论串联式混合动力拖拉机能量管理措施探究

宋建民

摘 要：本文主要从拖拉机的串联式混合动力系统概述出发，探讨了串联式混合动力拖拉机能量管理措施。

关键词：串联式混合动力系统；能量管理；拖拉机

一、拖拉机的串联式混合动力系统的概述

串联结构的特点是通过电力形式来复合的，发电机通过发动机的直接驱动对储能装置和牵引电机的正常进行提供电源，电动机的作用是使拖拉机的车轮驱动，储能装置的作用是调节发动机输出和电动机需求的。拖拉机的串联式混合动力系统是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，采用串联的形式将发动机、发电机和驱动电动机组成拖拉机的驱动系统。电动拖拉机的发电系统由发动机和发电机组成，电能供应会使得电动机或动力电池组被驱动，进而使它的行驶里程得到延长。发动机和发电机组成的供电系统可以提高电源，但发动机并不是直接参与拖拉机的驱动的。

这种电动拖拉机发动机的使用类型并不固定，主要可以从以下四种中进行选择：一是，四冲程内燃机；二是，二冲程内燃机；三是，转子发动机；四是，燃气轮机。在发动机和发电机构成的供电系统中，发动机的转速保持在一定范围内，并且不受运行工况的影响，它的运行状态经常保持在低能耗、高效率和低污染阶段。

串联式混合动力拖拉机的驱动系统结构比较简单，在拖拉机底盘上布置有动力电池组、发动机和发电机组成的供电系统以及驱动电动机，且它们的布置有较大的自由度，且没有固定的位置。串联式混合动力拖拉机的控制系统也比较简单，因为只有唯一的电动机驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于EV。但是它必须装置在一个大功率的发动机和发电机构成的供电系统中，再用驱动电动机来驱动拖拉机。要说明的是，发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近于最大驱动功率，且在热能→电能→机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车。值得注意的是，因为发动机、发电机和驱动电动机这三大动力总成，不仅体积较大，而且质量也较重，同时还要加上庞大的动力电池组，因此使其在中小型汽车布置上有一定的困难，一般适合大型客车采用，所以在拖拉机中应用是一大突破。

二、串联式混合动力拖拉机能量管理措施

1.串联式混合动力拖拉机的能量流动路线

串联式混合动力拖拉机的能量流动路线有以下几条：第一条：能量由电池出发，经过控制器、电动机、变速器到达驱动桥；第二条：能量由发动机出发经过发电机、控制器、电池、电动机、变速器到达驱动桥；第三条：能量由发动机出发经过发电机、控制器、电动机、变速器到达驱动桥；第四条：能量由驱动桥经由变速器、电动机、回到电池。

2.串联式混合动力拖拉机的能量管理措施

串联式混合动力车辆，一般主要有恒温器式的能量管理策略和跟随式的能量管理策略，这两种能量管理策略，但是对于串联式混合动力拖拉机的能量管理方式是基于以上两种方式产生的，分别为恒温器式能量管理策略、功率跟随式能量管理策略，目前主要是使用这两个策略来对串联式混合动力拖拉机的能量进行管理的。

（1）恒温器式能量管理策略。恒温器式能量管理策略的运行机制主要是根据电池荷电状态，即SOC值来确定发动机的状态是开启或者关闭，并且要使发动机的工作处于最佳时机。这个最佳时机是根据发动机的特性图，预先来计算出燃油消耗的最低时发动机转速和转矩的关系。其内容是：一，当电池SOC值小于最小SOC值时，发动机开始进入工作状态，驱动发电机向电池充电来维持电量平衡；二是，当电池SOC值大于最小SOC值且小于最大SOC值时，发动机维持现在的工作状态；三是，当电池SOC值大于最小SOC值时，发动机被关闭；四是，发动机工作时，处于最佳工作点。

（2）功率跟随式能量管理策略。功率跟随式能量管理策略运行机制，是通过电机与电池组的工作状态来进行发动机工作点的调节的，经发电机向电池组充电。以燃油消耗最低和电池组的工作寿命最长为控制目标。其内容如是：一是，当电池SOC值大于最大SOC值时，发动机停止工作，但是当拖拉机所需求的功率太大时，发动机会重新启动；二是，当电池SOC值小于最小SOC值时，发动机需要工作；三是，在发电机工作时，发电器的功率输出不仅要跟随拖拉机的功率需求的变化，同时还要维持电池SOC处于工作范围的中间值附近，并且要工作于该输出功率对应的最佳工况点，此时的最佳工况点就是效率最佳工况点。四是，发动机工作时，它的输出功率一直处于指定范围内，来保证较高的效率；五是，发动机工作时，它的输出功率的变化率不能超过规定值。

另外还有一种能量管理策略它的效果比以上这两种策略更好，那就是模糊控制策略，它可以表达串联式混合动力拖拉机控制当中难以精确定量表达的规则。本文不对它进行系统研究。