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。     

双流耦合构型混合动力拖拉机旋耕工况控制策略研究

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动,为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响,提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型,以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提出了基于功率预测的转矩分配策略,首先记录拖拉机的作业参数,基于径向基神经网络对拖拉机旋耕作业时的功率需求进行预测,由Haar小波变换确定高频和低频转矩需求值的范围,并分别由电机和发动机提供。最后,通过硬件在环试验对提出的动态转矩分配进行了可行性验证,测试结果表明：提出的基于神经网络功率需求预测模型对行驶端和动力输出端 (Power take-off,PTO)的功率进行预测,实际值和预测值均方根误差分别占最大功率的7.6%和7.9%;提出的转矩分配策略能够应对拖拉机旋耕时的载荷波动。发动机转矩波动与传统构型相比减小35.0%,有效地缩小了发动机转矩波动范围,缓解了拖拉机作业时载荷冲击对发动机的影响。     

双能源电动拖拉机能量管理策略

针对单一能源电动拖拉机无法适应田间复杂作业工况的问题,提出一种基于锂离子电池和超级电容的双电源电动拖拉机。结合拖拉机作业实际,对负荷和能耗相对较重的犁耕作业工况采用双能源供电模式,双能源之间的功率分配采用模糊控制策略。结果表明,与采用单一能源相比,对双电源采用能量管理控制后,双电源输出的功率之和能够很好的满足电机功率需求,锂离子电池的平均工作电流和峰值工作电流下降幅度分别达到67.9%和58.7%,一次充满电后连续作业时间延长约9.17倍。因此,采用双电源结构和合理的能量管理控制策略,拖拉机一次充电连续作业时间得到延长的同时,锂离子电池的寿命也得到延长。     

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。     

双电源电动拖拉机能量管理仿真研究

通过分析拖拉机各个作业工况下的能量需求,提出了一种以超级电容作为辅助电源的新型纯电动拖拉机结构及能量管理研究方案,阐述了电动拖拉机在典型作业工况下的能量流动方式,并对拖拉机关键部件参数进行了匹配;建立了双电源纯电动拖拉机模型,制定了复合电源能量管理模糊控制策略,对该复合电源拖拉机在各作业工况下的动力性能和作业时间进行评价。结果表明:采用复合电源后的电动拖拉机在加速性能、牵引力等方面得到了较大提升,在犁耕时减少了拖拉机动力电池大电流放电次数,一次充电作业时间也得到了一定提升。该研究可为电动拖拉机样机研发、动力参数匹配及动力总成匹配提供技术支持。     

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。     

增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型研究

以双电机独立电驱动增程式电动拖拉机旋耕机组为对象,提出一种适用于旋耕作业的双输入变量后向建模方法,即在模型中将行驶速度和动力输出轴旋耕转矩作为输入量,设计了双电机独立驱动增程式电动拖拉机动力系统能量管理模型。针对旋耕作业特性,提出一种基于实测数据与经验公式相结合的设计方法,建立了旋耕工况周期模型。基于动态规划算法,分别对其进行旋耕作业仿真试验和台架试验,结果表明：仿真试验结果与台架试验结果吻合度较高,能量管理模型能够很好地描述增程式电动拖拉机在给定旋耕工况下各电机功率、发电机组功率和动力电池组荷电状态的变化情况,且仿真试验和台架试验中燃油消耗量分别为4 065.5 g和3 994.7 g,其相对误差为1.77%,验证了建立的增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型的合理性和准确性。     

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...     

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。     

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。     

纯电动拖拉机动力系统设计及性能分析

针对传统燃油拖拉机油耗高、污染大、变速器结构复杂、底盘布置柔性化差等缺点,提出一种纯电动拖拉机动力系统传递方案。基于东方红—200P型拖拉机,通过理论计算对牵引电动机、变速器、动力电池组等主要部件完成选型,并在充分考虑滑转率影响下分析了选型后纯电动拖拉机作业性能。结果表明,所设计纯电动拖拉机能够实现犁耕、运输等多种作业工况,在整个驱动力范围内,滑转率控制在0.028~0.122之间,处于理想范围,犁耕作业速度在6km/h时的作业时间为5.7h,满足设计要求。     

拖拉机作业载荷数据平台设计与旋耕作业质量预测

针对拖拉机田间试验数据不足、机组作业质量无法实时评估与准确预测的问题,设计了涵盖多参数、多工况的车载测试终端,构建了全国范围的田间作业试验拖拉机作业载荷数据平台系统,以获取拖拉机各关键零部件的田间作业载荷数据。在此基础上,研究了准确预测、评价拖拉机田间旋耕作业质量的智能算法,为产品研发、性能预测以及作业评估提供全面的基础数据与可靠的预测结果。基于农业大数据,融合BP神经网络与遗传算法对数据平台基础作业载荷进行分类挖掘,预测评价了拖拉机田间旋耕作业质量,结果表明,基于遗传算法的神经网络预测精度高达96.77%,均方根误差(RMSE)小于0.01,说明拖拉机作业载荷数据平台的基于遗传算法的神经网络预测模型可准确预测评价拖拉机田间旋耕工况的作业质量。     

深松与旋耕组合作业机具的开发

根据拖拉机农具机组匹配理论研制出与中等功率轮式拖拉机配套,能进行深松、旋耕组合作业的机具。以单位耕作面积所消耗的功率等参数进行机具总体参数的计算,对机具作了动力学分析,并进行了单独深松、单独旋耕以及组合工况的试验。试验表明,机具深松扰动影响宽度和旋耕宽度相匹配,旋耕作业时波动范围较小,偏牵引力矩对拖拉机行驶稳定性基本没有影响,所设计的组合作业机具能对农田实施保护性耕作。     

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。     

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。     

拖拉机传动系轴类零部件耐久性台架试验程序载荷谱研究

基于传统拖拉机作业工况复杂、轴类零部件受多重载荷耦合作用易损坏以及配套耐久性台架试验操作复杂、费用昂贵、试验时间长等问题,提出了一种能模拟实际循环工况、简化加速传动系轴类零部件耐久性试验的程序载荷谱编制方法.针对拖拉机田间犁耕作业工况,建立了动态扭矩测试系统,可抵抗土壤-机器-植物系统多重相互载荷干扰,准确获取传动系传...     

电动拖拉机底盘多目标优化设计

针对目前电动拖拉机底盘布置研究相对较少的情况,基于现有的整机匹配结果进行了底盘布置设计,利用三维建模软件建立模型,输入质量参数,提取整机主要零部件重心位置参数,然后通过分析拖拉机牵引机组作业时的力学特性,建立相关数学模型。以电动拖拉机的牵引效率和整机质量作为优化目标,采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。综合考虑了犁耕作业下拖拉机的稳定性要求、驱动力要求、载荷波动情况以及传动系和行走系零件寿命等影响因素,制定了算法运行的约束条件,建立了约束方程组。以电动拖拉机的使用重力、前后电池组的质心和整机质心为目标变量,推导出动力性和经济性最优的目标函数。通过ModeFRONTIER平台,采用NSGA-Ⅱ算法对电池分布式方案进行了多目标优化。两种不同耕深条件下的优化结果对比分析表明,按照本文方式优化布置后的电动拖拉机在耕深为180mm时,优化后的整体质量与经验法相比减少了14.3%,配重质量为25.3kg;耕深为240mm时,优化后的整体质量与经验法相比减少了10.3%,配重质量仅为4.4kg,说明在牵引工况下无需额外增加配重就能达到良好的牵引性能。与经验法相比,两种耕深条件下拖拉机的配重都小很多,说明基于传统拖拉机的配重经验法计算并不适用于电动拖拉机,同时也能说明,电动拖拉机因自身总质量超过同功率段传统拖拉机,可以通过合理设计底盘布置方案,在没有配重的情况下达到理想的牵引效率。优化后的电动拖拉机底盘布置方案,在作业工况下驱动轮滑转率小于特征滑转率,整机牵引效率明显提高。     

拖拉机多段液压机械CVT犁耕作业动态仿真

针对装备多段液压机械式CVT(HMCVT)拖拉机在犁耕作业下的动态特性,运用动力学基本原理建立拖拉机动力学模型,包括发动机、多段液压机械式CVT变速器、中央传动和行走负载机构动力学模型。通过控制发动机油门和转速信号,仿真出拖拉机犁耕时车速、驱动力和加速度的动态响应。仿真结果表明:在调节发动机油门时车速平稳变化,而驱动力和加速度在开始调整时出现剧烈波动,而后平滑过渡直至稳定,并且牵引负载对拖拉机加速度存在明显的影响。仿真结论:装备多段HMCVT拖拉机在犁耕作业时具有良好的动态特性,为制定装备多段HMCVT拖拉机经济性最佳的动态控制策略奠定了基础。