趙 萌，林蔚然，楊忠昌，王龍兵，董寶光，陳 凱，曹 猛

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用[1]。目前農(nóng)業(yè)機(jī)械的主要?jiǎng)恿碓慈詾椴裼蜋C(jī)等燃油機(jī)，通過將動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電機(jī)的電力并驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行[1]。目前我國農(nóng)業(yè)以戶為單位，規(guī)模較小，農(nóng)機(jī)功率不高.而柴油機(jī)在低功率運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較慢[2]，因而，在耕作中碰到突然變化的堅(jiān)硬地塊，需要實(shí)時(shí)增加柴油機(jī)輸出功率時(shí)，需要一定時(shí)間才能進(jìn)行響應(yīng)，可能導(dǎo)致農(nóng)機(jī)的熄火，降低了農(nóng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)，頻繁熄火和點(diǎn)火，也會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

針對上述問題，本文提出一種混合動(dòng)力控制方法及混合動(dòng)力裝置。該項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的混合動(dòng)力裝置控制及混合動(dòng)力微型自耕機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)。而提供動(dòng)力控制的技術(shù)難點(diǎn)有以下方面。

（1）對混合動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，及分析微型自耕機(jī)機(jī)械混合動(dòng)力控制工作模式的技術(shù)難點(diǎn)。

（2）氫燃料混合動(dòng)力微型自耕機(jī)的控制設(shè)計(jì)原理圖的技術(shù)問題。農(nóng)機(jī)的主要零部件在機(jī)器中的放置位置：第1動(dòng)力源、第2動(dòng)力源、動(dòng)力控制器、能量回收器之間的位置及相互關(guān)系的技術(shù)難點(diǎn)。以及能量回收的核心零件和制動(dòng)器的技術(shù)結(jié)構(gòu)難點(diǎn)。

（3）調(diào)配及充放電管理等技術(shù)難點(diǎn)。需要解決如下問題：如何最大化能量利用率；如何達(dá)到低成本和高功率的最優(yōu)匹配；如何優(yōu)化農(nóng)機(jī)的主要零部件在機(jī)器中的放置相互位置。

由于本次研究方向主要致力于節(jié)能，節(jié)約成本，提高效率，所以需要建立可以量化各種標(biāo)準(zhǔn)的模型來貼合該情況。于是，通過一定的建模手段仿真模擬工作環(huán)境，進(jìn)行技術(shù)實(shí)施并模擬。借助Simulink作為仿真建模工具，進(jìn)一步開發(fā)出新的供電方式并進(jìn)行模擬，求出高能量密度和高功率密度的互補(bǔ)的最優(yōu)條件[3]；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)作業(yè)實(shí)際需求，設(shè)置合適的切換擋位和對應(yīng)工作模式，根據(jù)不同的模式所需，反饋調(diào)節(jié)動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)高效率電池供電，在保證功率的情況下最大可能地節(jié)省資源。農(nóng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)通過三維軟件Sloidworks進(jìn)行建模，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)樣機(jī)測試。利用混合動(dòng)力，不斷調(diào)整，并且對成品進(jìn)行測試評(píng)估。

1 Simulink軟件

Simulink是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境的可視化仿真工具，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析[4]，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真。在其提供的仿真和綜合分析集成環(huán)境動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中建模，無需大量手寫程序，只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。具有應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際效率高靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于理論控制和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。通過Simulink軟件的分析，可實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的優(yōu)勢互補(bǔ)。其優(yōu)勢如下：

（1）最大限度地優(yōu)化農(nóng)機(jī)的續(xù)航和載荷，滿足農(nóng)用機(jī)械長續(xù)航及不同工況下對功率的實(shí)時(shí)需求；

（2）通過能量回收器和動(dòng)力控制器，將制動(dòng)能量自動(dòng)回收到第2動(dòng)力源，以提高能量的利用效率；

（3）第1動(dòng)力源可提供農(nóng)機(jī)的穩(wěn)定功率需求，具有能量來源穩(wěn)定的特點(diǎn)，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對長續(xù)航的需求。

2 技術(shù)方案及實(shí)施

2.1 建立模型

利用Simulink軟件，開發(fā)氫燃料－鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)。在本項(xiàng)目中，用Simulink進(jìn)行仿真分析，如圖1所示，第1動(dòng)力源是氫燃料電池，第2動(dòng)力源是鋰電池，利用氫燃料電池提供持續(xù)穩(wěn)定的輸出功率[5]，利用鋰電池優(yōu)化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，從而將氫燃料電池和鋰電池組成農(nóng)機(jī)的混合動(dòng)力單元，以氫燃料電池作為農(nóng)機(jī)的穩(wěn)定功率輸出單元，采取動(dòng)力控制器的功率控制方式，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氫燃料電池的功率輸出；鋰電池作為農(nóng)機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)力單元，利用動(dòng)力控制器的電壓控制方式輸出相應(yīng)的輸出功率，從而結(jié)合氫燃料電池的功率控制方式以及鋰電池的電壓控制方式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)功率下保持燃料電池的輸出指定功率，暫態(tài)（突發(fā)阻礙或突發(fā)松軟）工況下，利用鋰電池充放電的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)輸出功率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖1 Simulink能量仿真分析

2.2 工作模式設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目利用Simulink軟件對微型自耕機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，得到3種不同的工作模式，如圖2所示。

圖2 Simulink工作狀態(tài)模擬

（1）行進(jìn)狀態(tài)：自耕機(jī)進(jìn)入大棚前，僅動(dòng)力輪工作，旋刀模塊待機(jī)（動(dòng)力輪提供動(dòng)力0.5 kW）。

（2）耕種狀態(tài)：正常農(nóng)業(yè)耕種，同時(shí)前進(jìn)與耕種（自耕機(jī)正常工作功率1.5 kW）。

（3）受阻狀態(tài)：遇結(jié)硬的土塊，自耕機(jī)需要的額外瞬時(shí)功率（輸出瞬時(shí)額外功率1.5 kW＋0.5 kW）。

3種工作模式如下。

（1）行進(jìn)模式：氫燃料電池組輸出部分功率提供給動(dòng)力輪正常行進(jìn)500 W，同時(shí)向鋰電池組充電，儲(chǔ)存能量。

（2）耕種模式：微型自耕機(jī)平穩(wěn)行進(jìn)同時(shí)旋刀組以正常功率工作時(shí)，氫燃料電池組輸出功率1.5 kW。

（3）受阻模式：微型自耕機(jī)作業(yè)受阻明顯時(shí)，鋰電池組同時(shí)額外輸出功率，提高瞬時(shí)功率至2.0 kW。

綜合上述對型微型自耕機(jī)的3種耕作模式分析，解決了機(jī)器起步的技術(shù)問題。

其操作技巧在于起步時(shí)需要小油門緩慢、平穩(wěn)起步；進(jìn)行模式中離合器分離的狀態(tài)下進(jìn)行第2能源充電，一般先用低擋工作，然后再用高擋工作；在進(jìn)行耕地作業(yè)地頭、地邊作業(yè)時(shí)，要減慢速度，注意安全；轉(zhuǎn)彎時(shí)要輕抬扶手，陷入泥中時(shí)也應(yīng)輕抬扶手；農(nóng)機(jī)充電時(shí)一定要熄火停機(jī)[6]。

2.3 混合動(dòng)力微型自耕機(jī)控制設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中采用氫能源混合動(dòng)力，微型自耕機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)能源控制遵循：動(dòng)力控制器依據(jù)第1電壓轉(zhuǎn)換器以及第2電壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值進(jìn)行功率輸出調(diào)配及充放電管理，如圖3所示。

圖3 控制設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力系統(tǒng)核心部件主要包括：1.8 kW燃料電池堆、主板控制器、離子電池、儲(chǔ)氫瓶[7]。燃料電池為質(zhì)子交換燃料電池，輸出電壓20~40 V，輸出電流0~80 A，控制器為智能控制燃料電池和鋰電池輸出，內(nèi)置鋰電池充電模塊、電源隔離模塊、信號(hào)采集和控制模塊、保護(hù)模塊和通訊模塊等。將燃料電池和鋰電池組成混合動(dòng)力單元，通過電壓轉(zhuǎn)換器對燃料電池和鋰電池進(jìn)行控制，使燃料電池輸出滿足負(fù)載需求的功率；控制鋰電池時(shí)，根據(jù)母線電壓的變化轉(zhuǎn)換工作模式，以輸出差額功率或吸收多余功率來維持母線電壓在額定電壓范圍內(nèi)，從而實(shí)時(shí)輸出滿足動(dòng)力需求[8]。

動(dòng)力源有如下特性：第1動(dòng)力源具有高能量密度，為混合動(dòng)力裝置的穩(wěn)定動(dòng)力輸出源，第2動(dòng)力源具有高功率密度，第2動(dòng)力源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于第1動(dòng)力源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。于是第2直流－直流轉(zhuǎn)換器的輸入端與第2動(dòng)力源的輸出端相連，輸出端分別與動(dòng)力控制器以及第2直流－交流轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，第2直流－交流轉(zhuǎn)換器的輸出端與第2電機(jī)相連。

第2直流－直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器采用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器[9]，使得第2動(dòng)力源可以在充電和放電兩種模式下工作。同時(shí)，第1直流－直流轉(zhuǎn)換器采用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，還可以解決第1動(dòng)力源無法自行起動(dòng)的缺陷。當(dāng)農(nóng)機(jī)作業(yè)遇阻（遇到突發(fā)阻礙工況）時(shí)，由于第1動(dòng)力源的功率輸出調(diào)整有滯后時(shí)間，在該滯后時(shí)間內(nèi)，負(fù)載端功率需求增加，但第1動(dòng)力源的輸出功率尚未調(diào)整到位，通過動(dòng)力控制器控制第2動(dòng)力源進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，補(bǔ)償突發(fā)阻礙工況所需功率。

3 整機(jī)的模型設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件Solidworks，對微型自耕機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行了三維建模并進(jìn)行裝配，機(jī)械設(shè)計(jì)的核心如圖4所示。在整個(gè)項(xiàng)目中農(nóng)機(jī)的核心機(jī)械零件主要包括：支架、第1動(dòng)力源、第2動(dòng)力源、行駛輪、旋刀組、扶手、第1傳動(dòng)軸、第2傳動(dòng)軸、動(dòng)力控制器以及能量回收器、電池控制系統(tǒng)，如圖5所示。其中，第1動(dòng)力源、第2動(dòng)力源、動(dòng)力控制器以及能量回收器設(shè)置并固定在支架上，支架固定在行駛輪上，第1動(dòng)力源和第2動(dòng)力源分別設(shè)置在支架兩側(cè)，動(dòng)力控制器以及能量回收器設(shè)置，在第1動(dòng)力源和第2動(dòng)力源之間，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)置動(dòng)力輸出更加穩(wěn)定，不受能量干擾控制較容易。

圖4 核心零件局部放大

圖5 自耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)

第1傳動(dòng)軸的一端分別與第1動(dòng)力源和第2動(dòng)力源相連，另一端與旋刀組相連，第2傳動(dòng)軸的一端分別與第1動(dòng)力源和第2動(dòng)力源相連，另一端與行駛輪相連；動(dòng)力控制器分別與第1動(dòng)力源、第2動(dòng)力源、行駛輪以及旋刀組相連，能量回收器分別與行駛輪、旋刀組以及第2動(dòng)力源相連；便于操控農(nóng)機(jī)的扶手設(shè)置在支架上[10]。

按照上述的方法設(shè)置農(nóng)機(jī)重要零件的分布及安裝位置，有利于農(nóng)機(jī)操作。利用第2動(dòng)力源充放電的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)輸出功率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以有效提升農(nóng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

4 核心零件的設(shè)計(jì)

制動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)動(dòng)力輸出端與輸出軸鏈接，輸出軸與制動(dòng)器鏈接。其核心零件動(dòng)力制器的設(shè)計(jì)，采用凹凸方式設(shè)計(jì)。制動(dòng)器在設(shè)計(jì)中采用電磁閥控制，電磁閥控制方便，響應(yīng)時(shí)間快，能源回收充分，制動(dòng)器分別與第1電機(jī)以及控制器相連。制動(dòng)控制器依據(jù)第1電壓轉(zhuǎn)換器以及第2電壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值進(jìn)行功率輸出及充電管理。當(dāng)農(nóng)機(jī)突然制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)能量，制動(dòng)能量通過能量回收器和動(dòng)力控制器，回收到第2動(dòng)力源，將能量儲(chǔ)存起來。

5 使用效果

如圖6所示，初步運(yùn)行結(jié)果顯示能投入正常使用，適用于溫室蔬菜大棚、蔬菜露地和果園的耕整地作業(yè)[11]。

6 結(jié)束語

本文通過采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的優(yōu)勢互補(bǔ)，可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力系容量，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械續(xù)航能力。提出了氫燃料－鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)、設(shè)計(jì)了電池綜合管理系統(tǒng)，且在硬件上實(shí)現(xiàn)了完成組裝及測試。測試表明微型自耕機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到或超過國際標(biāo)準(zhǔn)要求，耕地效果滿足農(nóng)業(yè)的要求。通過能量回收模塊和電池綜合管理模塊將制動(dòng)能量自動(dòng)回收到峰值瞬時(shí)動(dòng)力輸出模塊，提高能量的利用效率。穩(wěn)定動(dòng)力輸出模塊提供農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定功率需求，并具有能量來源穩(wěn)定或快速的特點(diǎn)，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對長續(xù)航的需求。本機(jī)整機(jī)質(zhì)量為40 kg，操作靈活、轉(zhuǎn)移方便、制造成本較低。