一种非道路农用拖拉机串联混动专用控制方法与流程

本发明属于非道路混合动力控制，具体涉及一种非道路农用拖拉机串联混动专用控制方法。

背景技术：

1、随着我国农业机械化、智能化、绿色低碳化发展推进，非道路移动机械排放法规日趋严格，串联混合动力架构凭借田间作业低速重载工况高效、驱动平顺性佳、结构维护简单的优势，成为农用拖拉机动力升级主流方案。但目前现有串联混动控制方案多为道路车辆通用型，直接移植到农机应用领域，未针对农用拖拉机的专属作业特性进行深度优化，如土壤地阻突变，田间作业和道路运输不同场景负载不同等。在实际田间作业应用中存在电池电量过充或过放，电机输出扭矩响应滞后，电机转速随负载波动大等诸多技术缺陷，严重制约串联混动拖拉机的作业效率与可靠性。

2、现有常规控制技术的缺陷主要体现在以下方面：

3、发动机工况适配田间作业性差，燃油消耗偏高。现有混动控制策略多采用固定soc（电池荷电状态）阈值开关控制，即将实际soc值与设定soc上、下阈值做比较：当实际soc值低于下阈值时，启动发动机发电，当实际soc值高于上阈值时，关闭发动机，仅依据动力电池电量控制发动机启停，未结合犁耕、深松、旋耕等田间作业重载工况精准调节发电功率。大地块稳态作业时发动机工况点频繁偏离田间作业高效区间，土壤阻力突变、地头转向动态工况下发动机响应滞后、功率骤变，燃油燃烧效率低，整机作业油耗偏高，无法发挥串联混动发动机工况可控的核心优势。

4、动力电池工作环境恶劣，衰减速度快。现有混动控制策略动力电池充放电阈值固定，未考虑田间作业露天高低温作业、长时间持续大功率作业、土壤负载突变带来的瞬时大电流冲击。拖拉机作业中频繁出现大电流充放电、浅充浅放交替、冬季低温强制放电、连续作业深度亏电等问题，加剧动力电池内阻增长与容量衰减，缩短动力电池使用寿命，大幅提升农机后期维护成本。

5、田间作业多工况适配性不足，作业动力稳定性差。现有控制策略针对黏土地、沙土地、丘陵坡地、大地块重载等复杂田间作业工况适配性弱。田间低速重载工况动力电池频繁大功率放电、发动机启停频繁；深松、爬坡重载工况发动机发电功率跟随滞后，依赖动力电池大功率补能，易出现动力衰减、动力电池过热保护，导致机具作业深度不稳定、漏耕、作业效率下降。

6、模式切换时顿挫感明显，作业平顺性差。现有控制策略模式切换多采用硬切换逻辑，无农机作业专用过渡补偿机制，针对发动机启停、功率突变、动力电池电流骤变等场景响应滞后，易造成拖拉机整机抖动，影响耕地平整度，同时使得发动机和传动系零部件出现疲劳损伤。

7、现有农机混动相关方案，侧重能耗优化或动力电池保护，未实现动力性、节能性、平顺性、可靠性、作业连续性的多目标协同优化。负载预判能力弱，自适应能力差，无法适配全场景田间作业工况，实际应用局限性较大。

8、针对上述现有技术的不足，亟需设计一种专属农用拖拉机、田间作业多工况自适应、非线性平滑补偿、多目标协同优化的串联混动专用控制策略，解决农机作业工况适配差、作业平顺性欠佳的技术痛点。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供一种非道路农用拖拉机串联混动专用控制方法，基于拖拉机串联混动专属动力架构，构建分层式田间作业多工况多目标协同控制体系，引入非线性梯度功率调节、模糊pid控制、田间作业负载预判机制，实现犁耕、旋耕、深松、运输全作业工况动力能量最优分配，兼顾拖拉机作业节能性、动力性、平顺性与部件可靠性。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种非道路农用拖拉机串联混动专用控制方法，包括以下步骤：

3、s1、拖拉机整机状态实时高频采集；

4、s2、预设控制阈值与田间作业工况分级判定：预设基础阈值，包括动力电池soc上阈值、soc下阈值，发动机田间作业高效工作转速区间，电池正常工作温度区间，田间低速作业工况阈值，田间道路运输工况阈值；结合包括电池温度、循环次数、作业负载在内的实时工况动态修正阈值边界；根据基础阈值、动态修正阈值以及作业负载率的变化，判定拖拉机当前田间作业工况并划分四大工作模式；

5、s3、根据工况判定结果，对不同作业模式执行差异化控制；

6、s3-1、纯电作业模式：电池soc大于上阈值、车速≤5km/h且拖拉机轻载怠速工况，控制发动机停机，由动力电池单独驱动电机；

7、s3-2、高效发电稳态模式：电池soc介于上阈值与下阈值之间、犁耕、旋耕、深松稳态作业工况；控制发动机在最优经济转速，恒功率高效发电；

8、s3-3、动态功率跟随模式：拖拉机地头转向、土壤硬度突变、丘陵坡地爬坡、旋耕阻力波动、重载变载动态作业工况，通过负载趋势预判需求，以非线性梯度调节发动机发电功率，快速响应瞬态功率需求；

9、s3-4、强制充电模式：电池soc小于下阈值、电池温度＜5℃、或拖拉机长时间深松重载大功率连续作业，强制启动发动机-发电机组锁定高效发电区间，持续发电并给电池充电，为动力电池快速补能；

10、s4、作业模式非线性平滑切换补偿：在四大作业工作模式相互切换的过渡阶段，通过非线性梯度调节发电功率、模糊pid微调充放电电流、叠加动态扭矩补偿，抑制模式切换过程中整机负载波动带来的机械冲击；

11、s5、闭环修正迭代：结合动力电池寿命衰减特征与实时田间作业工况，动态修正控制参数，对控制策略进行闭环修正迭代，使控制策略持续优化，适配不同土壤、不同环境、不同作业时长场景。

12、进一步地，步骤s1中，通过拖拉机整车控制器采集整机核心运行参数，包括作业机具负载率、土壤阻力等效信号、行驶车速、油门开度、动力电池soc值、动力电池温度、发动机转速、发电机功率、驱动电机功率，通过滑动均值滤波剔除田间瞬时干扰信号，构建田间作业状态数据库，为工况判定提供精准数据支撑。

13、进一步地，步骤s2中，预设的基础阈值为：动力电池soc上阈值=78%，soc下阈值=28%；发动机田间作业高效工作转速区间：1600r/min～1900r/min；电池正常工作温度区间：5℃～50℃；田间低速作业工况阈值≤18km/h，田间道路运输工况阈值≥18km/h。

14、进一步地，步骤s2中，动态阈值修正包括依据电池温度和电池循环次数，动态修正最大充放电电流：

15、当电池温度低于5℃时，soc下阈值动态上调至34%，限制电池放电功率为45%；

16、当电池充放电循环次数超过900次，内阻增加20%，下调最大充放电电流为22%；

17、当电池充当电循环次数小于900次，内阻增加小于5%时，最大充放电电流不下调；

18、当电池充当电循环次数小于900次，内阻增加大于5%且小于15%时，最大充放电电流下调当前值的10%，实现动态调节。

19、进一步地，动态修正阈值还包括：当拖拉机处于深松、犁耕重载作业时，动态拓宽发动机高效发电功率区间，提升负载预判功率响应速率。

20、进一步地，步骤s3-3中，动态功率跟随模式的控制逻辑为：整车控制器根据前300ms土壤阻力与负载变化趋势预判后续功率需求，实时调节发动机喷油量与转速，动态调整发电机发电功率；发动机功率调节速率采用非线性梯度控制，基于实时转速和负载，在标定的油量map中确定合适的喷油量，喷油量由发动机发电侧需求负载闭环控制，负载上升时同步提升喷油量，实现发动机功率平稳变化，瞬时大功率需求时，发动机发电功率叠加电池瞬时补电功率，快速响应田间作业动态负载；小功率波动时，以发动机功率微调为主、电池小幅补偿为辅，兼顾动力响应与能耗稳定。

21、进一步地，步骤s3-4强制充电模式时，发电功率优先满足拖拉机驱动功率需求，剩余电能为动力电池补电，快速抬高电池soc，改善电池低温工作状态，同时限制驱动电机最大输出扭矩，降低整机瞬时功率，避免电池持续亏电工作，保护动力电池核心性能。

22、进一步地，步骤s4中，工作模式切换时，采用非线性平滑补偿算法，规划发动机-发电机新旧发电功率随时间变化的轨迹，发动机发电功率采用二次非线性梯度增减方式，实现发电功率平滑过渡，满足驱动电机需求。

23、进一步地，s4中，工作模式切换时，根据模式切换前后的功率差值，叠加动态扭矩补偿系数，补偿扭矩不超过电机额定功率的35%，防止电机过载。

24、进一步地，闭环迭代机制分为两条并行优化链路，电池侧自适应修正：实时采集电池循环次数、内阻、容量衰减数据，通过非线性衰减系数动态调整充放电阈值与最大电流限制，让控制策略始终适配电池全生命周期的性能变化；

25、工况侧自学习优化：通过路谱采集统计黏土地、沙土地、丘陵坡地多类典型田间场景的能耗数据，生成专属综合路谱map，和发动机万有map、电机效率map交叉比对，自动筛选出油耗更低、效率更高的高效工况点，通过模糊pid闭环迭代优化负载预判响应参数。

26、由于采用以上所述的技术方案，本发明可达到以下有益效果：

27、本发明从实际使用角度出发，精准匹配作业工况，优化发动机运行区间，降低农机作业油耗。本发明针对犁耕、深松、旋耕作业特性，设定田间作业专属高效工况点，采用非线性功率柔性跟随，拓宽发动机高效作业区间，避免发动机在低能效区间运行，有利于降低拖拉机田间综合作业油耗。

28、自适应田间作业环境，有效保护动力电池。本发明设置基于土壤负载、作业时长、环境温度的动态自适应充放电阈值，结合电池寿命衰减非线性修正，规避电池深度亏电、冬季低温大电流、田间作业负载突变频繁充放电等恶劣工况，大幅降低电池衰减速率，延长电池循环使用寿命，降低农机后期维修成本。

29、多种田间工况自适应调节，作业动力稳定性强。本发明划分四大作业模式，精准适配黏土地、沙土地、丘陵坡地、地头转向、道路运输等多场景工况，引入负载预判机制，动态工况下功率响应快速精准，无动力滞后、机具作业深度波动等问题，兼顾低速重载平顺性与持续作业动力性。

30、非线性平滑切换，机具作业平顺性好。本发明增设非线性功率渐变过渡、模糊pid控制与动态扭矩补偿机制，彻底解决拖拉机作业模式切换有顿挫感的问题，作业质量显著提高。

31、通用性与工程实用性强。本发明无需改动拖拉机硬件架构，仅通过控制算法优化即可实现性能升级，可适配各类轮式、履带式农用拖拉机，同时具备闭环修正迭代能力，适配不同土壤、不同环境工况，产业化应用价值很高。