黃天樂(lè),陳樹(shù)人,施愛(ài)平,李富強(qiáng),盤(pán)朝奉

(江蘇大學(xué) a.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)基礎(chǔ)研究不足,整機(jī)可靠性和作業(yè)效率不高,因此需加快發(fā)展智能農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)來(lái)縮小與國(guó)外主流產(chǎn)品的差距,支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。目前,零排放、無(wú)污染、低噪音的綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)具的需求在不斷增加,因而研究電動(dòng)拖拉機(jī)的能量管理策略就成為智能農(nóng)機(jī)裝備開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一[1]。

動(dòng)力電池成組及管理技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制技術(shù)、整車控制優(yōu)化及能量管理技術(shù)、整車高壓安全技術(shù)是構(gòu)成純電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)化的四大關(guān)鍵技術(shù)[2],而能量管理策略是電動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的核心及實(shí)現(xiàn)整機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[3]研究了串聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)的3種能量管理策略,其中模糊控制式能量管理策略的控制效果最好。文獻(xiàn)[4]針對(duì)復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī),對(duì)解決電動(dòng)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)和旋耕作業(yè)下能量系統(tǒng)高頻放電問(wèn)題提出了基于功率分配控制的能量管理策略。文獻(xiàn)[5]以東方紅1804拖拉機(jī)為研究對(duì)象,提出基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)能量管理策略,可將拖拉機(jī)整體需求轉(zhuǎn)矩合理地分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略的研究主要集中在混合動(dòng)力電動(dòng)拖拉機(jī)上,而對(duì)純電動(dòng)拖拉機(jī)的研究較少。

本文針對(duì)一款新設(shè)計(jì)的雙電機(jī)功率分匯流純電動(dòng)拖拉機(jī),研究其能量管理策略,并在MatLab/Sim ulink軟件中進(jìn)行仿真分析。

1 電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力單元主要包括主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、整機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等,如圖1所示。電機(jī)采用永磁同步電機(jī),帶有電機(jī)控制系統(tǒng)、逆變器及DC/DC 轉(zhuǎn)換器。主電機(jī)與行星齒輪的太陽(yáng)輪相連,太陽(yáng)輪也傳遞部分動(dòng)力到拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸(PTO);調(diào)速電機(jī)與齒圈相連,通過(guò)行星架傳遞動(dòng)力到后橋,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的動(dòng)力耦合。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 雙電機(jī)構(gòu)型電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略

由于電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力部件多,工作模式復(fù)雜,為了充分發(fā)揮雙電機(jī)構(gòu)型的優(yōu)勢(shì),提高整車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性能,需要對(duì)雙電機(jī)和蓄電池進(jìn)行合理的控制和匹配,使其能根據(jù)拖拉機(jī)的工況狀態(tài)及駕駛員的需求來(lái)合理分配轉(zhuǎn)矩,使兩個(gè)電機(jī)工作在各自的高效區(qū),從而提高整機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

整機(jī)的控制策略結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。控制策略分為3層,分別為駕駛員意圖識(shí)別策略、模式識(shí)別策略和動(dòng)力分配策略。

圖2 整機(jī)控制策略結(jié)構(gòu)框圖

2.1 駕駛意圖識(shí)別

在研究拖拉機(jī)機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)油門、擋位、耕深(或車速)3個(gè)參數(shù),求得整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。需求轉(zhuǎn)矩的計(jì)算包含兩部分內(nèi)容[6],即基本轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊,下面分別對(duì)這兩模塊進(jìn)行介紹[7-8]。

1)根據(jù)爬坡度標(biāo)定的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)與踏板開(kāi)度的關(guān)系[9],采用查表方法,得到該轉(zhuǎn)速下電機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,來(lái)決定基本轉(zhuǎn)矩。

2)將實(shí)際的拖拉機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)采集的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Adaptive Neural-based Fuzzy Inference System,ANFIS)對(duì)加速踏板信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)與補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩控制。

補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩滿足了拖拉機(jī)急加速工況下的轉(zhuǎn)矩需求,通常是根據(jù)加速踏板開(kāi)度和踏板開(kāi)度變化率兩個(gè)量進(jìn)行補(bǔ)償。以實(shí)際的拖拉機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)采集的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),利用 MatLab軟件編程,訓(xùn)練純電動(dòng)拖拉機(jī)加速踏板動(dòng)力匹配 ANFIS模型。訓(xùn)練前后結(jié)果比較如圖3所示。

圖3 電動(dòng)拖拉機(jī)踏板開(kāi)度及踏板開(kāi)度變化率隸屬函數(shù)圖

2.2 模式識(shí)別策略

拖拉機(jī)有轉(zhuǎn)場(chǎng)、犁耕、旋耕3種工況,需根據(jù)不同工況的車速和耕深要求進(jìn)行電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別。本文采用基于瞬時(shí)優(yōu)化的模式識(shí)別策略,具體如圖4所示。選擇拖拉機(jī)作業(yè)工況,整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩由油門踏板給出,通過(guò)對(duì)比主電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的電功率、調(diào)速電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的電功率、主電機(jī)和調(diào)速電機(jī)按照轉(zhuǎn)速耦合模式工作時(shí)的電功率,取電功率最小所對(duì)應(yīng)的模式作為當(dāng)前的工作模式。即在線計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下本構(gòu)型的3種工作模式下每種模式的需求電功率,最后選擇消耗電功率最小的那種模式作為當(dāng)前狀態(tài)下的工作模式。

圖4 模式識(shí)別流程圖

根據(jù)上述分析建立了模式識(shí)別模型,將電機(jī)等效外特性下的所有電機(jī)工作點(diǎn)輸入到模式識(shí)別模塊,以電機(jī)最小電功率消耗為原則,計(jì)算出電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)模式。識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

圖5 模式劃分簡(jiǎn)圖

2.3 動(dòng)力分配策略

本模塊主要解決轉(zhuǎn)速耦合模式下電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的分配問(wèn)題。兩個(gè)電機(jī)通過(guò)行星齒輪耦合傳遞動(dòng)力,轉(zhuǎn)矩關(guān)系是解耦的,在需求轉(zhuǎn)矩Trequire已知的情況下,可求得兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)式(1)可求得兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小分別為

(1)

其中,Tm1為主電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩(N·m);Tm2為調(diào)速電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩(N·m);k為行星齒輪的傳動(dòng)比;ig為主電機(jī)的減速比;λ為電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)。

將拖拉機(jī)的總需求轉(zhuǎn)矩Trequire和電池SOC作為模糊控制器的輸入,電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)λ作為模糊控制器的輸出,實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的實(shí)時(shí)調(diào)整。總需求轉(zhuǎn)矩Trequire的論域?yàn)閇0,1],在其論域范圍內(nèi)分5個(gè)模糊子集,即{TS,S,M,B,TB}。電池SOC的論域取為[0,1],根據(jù)電池充放電特性,在其論域范圍內(nèi)分5個(gè)模糊子集,即{TL,L,M,H,TH}。轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)λ的論域?yàn)閇-0.5,1],在其論域范圍內(nèi)分5個(gè)模糊子集,即{TS,S,M,B,TB}。其中,很低(TL)、低(L)、中(M)、高(H)、很高(TH)、很小(TS),小(S)、大(B)、很大(TB)。各輸入輸出的隸屬度函數(shù)如圖6～圖8所示。

圖6 需求轉(zhuǎn)矩Trequire隸屬函數(shù)

圖7 電池SOC剩余電量隸屬函數(shù)

圖8 轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)λ隸屬函數(shù)

模糊控制策略的IF-THEN規(guī)則采用如下形式,建立了25 條規(guī)則,如表1所示。

“IF Trequire(t) is A and SOCbat(t) is B , THEN

λ(t)is C”

表1 模糊規(guī)則表Table 1 Fuzzy rule table

3 雙電機(jī)功率分匯流電動(dòng)拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)

雙電機(jī)功率分匯流電動(dòng)拖拉機(jī)MatLab /Simulink的整機(jī)頂層模型主要包含控制策略模型、主電機(jī)模型、調(diào)速電機(jī)模型、電池模型和拖拉機(jī)車身模型5部分。為了分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池工作過(guò)程中的效率,電機(jī)模型基于實(shí)測(cè)得到的電機(jī)系統(tǒng)效率與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系開(kāi)發(fā); 電池模型基于廠家提供的電池組放電效率和放電電流與SOC之間的關(guān)系建立; 拖拉機(jī)車身模型根據(jù)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力和牽引阻力開(kāi)發(fā),作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型的負(fù)載。

3.1 仿真參數(shù)輸入

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算方法,分析得到該拖拉機(jī)各檔驅(qū)動(dòng)力隨速度變化的關(guān)系,如圖9所示。根據(jù)所開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)拖拉機(jī)樣車的設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件參數(shù)匹配計(jì)算,確定其主要參數(shù)如下:

整車質(zhì)量/kg:2 100

傳動(dòng)系統(tǒng)效率:0.9

滾動(dòng)阻力系數(shù):0.09

輪胎半徑/m:0.51

主 電 機(jī) 類型:永磁同步

電壓等級(jí)/V:300

額定功率/kW:25

額定轉(zhuǎn)速/r·min-1:3 000

調(diào)速電機(jī) 類型:永磁同步

電壓等級(jí)/V:300

額定功率/kW:10

額定轉(zhuǎn)速/r·min-1:3 400

圖9 速度與牽引力關(guān)系

3.2 拖拉機(jī)工況

目前拖拉機(jī)工況較少,所以按照本文最高車速20km/h的設(shè)計(jì)要求,并參考汽車EUDC行駛工況,重新設(shè)定拖拉機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)工況,如圖10所示。

圖10 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)工況

4 能量管理策略仿真分析

在MatLab/simulink仿真環(huán)境下,得到目標(biāo)速度與實(shí)際速度的對(duì)比圖,如圖11所示。圖12為對(duì)拖拉機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)、犁耕、旋耕工況下以各自設(shè)計(jì)的作業(yè)車速恒速工作1 000s得到的電池SOC變化曲線。設(shè)置電池SOC為100%, 放電結(jié)束時(shí)SOC為20%, 運(yùn)行3個(gè)工況, 仿真得到該純電動(dòng)拖拉機(jī)等速巡航時(shí)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)的續(xù)航里程及節(jié)能率。續(xù)航里程和節(jié)能率如表3所示。

由圖11可以看出:轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下仿真車速和需求車速基本一致,仿真模型的車速跟隨性較好。這表明,所建的整機(jī)模型是合理的。

圖11 轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下車速跟蹤

SOC變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出:該模糊控制策略能夠較好地根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC及整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行控制, 使蓄電池SOC保持在較平穩(wěn)的范圍內(nèi),有利于延長(zhǎng)蓄電池壽命。

圖12 SOC變化曲線

不同工況下的節(jié)能率如表2所示。由表2可以看出:雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)時(shí)較單電機(jī)驅(qū)動(dòng)有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì),且續(xù)航能力有所提高。其中,轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下節(jié)能率達(dá)到了14.81%。

表2 不同作業(yè)工況下的節(jié)能率

5 結(jié)論

1)闡述了整機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略,根據(jù)拖拉機(jī)的工作模式制定了采用ANFIS的駕駛意圖識(shí)別策略、基于瞬時(shí)優(yōu)化的模式識(shí)別策略和基于模糊控制的動(dòng)力分配策略。

2)針對(duì)開(kāi)發(fā)的能量管理策略,建立了包括電池、控制策略、電機(jī)、駕駛員等模塊的整機(jī)Simulink 仿真模型。仿真結(jié)果表明:該模型能準(zhǔn)確跟蹤循環(huán)工況,電池SOC變化平穩(wěn),能量管理策略準(zhǔn)確、合理。

3)在拖拉機(jī)3種作業(yè)工況下,分別對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行了整機(jī)經(jīng)濟(jì)性能仿真,結(jié)果表明:所建模型實(shí)現(xiàn)了整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩的有效分配,且節(jié)能率較單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)有明顯提高。