增程式电动履带拖拉机设计与试验

针对缺乏适宜温室大棚作业的小功率电动拖拉机的问题,本文设计了一台10 kW增程式电动履带拖拉机,完成了工况分析、电驱系统设计和试验。针对行走、旋耕、开沟工况进行了性能测试,试验结果表明所设计的增程式电动拖拉机能够实现传统燃油履带式拖拉机所具备的功能。测试结果表明,速度4.8 km/h行走工况电动机消耗功率约为3.2 kW,速度2 km/h旋耕作业工况电机消耗功率约为3.75 kW,速度2 km/h开沟工况电机消耗功率约为3.3 kW。当前电池配置下,可以支持行走工作2.2 h,旋耕工作1.9 h和开沟工作2.1 h,纯电模式基本满足小规模温室大棚零排放作业需求。需要持续大负载工作时,增程式电动拖拉机可以启动增程器与电池协同供电以实现持续工作。     

双电机功率分汇流纯电动拖拉机能量管理策略

针对双电机耦合驱动的电动拖拉机工作模式的切换及不同工作模式的动力分配问题,在MatLab/Simulink中搭建能量管理系统的仿真模型,研究基于瞬时优化的模式识别策略和基于模糊控制的动力分配策略,从而建立双电机功率分汇流电动拖拉机能量管理策略。仿真结果表明:在转场工况下,能及时跟随车速需求;在转场、犁耕、旋耕工况下,拖拉机等速巡航时节能率分别为14.81%、9.72%、6.15%,且提高了电池能量的利用率。     

电动拖拉机双电机耦合驱动系统传动特性研究

针对单电机驱动型式的电动拖拉机难以满足农田作业多工况的问题,提出了一种基于行星齿轮耦合的双电机驱动系统。根据电动拖拉机动力传动系统的结构方案,按多种作业类型对双电机耦合驱动系统的驱动模式进行分析。采用试验数据模型和理论模型相结合的方法,建立电动拖拉机驱动系统关键部件效率模型和整机纵向动力学模型,在此基础上搭建了电动拖拉机控制仿真试验模型。针对不同驱动模式设计了驱动系统综合控制策略,通过仿真试验得到两电机的功率分配规则。在搭建的传动性能试验平台上对双电机耦合驱动系统进行恒定负载试验和牵引性能试验。试验结果表明,两种试验条件下,主、副电机的功率分配比变化范围为1. 07～2. 73,恒定负载试验中,功率分配比为1. 88时系统效率最高,牵引性能试验时,功率分配比为1. 86时系统效率最高。双电机驱动系统能够跟随负载变化按照功率分配规则实现两电机的功率分配,满足作业负载的同时降低了功率损耗。     

双电机驱动电动拖拉机实时自适应能量管理策略研究

提出了一种用于纯电动拖拉机的双电机多模动力耦合驱动系统（DMCDS）,通过对两电机与制动器的协调控制可以实现4种驱动模式：电机EM_S独立驱动、电机EM_R独立驱动、双电机耦合驱动和双电机独立驱动,多种驱动模式有利于提高电机负荷率和运行效率,从而提高整机驱动效率。为实现双电机动力耦合驱动系统的高效运行,增强能量管理策略对电动拖拉机不同作业工况的适应性,设计了一种基于随机动态规划+极值搜索算法（SDP_PESA）的实时自适应能量管理策略,该策略利用随机动态规划离线生成的状态反馈控制表作为控制输入参考,以保证近似全局最优,在此基础上,引入自适应寻优算法-极值搜索算法动态搜索系统输出的局部极大值,以反馈校正SDP的控制输入,并生成能耗更低、效率更高的工作点。基于SDP_PESA的能量管理策略综合考虑了全局优化算法的良好优化性能和瞬时优化算法的实时性、鲁棒性,利用两种算法的优势,实现更加优异的控制性能。基于Matlab/Simulink建立了带有SDP状态反馈控制表的双电机驱动电动拖拉机（DMET）整机仿真模型,利用真实作业工况数据分别对基于SDP和SDP_PESA的能量管理策略进行仿真实验。仿真结果表明,DMET实际车速可以实时跟踪目标车速的变化,控制策略能够快速响应作业负载的变化;基于SDP的能量管理策略,DMET在犁耕和运输工况的每千米平均耗电量分别为1.77、1.17kW·h/km,整机驱动效率分别为0.80和0.81。引入PESA输出反馈控制器后,整机驱动效率分别提高了2.13%和1.97%,平均耗电量分别降低了10.17%和16.2%,这表明基于SDP_PESA的能量管理策略可以有效增加纯电动拖拉机的作业里程,并且SDP_PESA完全具备实时应用能力。     

增程式电动拖拉机研究进展

传统电动拖拉机存在续航里程低、难以满足大功率段作业需求等问题,增程式电动拖拉机是在传统电动拖拉机基础上增加一套附加动力驱动装置,较好地兼顾经济性与动力性需求,是未来电动拖拉机的主要发展方向之一。在综述增程式电动汽车动力系统研究、能量管理控制策略等主要技术基础上,重点阐述增程式电动拖拉机在动力系统设计、与传动系统的参数匹配与优化算法、转矩分配以及能量管理的研究等方面的研究进展,指出：精准化、智能化以及如何在电耗以及油耗间寻求一个更好的平衡点,提升电能利用率、降低油耗,是未来增程式电动拖拉机得以推广的关键以及主要发展方向;针对增程式电动拖拉机的建模应充分考虑到拖拉机的诸如运输、犁土、翻土、整地等不同的作业需要,未来可以在基于一定数据分析基础上,全面考虑实际作业需求,实施个性化、精准化建模与参数设计,提高准确性;在充分分析增程式电动拖拉机作业特性与能量需求的基础上,可开展适应增程电动拖拉机的电池及相关技术研发,提升续航里程。     

增程式电动拖拉机驱动系统设计

使用单一能量系统的电动拖拉机驱动系统存在续航里程较低及难以适应较大功率段拖拉机作业的问题。为此,通过论证增程式电动拖拉机结构方案,研究了增程式电动拖拉机驱动系统设计方法。以东方红132.3k W拖拉机为实例,计算了主要动力参数,并基于AVL-Cruise平台,采用发动机启停+定点能量管理策略,对其动力性和经济性进行了仿真分析。结果表明:与传统拖拉机相比,增程式电动拖拉机最大爬坡度提高了6.1 2%,最大牵引力提高了4.3%,综合油耗降低了5.3 7%。该研究可为设计较大功率段电动拖拉机提供一定的理论参考。     

基于庞特里亚金极小值原理的混合动力拖拉机节能控制

以某并联式柴电混合动力拖拉机为研究对象，分析其拓扑结构特点及工作特性，构建拖拉机旋耕、犁耕耦合动力学模型，以整机等效燃油消耗量最小为目标，电机功率和柴油机功率为控制变量、电池荷电状态为状态变量，建立基于庞特里亚金极小值原理的节能控制策略，基于Matlab仿真平台对该节能控制策略进行仿真试验。结果表明：与基于最佳经济性曲线的节能控制策略相比，所制定的基于庞特里亚金极小值原理节能控制策略能够合理控制柴油机和电机的运行状态，使柴油机、电机工作在高效率区，有效降低了拖拉机田间作业时的等效燃油消耗量。旋耕工况下，等效燃油消耗量降低10.44%;犁耕工况下，等效燃油消耗量降低11.20%。     

微型电动拖拉机驱动系统设计

提出了以电动机作为动力的微型电动拖拉机驱动系统方案,在对微型电动拖拉机牵引作业和旋耕作业工况特性进行分析的基础上,给出了电动机所需功率的计算方法,选配了相应的电动机和调速装置;确定了传动系统的传动比,设计了传动系统机械结构;所设计的驱动系统依靠调节电动机的控制装置能实现微型电动拖拉机常用工作速度之间的无级变化。计算结果表明,所设计的电驱动传动系统能满足不同工况下的需求。     

电动拖拉机驱动系统设计与研究

基于25马力电动拖拉机设计其驱动系统,对电动拖拉机电气系统和机械系统的设计理论和计算方法深入研究,完成了对驱动电机、变速器、动力电池组的参数设计和选型。基于ADVISOR建立了电动拖拉机驱动系统仿真模型,对驱动系统的运输作业和犁耕作业两种工况进行了仿真。研究表明:整车动力性能和续航能力均满足作业需求。动力电池组一次充电后以5km/h进行犁耕作业最长约为6.7h,满足连续工作6h的性能要求,为驱动系统设计仿真出有效的设计参数。     

拖拉机双向耦合电驱动系统设计与性能分析

针对双电机驱动电动拖拉机的多工况作业需求,提出了一种电动拖拉机双向耦合装置结构基本方案。在对行星齿轮机构传动理论研究的基础上,对提出的方案进行拓扑设计,推导各个方案的转速转矩关系式,通过分析其传动特性,优选出最终方案。对优选出的方案进行动力匹配、参数计算及参数化建模,得到双向耦合装置的三维模型。基于ADAMS搭建耦合装置的虚拟样机模型,对其进行运动学仿真分析,并试制样机进行装机试验。基于ANSYS Workbench建立耦合装置的有限元模型,通过模态分析,求得其前10阶振型以及相应的振型图。仿真和试验结果表明：设计的电动拖拉机双向耦合装置可实现功率的双向耦合流动,且响应速度快、动力传递平稳、无较大冲击;双向耦合装置的1阶固有频率为1 905.5 Hz,高于电动机激振频率带1 020～1 380 Hz,可避免产生共振,满足电动拖拉机多工况作业需求。     

电动拖拉机综合台架试验系统设计与试验

电动拖拉机试验具有测试对象多和物理系统复杂的特点,单一试验系统不能满足电动拖拉机性能测试要求。根据电动拖拉机作业特点,通过分析其动力传动系统数学模型,确定了以电动机效率、电池组放电特性为测试变量的设计任务。采用模块化方法,设计了能源系统试验模块、动力系统试验模块和电动拖拉机综合试验系统整体方案。通过研究试验系统总体参数设计方法,得到了加载电动机、电池测试系统和直流电池模拟器等部件的参数计算模型。通过试验系统硬件选型匹配,设计了可满足90 k W以下电动拖拉机性能测试的试验系统。在该试验平台进行了电动拖拉机性能台架试验,结果表明:试验测试误差与前期仿真分析误差在10%以内,设计的综合台架试验系统对电动拖拉机部件性能测试的适用性较好,满足整机性能分析和标定的试验需求。     

基于随机载荷功率谱的电动拖拉机复合能量系统研究

拖拉机重载作业模式下负载峰值功率和高频功率存在较大随机性,单一电源方案无法有效匹配电动拖拉机负载特性。通过分析拖拉机工况负载势变量功率谱密度和电源放电特性,基于电动拖拉机通过主、辅电源对低、高频功率分流的观点,设计了采用DC-DC转换器并联超级电容器的18.5 k W电动拖拉机复合电源方案,计算了系统参数。以平衡峰值功率和高频载荷控制超级电容器功率流方向为目标,设计了基于逻辑门的双DC-DC模式控制策略。根据负载时频分析需求,构建了基于Haar小波的双通道滤波器组,设计了功率分配控制器。以标准正态分布白噪声为基波,构造拖拉机犁耕、旋耕载荷波动间的互谱函数,建立了负载模拟模块。采用CRUISE/Simulink API动态联合仿真得出:基于功率分配控制的能量管理策略能够将动力电池电功率抑制在载荷波动基频附近,犁耕作业和旋耕作业下其电功率的截止频率分别为2、7 Hz,幅值符合正偏态分布;超级电容器平衡高频载荷,其电功率符合标准正态分布。     

电动拖拉机快速原型平台测控系统设计与试验

针对目前对电动拖拉机试验平台测控系统的设计方法较少的问题,提出了一种可重构测控系统的设计方法.根据拖拉机旋耕机组的工作特性要求,搭建了一种串联式混合电动拖拉机快速原型试验平台.该平台采用双电机独立驱动结构,结合dSPACE和Matlab/Simulink建立了实时测量控制系统,提出了通信模块化和控制策略模块化的设计方法...     

复合电源电动拖拉机能量管理策略研究

针对电动拖拉机作业工况复杂,而基于优化的能量管理控制策略存在对工况依赖性强、控制滞后、不适合拖拉机作业实时控制的问题,制定3种典型的基于规则的能量管理策略,通过Amesim和Matlab/Simulink联合仿真。结果表明：在道路运输工况下,逻辑门限的控制策略的蓄电池输出电流比较平缓,内阻消耗最低,相对于单电源电动拖拉机,内阻消耗降低8.92%;在犁耕工况下,基于模糊的控制策略的蓄电池输出电流相对保持在较小的区间,而且内阻消耗也最低,相对于单电源电动拖拉机降低3.77%。研究表明,增强电动拖拉机能量管理策略的鲁棒性,才能有效地提高其经济性。     

不同旋耕作业载荷下拖拉机动力输出传动系振动特性分析

为研究拖拉机旋耕作业载荷对动力输出传动系振动特性的影响,采用系统动力学建模、台架试验验证、田间试验与仿真分析相结合的方法加以分析。首先,在分析动力输出传动系结构的基础上,建立了描述其载荷传递机理的扭振耦合空间动力学模型,此模型详细考虑了横向和垂向的齿轮啮合传递效应。其次,利用拖拉机PTO加载试验台对模型的仿真结果进行试验验证,验证结果表明：横向和垂向的啮合频率误差最大分别为4.24%和5.12%,满足建模要求。然后,搭建了由无线扭矩传感器、北斗定位系统等组成的作业数据采集系统,分别采集了拖拉机在L1（2.07km/h）、L2（3.10km/h）、L3（5.29km/h）常用挡位下的田间旋耕作业数据,田间试验结果表明：旋耕作业的载荷水平和波动范围均随着作业挡位、行驶速度的升高而增大。最后,利用所建立的动力学模型仿真分析了不同作业挡位PTO负荷对齿轮传递特性的影响,结果表明：拖拉机旋耕作业挡位越高,由PTO载荷波动所引起的传动系振动位移越大,而且主要体现在横向振动。     

温室电动拖拉机旋耕稳定性时序分析与前馈PID控制方法研究

针对温室小型农机对地面平整度敏感,微小的地面起伏便会造成机具俯仰的情况,基于课题组已开发的温室电动拖拉机,将基于时间序列分析的角度预测方法引入前馈PID控制(Angle prediction and feedforward PID,APF-PID),解决了温室旋耕作业中因机具俯仰而出现的响应性差、耕深不稳定和功率突变的问题。建立了温室电动拖拉机旋耕作业的功率模型,并建立了俯仰角-耕深的转换矩阵,得到了旋耕系统实际耕深的转换值;采用时间序列分析预测机身俯仰角,并作为旋耕系统的扰动输入;结合耕深的转换值和预测得到的扰动,采用APF-PID控制器调节旋耕系统的提升机构,将旋耕机维持在目标耕深;在温室内未旋耕和已旋耕的两种地块进行实车试验。结果表明：俯仰角时序预测模型的相关系数可达0.983 2;APF-PID控制的控制性能优于PID控制,在目标耕深6 cm的测试路面中,APF-PID在两种试验地块上的平均耕深分别为6.47 cm和6.44 cm,均方根误差为0.80 cm和0.72 cm,绝对平均误差为0.67 cm和0.58 cm,耕深稳定性系数为89.95%和91.30%,消耗的总能量较...     

基于作业工况和退役锂离子电池的电动拖拉机电源系统优化

针对电动拖拉机制造成本高的问题,提出一种基于作业工况和退役锂离子电池的电动拖拉机电源系统优化方法。采用分选后的退役锂离子电池单体对电动拖拉机电源系统进行参数匹配,对电池PNGV等效电路模型进行参数辨识后,基于作业工况和退役锂离子电池,以电动拖拉机经济性最优为目标设计目标函数,以电动拖拉机功率需求与续航时间要求制定约束条件,对电动拖拉机电源系统进行参数优化。以实例计算对优化结果进行试验验证,采用退役锂离子电池对电动拖拉机电源系统优化方案与新电池进行对比。结果表明：该参数匹配方法通过退役锂离子电源系统,可满足电动拖拉机使用需求,并降低电源系统成本。成组价格为新电池的29.4%,综合成本为新电池的36.9%,可为电动拖拉机退役锂离子电池电源系统设计提供参考。     

基于动态规划的电动拖拉机动力电源能量控制策略研究

针对纯电动拖拉机能量利用率低、续航里程不足的问题,提出了基于超级电容和蓄电池复合的纯电动拖拉机动力电源系统。通过分析纯电动拖拉机的作业工况特点以及功率需求,对动力电源系统进行了拓扑结构选型和参数匹配,并以动力电源能耗最低为优化目标,应用动态规划对纯电动拖拉机的动力电源系统进行能量控制策略优化,对动态规划结果以及工况特点进行分析,总结出基于规则的动力电源能量控制策略,利用Matlab/Simulink建模对控制策略进行仿真。结果表明基于动态规划的控制策略能量消耗比基于规则的控制策略能量消耗减少了18%,证明了基于动态规划的能量控制策略在节能降耗方面的有效性。     

丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统研究

针对丘陵山地拖拉机作业地形复杂,传统电液悬挂控制系统地形适应性差的问题,设计了一套横向姿态可调的丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统。根据丘陵山地拖拉机仿形控制作业需求,在传统悬挂结构基础上加装一个液压驱动旋转装置,设计了一种仿形悬挂机构,基于液压多点动力输出技术设计了带有负载反馈的闭心式液压控制系统,并提出了一种基于带死区的经典PID算法的控制方法。通过对阀控非对称液压缸工作原理的分析,建立了其数学模型并推导出仿形控制系统的传递函数,运用Matlab/Simulink建立了电液悬挂仿形控制系统的动力学模型并进行了仿真分析,仿真结果表明,系统在0°~11°阶跃信号的作用下,调整时间约为0.4s,几乎无超调,系统稳定后农机具横向倾角约为11.1°,稳态误差约为0.1°,仿真结果验证了该控制算法的有效性。通过对传统拖拉机的液压悬挂装置进行改装,将原来的手柄操纵式液压悬挂装置改装成带有虚拟终端的电液悬挂控制系统,搭建了仿形控制试验台并进行了室内台架试验,试验结果表明,系统调整时间约为2.2s,几乎无超调,系统稳定后农机具横向倾角约为11.2°,稳态误差约为0.2°,在系统允许误差（0.5°）范围内,试验结果验证了所设计的丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统调节的快速性与稳定性,满足拖拉机等高线坡地作业需求。