源系统，以蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助能源系统，柴油机/发电机在经济性运行下，主能源系统发出电功率定值，驱动牵引电动机高效运行，当电功率定值大于牵引电动机需求电功率时，由辅助能源系统储存多余电功率；当辅助能源系统SOC值高于设定值时，主能源系统停止工作，由辅助能源系统单独供能；本发明以柴油机/发电机在经济运行下供电而不是根据拖拉机功率需求供电，使柴油机/发电机中的柴油机始终运行在其有效燃油消耗率最小工况点附近，能量使用效率高、油耗较低、实现了节能减排。
【专利说明】节能型串联混合动力拖拉机的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种节能型串联混合动力拖拉机的控制方法。
【背景技术】
[0002]节能和环保是我国以及当今世界工业【技术领域】的两个重要主题。应对今天世界范围内的能源短缺问题与温室气体排放问题，节能和高效成为了现代工业产品的主流趋势。拖拉机作为现代农业生产的主要动力，担当着诸如农田建设、犁耕、中耕、植保、收获等农业任务。我国的拖拉机保有量逐年增加，2010年底，全国大中型拖拉机保有量近400万台，小型拖拉机保有量近2000万台。尽管我国农业机械化在“十一五”期间取得了长足发展，但与发达国家相比仍有较大差距，整体水平依然不高；与在工业化、城镇化深入发展中同步推进农业现代化的重大要求相比尚存诸多差距；与建设社会主义新农村的任务要求还不相适应，面临诸多矛盾和问题，“十二五”规划明确提出，经济有效，节约资源、保护环境为农业机械技术的发展目标之一。
[0003]由于我国农业经济特点与发达国家存在许多差异，农业机械产品对于节能和高效的需求更大。混合动力拖拉机作为传统拖拉机向纯电动拖拉机过渡的产品，具有易于在原产品上改装，且易改装为纯电动拖拉机的优点。相较传统拖拉机，混合动力拖拉机具有多种能源系统，可实现灵活多变的能量管理，为能源的高效利用提供了可能性；且由于电能的参与，可节省一部分燃油消耗。相较纯电动拖拉机，混合动力拖拉机具有更好的续航能力，在电池技术和充电技术取得更大技术突破之前，混合动力拖拉机对于实际生产的意义更大。
[0004]现有的串联混合动力拖拉机研究尚处于技术储备阶段，国内尚无相关产品出现，主流企业也并未进行相关开发；相关高校只是理论研究，并且多数处于针对并联混合模式以及整车设计方法的研究阶段，对于控制系统的研究尚未开展。对比混合动力汽车的控制方式，针对转速和转矩作为动力输出的车辆动力学系统，汽车作为交通工具，其路况相比拖拉机较好，而且使用串联混合动力的汽车的目标主要在于节能减排，通常用于城市交通工具，工况主要变化在于车速，对于转矩的变化通常不大。而车速取决于驾驶员意图，所以采用这种基于转矩的控制方式将导致整车牺牲车速的灵活变化，无法使用于汽车。而本发明所述的运行模式和控制方法适用于车速变化较小而转矩变化较大的拖拉机系统。相比电控系统，其核心ECU关键在于信号处理模块，国内之所以ECU方面技术相对国外落后的原因就是在于电控技术的类似于专家系统的控制系统的处理模块没有掌握核心技术，专家系统的建立很复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种节能型串联混合动力拖拉机控制方法，使传动系统中的牵引电动机始终以效率较高的工况运行，提高燃油使用效率，实现节能减排。
[0006]为实现上述目的，本发明的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，以牵引电动机作为发动机，以柴油机/发电机组作为主能源系统，以蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助能源系统，柴油机/发电机在经济性运行下，主能源系统发出电功率定值，驱动牵引电动机高效运行，当电功率定值大于牵引电动机需求电功率时，由辅助能源系统储存多余电功率；当辅助能源系统SOC值高于设定值时，主能源系统停止工作，由辅助能源系统单独供能。
[0007]进一步的，当拖拉机工作出现负载功率突增时，由辅助能源系统提供负载突变电功率。
[0008]所述驱动牵引电动机高效运行的方法步骤如下:
[0009]( I)采集拖拉机油门踏板开度及档杆位置信号；
[0010](2)根据油门踏板开度及档杆位置信号求得期望牵引力、期望输出转矩；
[0011](3)第一种方式:根据期望输出转矩以电动机效率的数学模型为优化目标进行搜索寻优，得到电动机效率最大时的期望输出转速；或者是第二种方式:采用针对电动机效率的实验并进行回归分析得到相关最高效率的分段函数，根据期望牵引力求的期望车速，根据当前传动比得到该期望车速下的期望输出转速；
[0012](4)将期望输出转速、期望输出转矩输入电动机控制器，对电动机的运行进行控制。
[0013]所述步骤(2)中是根据油门踏板开度大小占踏板最大开度的比例估算驾驶员期望输出转矩，设踏板深度为A，最大开度为B，n档位下的最大有效牵引力为Fmax.n，此时期望牵
引力大小估算为根据当前传动比得到该期望牵引力下的期望输
出转矩。
[0014]所述步骤(3)的第一种方式中以牵引电动机效率的理论数学模型作为目标函数，对以期望牵引力为中心的正负F kN (Fwant- F，Fwant+ F )为范围采用智能区域搜索算法进行搜索寻优，得到搜索范围内使目标函数最优即电动机效率最高时的工作点(Fbest，Vbest),其中Fbest e (Fwant- F，Fwant+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牵引电动机最高效运行的期望车速，当前传动比得到该期望车速下的期望输出转速。
[0015]所述智能区域搜索算法为鱼群算法、蚁群算法或粒子群算法。
[0016]所述步骤(3)的第二种方式是通过设计实验绘制不同档位下电动机的运行效率曲线，通过采集电机台架试验以及负载试验数据绘制等效率曲线的方式得到一条平滑的曲线，使该曲线通过电机运行高效率曲线区域；采集曲线上的点，进行回归分析，拟合相关函数，以得到不同档位下的分段函数。
[0017]所述步骤(4)之后，定时采集拖拉机油门踏板开度及档杆位置信号，判断是否需要重新进行期望输出转速的计算，如果是，则重新执行步骤(2)至(4)，电动机控制器采用新的期望输出转速进行控制；如果不是，电动机控制器采用上次的期望输出转速进行控制。
[0018]进一步的，对是否需要重新进行期望输出转速的计算是首先判断档杆位置是否变化，若是变化则需重新计算，若是没有变化则再采用关于踏板开度、踏板开度变化率构成的模糊规则进行判断。
[0019]本发明的节能型串联混合动力拖拉机控制方法，以柴油机/发电机在经济运行下供电而不是根据拖拉机功率需求供电，使柴油机/发电机中的柴油机始终运行在其有效燃油消耗率最小工况点附近，能量使用效率高、油耗较低、实现了节能减排。[0020]基于拖拉机的电动机模型以及整车数学模型，使传动系统中的牵引电动机始终以效率较高的工况运行，智能处理部分可采用单片机实现，则实验的投入成本、开发成本较小，而且适用于我国拖拉机电控技术不发达的现状，且无须开发庞大的专家系统，控制结果可以使电动机始终运行在效率最高区域附近，可以显著提高电传动效率，解决大马力串联混合动力拖拉机从事轻载作业时效率低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例的控制方法原理图；
[0022]图2是本发明实施例的SOC控制策略原理图；
[0023]图3是本发明实施例的所用控制系统示意图；
[0024]图4是本发明实施例的某180马力拖拉机所配牵引电机一档下理论运行特性图；
[0025]图5是本发明实施例的某180马力拖拉机所配牵引电机三档下理论运行特性图；
[0026]图6是本发明实施例的逻辑模糊控制器控制流程图；
[0027]图7是踏板开度变化率隶属度函数表示图；
[0028]图8是踏板开度隶属度函数标示图。
[0029]图1中的标记含义如下:
[0030]Pge-表示柴油机/发电机组以柴油机最小有效燃油消耗率工况运行下所发出的电功率；PMquiM表示高效运行模式下的工作需求功率；Pmargin表示高效模式运行下柴油机/发电机发出的多余电功率；Ppeak表示负载突变功率需求；PMg—表示再生制动功率。
[0031]图3中的标记含义如下:
[0032]I表示油门踏板；2表示踏板位置传感器；3表示通信总线；4表示逻辑模糊控制器；5表示电机控制器；6表示牵引电动机；7表示智能处理模块；8表示变速器输出轴；9表示轮速传感器；10表示转矩传感器；11表示变速器；12表示变速器输入轴；13表示倒档位置传感器；14表不4档位置传感器；15表不3档位置传感器；16表不2档位置传感器；17表不I档位置传感器；18表不离合器。
【具体实施方式】
[0033]一、节能型串联混合动力拖拉机控制方法
[0034]节能型串联混合动力拖拉机控制方法以牵引电动机作为发动机，以柴油机/发电机组作为主能源系统，以蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助能源系统，柴油机/发电机在经济性运行下，主能源系统发出电功率定值，驱动牵引电动机高效运行，当电功率定值大于牵引电动机需求电功率时，由辅助能源系统储存多余电功率；当辅助能源系统SOC值高于设定值时，主能源系统停止工作，由辅助能源系统单独供能。当拖拉机工作出现负载功率突增时，由辅助能源系统提供负载突变电功率。上述“/”表示“和”的意思。
[0035]如图1所示的串联混合动力拖拉机中，以混合动力拖拉机的柴油机/发电机组作为主能源系统，其中，柴油机始终以其最小燃油消耗率下的工况运行，运行过程中，主能源所发电功率Pge-基本恒定。以蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助能源系统。驱动系牵引电动机通过控制模块控制始终运行在高效工况附近，由于电机的高效工况并不是全负荷工况，因此该模式下运行的拖拉机能量流无法平衡，高效运行的电动机未必总能完全消耗主能源所供电能，会产生柴油机/发电机发出的多余电功率PMgin。因此使用辅助能源系统储存这部分能量，并储存再生制动产生的能量。结合图2所示SOC控制策略，在当其SOC值高于设定值时，柴油机/发电机组停止工作，由辅助能源系统单独供能，将这部分储存的能量释放出来。图2中SOC1ot指设定的电能存储装置的最小荷电量，SOCttjp指设定的最大荷电量。
[0036]上述控制方法可适用于采用手动变速器的串联混合动力拖拉机；或用于在保留动力桥和车身结构的基础上以现有传统机型为装机对象的串联混合动力传动系。下面给出具体的采用该控制方法的串联混合动力拖拉机的使电动机高效运行的控制系统及控制方法。
[0037]二、节能型串联混合动力拖拉机的电动机高效运行控制系统
[0038]节能型串联混合动力拖拉机的电动机高效运行控制系统如图3所示，控制系统包括踏板1、踏板位置传感器2、通信总线3、逻辑模糊控制器4、电机控制器5、牵引电动机6、智能处理模块7、变速器输出轴8、转速传感器9、转矩传感器10、变速器11、变速器输入轴12、倒档位置传感器13、4档位置传感器14、3档位置传感器15、2档位置传感器16、I档位置传感器17和离合器18。
[0039]智能处理模块7采用寻优搜索算法对以期望牵引力为中心正负某范围牵引力内的电动机效率进行寻优或者采用针对电动机效率的实验并进行回归分析得到相关最高效率的分段函数，得到电动机效率最大时的期望输出转速连同期望转矩输入电动机控制器；智能处理模块7可分析期望牵引力下使电动机高效运行的行驶速度，以便得出电机高效运行下的参照输出转速；踏板位置传感器2、档杆位置传感器(包括1-4档及倒档位置传感器)、逻辑模块控制器4和智能处理模块7之间采用CAN总线作为通信总线3。
[0040]逻辑模块控制器4包括模糊化算法模块、推理模块、解模糊模块。
[0041]转速传感器采用磁电式转速传感器，安装于变速器输出轴旁边，通过间接测量的方法，测量行驶速度信号，并以此信号作为控制过程的反馈信号之一；转矩传感器采用金属电阻应变片转矩传感器，安装于变速器输出轴上，其弹性元件为转轴，转轴的应变可以引起应变片的电阻发生改变，从而可通过间接测量的方式得到负载牵引力信号，并以此信号作为控制过程的反馈信号之一；转速传感器和转矩传感器输出连接电动机控制器。
[0042]踏板位置传感器采用磁阻式角度传感器，安装于踏板位置，提取瞬间油门踏板的位置信号，将其转化为电信号传递给控制模块，逻辑模糊控制器4和智能处理模块7凭此信号得出踏板开度变化大小和变化率大小；1档位置传感器、2档位置传感器、3档位置传感器、4档位置传感器和倒档位置传感器采用压电式传感器，贴于档杆导向框板各档位置槽内侦U，当档杆进入该档位的槽内时，触碰挤压压电传感器，产生此时的档杆位置信号。
[0043]三、节能型串联混合动力拖拉机的电动机高效运行控制方法
[0044]节能型串联混合动力拖拉机的电动机高效运行控制方法的步骤如下；
[0045]( I)通过踏板位置传感器和档杆位置传感器分别采集拖拉机油门踏板开度及档杆位置信号，并将信号通过CAN总线上传给逻辑模糊控制器和智能处理模块；
[0046](2)智能处理模块根据油门踏板开度及档杆位置信号求得期望牵引力、期望输出转矩；
[0047](3)根据期望输出转矩以电动机效率的数学模型为优化目标进行搜索寻优，得到电动机效率最大时的期望输出转速；[0048](4)将期望输出转速、期望输出转矩输入电动机控制器，对电动机的运行进行控制。
[0049]步骤(2)中是根据油门踏板开度大小占踏板最大开度的比例估算驾驶员期望输出转矩(此处期望转矩是指中央传动处转矩，可以理解为车轮处输出转矩需求；由于电动机的输出转矩于车轮后桥处输出转矩之间，在达到附着极限之前的差别为主减速器和变速器的速比作用，二者之间为定比关系。)。具体方法为，以某180马力拖拉机为例，设计其传动系统为:某156kW柴油机/发电机组作为其主能源，某130kW电动机作为其发动机，匹配蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助电源，以国内某品牌180马力拖拉机为装机对象，保留其车桥及车身部分，对其设计4档变速器进行功率变换。经理论分析计算和计算机仿真，此串联混合动力传动系满足原机性能需求。根据档杆位置信号判断当前工况所处档位，根据此档位下的有效牵引力范围，如图4、图5所示，以其踏板最大开度对应该档位下的最大有效牵引力，以1/N踏板开度对应其牵引力最小值，以其中间的(N-l)/N踏板开度范围对应其期望牵引力变化范围。如驾驶员踏踏板深度为A (根据具体使用的踏板位置传感器得到)，最大开度为B，n档位下的最大有效牵引力为Fmax.n，此时驾驶员的期望牵引力大小可估算为:
【权利要求】
1.节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，以牵引电动机作为发动机，以柴油机/发电机组作为主能源系统，以蓄电池组或蓄电池/超级电容组作为辅助能源系统，其特征在于:柴油机/发电机在经济性运行下，主能源系统发出电功率定值，驱动牵引电动机高效运行，当电功率定值大于牵引电动机需求电功率时，由辅助能源系统储存多余电功率；当辅助能源系统SOC值高于设定值时，主能源系统停止工作，由辅助能源系统单独供能。
2.根据权利要求1所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，当拖拉机工作出现负载功率突增时，由辅助能源系统提供负载突变电功率。
3.根据权利要求2所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，所述驱动牵引电动机高效运行的方法步骤如下: (1)采集拖拉机油门踏板开度及档杆位置信号； (2)根据油门踏板开度及档杆位置信号求得期望牵引力、期望输出转矩； (3)第一种方式:根据期望输出转矩以电动机效率的数学模型为优化目标进行搜索寻优，得到电动机效率最大时的期望输出转速；或者是第二种方式:采用针对电动机效率的实验并进行回归分析得到相关最高效率的分段函数，根据期望牵引力求的期望车速，根据当前传动比得到该期望车速下的期望输出转速； (4)将期望输出转速、期望输出转矩输入电动机控制器，对电动机的运行进行控制。
4.根据权利要求3所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于:所述步骤(2)中是根据油门踏板开度大小占踏板最大开度的比例估算驾驶员期望输出转矩，设踏板深度为A，最大开度为B，n档位下的最大有效牵引力为Fmax.n，此时期望牵引力大小估算
5.根据权利要求4所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)的第一种方式中以牵引电动机效率的理论数学模型作为目标函数，对以期望牵引力为中心的正负F kN(Fwant- F，Fwant+ F )为范围采用智能区域搜索算法进行搜索寻优，得到搜索范围内使目标函数最优即电动机效率最高时的工作点(Fbest, Vbest),其中Fbest e (Fwant-F，Fwant+ F )，以Vbest代替Fwant下的使牵引电动机最高效运行的期望车速，当前传动比得到该期望车速下的期望输出转速。
6.根据权利要求5所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，所述智能区域搜索算法为鱼群算法、蚁群算法或粒子群算法。
7.根据权利要求4所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)的第二种方式是通过设计实验绘制不同档位下电动机的运行效率曲线，通过采集电机台架试验以及负载试验数据绘制等效率曲线的方式得到一条平滑的曲线，使该曲线通过电机运行高效率曲线区域；采集曲线上的点，进行回归分析，拟合相关函数，以得到不同档位下的分段函数。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)之后，定时采集拖拉机油门踏板开度及档杆位置信号，判断是否需要重新进行期望输出转速的计算，如果是，则重新执行步骤(2)至(4)，电动机控制器采用新的期望输出转速进行控制；如果不是，电动机控制器采用上次的期望输出转速进行控制。
9.根据权利要求8所述的节能型串联混合动力拖拉机的控制方法，其特征在于，对是否需要重新进行期望输出转速的计算是首先判断档杆位置是否变化，若是变化则需重新计算，若是没有变化则再采用`关于踏板开度、踏板开度变化率构成的模糊规则进行判断。
【文档编号】B60W10/08GK103625462SQ201310332347
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月1日 优先权日:2013年8月1日
【发明者】徐立友, 刘孟楠, 周志立, 王伟, 李晴, 方树平, 刘海亮, 游昆云, 王心彬 申请人:河南科技大学