基于状态反馈(State Feedback)的同轴并联混合动力拖拉机能量管理策略(Energy Management Strategy, EMS)

　　

混合动力拖拉机是降低农业机械油耗与排放的一种有前景的方案。然而，其低速大转矩运行且负载频繁波动的特点，要求能量管理策略(Energy Management Strategy, EMS)具备实时性与强自适应性。本研究针对一台同轴并联混合动力电动拖拉机(Coaxial Parallel Hybrid Electric Tractor)，建立了集成纵向车辆动力学、发动机、电机、电池及传动系统的前向仿真模型(Forward Simulation Model)。提出一种带荷电状态(State of Charge, SOC)反馈修正的改进等效燃油消耗最小策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy, ECMS)，称为F-ECMS(Feedback-based ECMS)。该策略基于实时电池SOC动态调整等效因子(Equivalence Factor)，在保证电量维持(Charge Sustaining)的同时逼近最优燃油经济性。采用动态规划(Dynamic Programming, DP)算法建立全局基准。典型耕地工况下14400 s仿真表明，F-ECMS将SOC维持在0.5964，接近DP参考值0.6000，同时相比基于规则(Rule-Based, RB)的策略等效燃油消耗降低1.51%。结果表明，所提出的F-ECMS在实时性与燃油经济性之间取得了有效平衡，在混合动力农用车辆实际工程应用中具有良好的潜力。

论文解读：《Applied Sciences》— Energy Management Strategy Based on State Feedback for Coaxial Parallel Hybrid Tractors

【研究背景与意义】

传统柴油拖拉机高油耗、高排放，农业机械化绿色转型迫在眉睫。混合动力化，尤其是同轴并联(Coaxial Parallel)构型因传动效率高、易于继承传统布局、可电动助力及再生制动而受关注。然而农用拖拉机作业具"低速、大转矩、负载剧烈瞬变"（土壤阻力不均、农具耦合）特点，不同于道路车辆，对能量管理策略(Energy Management Strategy, EMS)的实时性、鲁棒性及动态响应要求严苛。等效燃油消耗最小策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy, ECMS)源于Pontryagin极小值原理，实时性好且有近全局最优性，但其等效因子(Equivalence Factor)通常需针对特定循环标定，难以适应拖拉机多变工况。现有模糊逻辑或神经网络自适应ECMS虽性能较好，但参数整定复杂、可解释性差，不利于农机控制器部署。因此，研究人员针对同轴并联混合动力拖拉机，开发兼具实时性、强自适应性与工程易用性的基于状态反馈的ECMS（即F-ECMS, Feedback-based ECMS），并以动态规划(Dynamic Programming, DP)全局最优为基准进行仿真与硬件在环(Hardware-in-the-Loop, HIL)验证，论文发表于《Applied Sciences》。

【主要关键技术方法】

研究人员以同轴并联混合动力电动拖拉机为对象，建立含驾驶员PID模型、WP6.180E40柴油机数据驱动万有特性图、永磁同步电机效率MAP、电池一阶等效电路(Thevenin等效电路)模型、液力机械无级变速器(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT)最优经济换挡MAP及考虑滚动/空气/坡度/农具牵引/加速阻力的纵向动力学前向仿真模型。以DP离线求解离散SOC状态下全局最优功率分配作为基准；设计基于SOC偏差的PI控制器在线修正ECMS等效因子得到F-ECMS；同时设计基于SOC门限与需求转矩的确定型基于规则(Rule-Based, RB)策略作对照。选用典型犁耕循环（单周期600 s，平均牵引阻力36.60 kN，均速8.86 km/h，重复24次共14400 s，步长1 s，初SOC=0.6）进行仿真，并在NI PXIe实时目标机与Motohawk平台VCU(Vehicle Control Unit)上开展HIL测试，引入一阶自回归随机扰动模拟变土壤阻力以检验鲁棒性。

【研究结果】

2. System Configuration and Dynamic Modeling

研究人员构建了同轴并联混动拖拉机前向仿真平台，发动机与永磁同步电机同轴耦合后经离合器驱动HMCVT；各部件分别采用数据驱动数值建模（发动机稳态油耗MAP、电机效率MAP、电池R_int等效电路模型结合安时积分法计算SOC、HMCVT基于最优经济区拟合的速比MAP），纵向动力学考虑各类行驶阻力与滑转率（取10%），为EMS验证提供高保真基础。

3. Energy Management Strategy Formulation

(1) Dynamic Programming Global Optimal Benchmark：将SOC离散化为状态变量，发动机转矩占比离散化为控制量，构造含终端SOC惩罚的代价函数，逆向递推求解全局最优功率分配，提供理论下限与评估基准但依赖未来信息故无法在线应用。(2) Rule-Based Benchmark Strategy：依SOC阈值与实时需求转矩设纯电驱/SOC低时行车充电/混合驱动模式逻辑，简单易用但缺自适应能力。(3) State Feedback-Based ECMS：每时刻最小化等效燃油消耗（发动机瞬时油耗+等效因子×电池电功率/燃油低热值），等效因子s(t)由PI控制器按SOC参考值与实测SOC偏差闭环在线调整（s(t)∈[1.8,3.0]，初值2.4，经试凑取K_p=0.05，K_i=0.005），结构简单计算量低适合嵌入式部署。

4. Simulation and Discussion

驾驶员模型车速跟踪良好。F-ECMS有效协调发动机与电机转矩，利用电机快速响应平抑负载突变使发动机工作点更多集中于高效区。SOC轨迹：DP终值近初值0.6000，F-ECMS终值0.5964（偏差0.0036）跟踪良好，RB策略SOC偏离较大电荷维持差。发动机工作点分布：DP最集中高效区，F-ECMS多数聚于高效区，RB部分偏离致效率降低。性能指标：F-ECMS等效油耗较DP仅高5.09%，较RB降低1.51%；DP较RB节油6.28%。PI参数敏感性分析显示过大K_p致等效因子振荡，过大K_i致抗扰差，所选参数平滑且SOC跟踪误差最小。叠加AR(1)随机土壤阻力扰动后F-ECMS仍维持SOC与等效因子稳定跟踪，具良好鲁棒性。HIL测试中F-ECMS较RB等效节油1.64%（仿真1.51%，偏差约0.13%源于控制器周期、CAN延时及模型离散化），SOC维持与节油趋势与仿真高度一致，证实工程可行性。

【讨论与结论翻译】

研究人员构建含车辆动力学与关键部件的高保真前向仿真平台，用动态规划获取典型犁耕循环全局最优燃油基准；(2)针对拖拉机高瞬变负载特征设计基于PI反馈的在线等效因子修正机制，F-ECMS仅靠当前状态信息维持电荷平衡并引导系统高效运行，结构简单计算负荷低，工程部署潜力好；(3)典型犁耕14400 s仿真中F-ECMS较基于规则策略等效节油1.51%且SOC稳定（终偏差0.0036），HIL进一步验证其在近真实环境中的有效性与鲁棒性。研究表明F-ECMS在实时性、燃油经济性与工程适用性间取得良好平衡，为混合动力农机能量管理提供可行方案。后续可在HMCVT动态效率MAP、电池健康状态(SOH)纳入代价函数、多工况验证及量化硬件平台离散化与通信延迟影响等方面深化研究。