劉靜，夏長(zhǎng)高，孫閆

(1. 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，南京市，211188； 2. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

0 引言

電動(dòng)拖拉機(jī)具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，目前在農(nóng)業(yè)界已得到了推廣應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)外就紛紛開(kāi)展車載電源電動(dòng)拖拉機(jī)的研制[1-6]。國(guó)內(nèi)近些年也有科研機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)開(kāi)展研究[7-11]。他們研究的重點(diǎn)主要在整機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配、驅(qū)動(dòng)控制策略、無(wú)級(jí)變速技術(shù)、整機(jī)性能及主要部件性能等方面。

和電動(dòng)汽車一樣，電動(dòng)拖拉機(jī)的電源及能量管理也是關(guān)鍵技術(shù)之一，會(huì)影響到拖拉機(jī)的連續(xù)作業(yè)時(shí)間、能源消耗和牽引性能。就目前研制出的電動(dòng)拖拉機(jī)來(lái)看，使用的都是單一能量源，其連續(xù)作業(yè)時(shí)間和能量利用效率離實(shí)際需求還存在一定的差距。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極開(kāi)展在電動(dòng)拖拉機(jī)上采用復(fù)合電源系統(tǒng)的理論研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[12]在電動(dòng)拖拉機(jī)上設(shè)計(jì)了一種燃料電池和蓄電池雙能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于燃料電池系統(tǒng)的最優(yōu)性能和蓄電池的合理充放電原則，制定了兩種能源之間模糊能量控制策略，達(dá)到了降低等效氫氣消耗量的效果。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種基于鋰離子電池、超級(jí)電容和DC/DC轉(zhuǎn)換器電動(dòng)拖拉機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)，采用的是超級(jí)電容和DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的方案，并設(shè)計(jì)了功率分配器，最后驗(yàn)證了基于功率分配控制的能量管理策略能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池組平衡基頻載荷和超級(jí)電容平衡高頻載荷的控制目的。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)動(dòng)力電池組和柴油機(jī)組成的復(fù)合電源拖拉機(jī)開(kāi)展研究，雖復(fù)合電源可以延長(zhǎng)電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間，但依然需要傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)能源。

本文將結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)典型作業(yè)工況的負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)了一種基于鋰離子電池和超級(jí)電容的雙電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出針對(duì)不同作業(yè)工況的電源工作模式。由于犁耕作業(yè)是拖拉機(jī)最基礎(chǔ)最基本的作業(yè)形式，該工況下的各種性能可以反映拖拉機(jī)的性能，因此對(duì)采用雙電源混合供電模式的犁耕作業(yè)工況設(shè)計(jì)能量管理控制策略，以達(dá)到延長(zhǎng)電動(dòng)拖拉機(jī)一次充電作業(yè)時(shí)間和鋰離子電池壽命的目的。該研究為電動(dòng)拖拉機(jī)的能量管理控制器的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

1 電動(dòng)拖拉機(jī)典型作業(yè)工況動(dòng)力學(xué)模型

電動(dòng)拖拉機(jī)可以和農(nóng)機(jī)具連接在一起以機(jī)組形式進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)，也可以牽引掛車進(jìn)行運(yùn)輸，典型作業(yè)工況 主要包括田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、旋耕和犁耕等。電動(dòng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，作業(yè)速度不高且不用爬坡。因此，在對(duì)其典型作業(yè)工況下進(jìn)行受力分析時(shí)，均忽略空氣阻力和坡道阻力?？紤]到田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況作業(yè)速度相對(duì)其他工況較高，在該工況下考慮了加速阻力，其他工況加速阻力也忽略。田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況動(dòng)力學(xué)方程

(1)

式中：Fq1——田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力，N；

Ff1——田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移行駛阻力，N；

Fj——田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移加速阻力，N；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

m1——田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移拖拉機(jī)總質(zhì)量，kg；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

du/dt——田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移加速度，r/min。

旋耕作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)配置的是旋耕機(jī)具，拖拉機(jī)受到的阻力主要包括行駛阻力和旋耕機(jī)旋耕牽引阻力，其動(dòng)力學(xué)方程

(2)

式中：Fq2——旋耕作業(yè)驅(qū)動(dòng)力，N；

Ff2——旋耕作業(yè)行駛阻力，N；

FX——旋耕阻力，N；

m2——旋耕作業(yè)拖拉機(jī)總質(zhì)量，kg；

k——土壤比阻，kPa；

H——旋耕深度，cm；

B——耕幅，cm；

mx——旋耕機(jī)質(zhì)量，kg；

fx——旋耕機(jī)前進(jìn)時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)。

與田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)相比，犁耕作業(yè)行駛阻力多了犁具的犁耕阻力，其動(dòng)力學(xué)方程

(3)

式中：Fq3——犁耕作業(yè)驅(qū)動(dòng)力，N；

Ff3——犁耕作業(yè)行駛阻力，N；

FL——犁耕阻力，N；

m3——犁耕作業(yè)拖拉機(jī)總質(zhì)量，kg；

z——犁鏵數(shù)；

b——單犁鏵寬度，cm；

h——犁耕深度，cm。

2 電動(dòng)拖拉機(jī)雙能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作模式

電動(dòng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，作業(yè)速度并不高，但需求扭矩大，并且受作業(yè)的多樣性和土壤特性的復(fù)雜性等因素的影響，負(fù)載特性具有較大的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性。如果采用單一能源，電動(dòng)拖拉機(jī)將無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的田間作業(yè)工況需求，最終導(dǎo)致能量損耗大，連續(xù)作業(yè)時(shí)間短的問(wèn)題。據(jù)此，本文提出在電動(dòng)拖拉機(jī)上采用雙能源系統(tǒng)。該雙能源系統(tǒng)主要由鋰離子電池組、超級(jí)電容及DC/DC轉(zhuǎn)換器等組成。它們?nèi)咧g的連接形式可以多種多樣，主要有被動(dòng)式、半主動(dòng)式和全主動(dòng)式等類型[16]。通過(guò)比較不同結(jié)構(gòu)形式的雙能源系統(tǒng)，本文最終選擇的是DC/DC轉(zhuǎn)換器和超級(jí)電容串聯(lián)后再與鋰離子電池組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。因?yàn)槌?jí)電容能量密度低，端電壓下降快，用該種結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容電壓的控制，也有利于降低雙能源系統(tǒng)的配置成本。

圖1 超級(jí)電容半主動(dòng)式雙能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Ultracapacitor semi active dual energy system structure

電動(dòng)拖拉機(jī)主要由電源系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車控制器及輔助系統(tǒng)等組成。由于其電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案已確定，進(jìn)而給出雙能源電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置方案，如圖2所示。

圖2 雙能源電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置Fig. 2 Power drive system layout of dual energy electric tractor

電動(dòng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，電機(jī)向能量管理系統(tǒng)發(fā)送功率需求信號(hào)，能量管理系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)需求功率來(lái)確定雙能源系統(tǒng)的工作模式。不同的作業(yè)工況負(fù)荷特性不同，電機(jī)的功率需求也不同。田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、旋耕和犁耕這3種典型作業(yè)工況相比，犁耕和旋耕作業(yè)要比田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)能耗高、負(fù)荷重。因此，犁耕和旋耕作業(yè)工況下采用鋰離子電池組和超級(jí)電容混合供電模式，如圖3所示。而在負(fù)荷較輕、能耗較低的田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況下采用鋰離子電池組單獨(dú)供電模式，如圖4所示。

圖3 鋰離子電池組和超級(jí)電容混合供電模式Fig. 3 Combined power supply mode of lithium ionbattery and ultracapacitor

圖4 鋰離子電池組單獨(dú)供電模式Fig. 4 Independent power supply mode of lithiumion battery pack

3 能量管理控制器設(shè)計(jì)

田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況采用鋰離子電池組單獨(dú)供電模式，該工況下的能量管理是為了防止由于鋰離子電池過(guò)放而導(dǎo)致電池壽命大大縮短，而進(jìn)行的電池輸出能量的管理，但不存在雙電源之間的功率分配控制問(wèn)題。犁耕和旋耕作業(yè)工況下采用鋰離子電池和超級(jí)電容共同提供能量，因此就需要對(duì)兩者之間的能量分配進(jìn)行控制管理。由于犁耕作業(yè)是拖拉機(jī)最基礎(chǔ)最基本的作業(yè)形式，該工況下的各種性能可以反映拖拉機(jī)的性能。因此本文將重點(diǎn)研究犁耕作業(yè)工況下的雙電源能量分配問(wèn)題。在該工況下采用模糊邏輯控制策略來(lái)協(xié)調(diào)鋰離子電池和超級(jí)電容的功率和能量分配。下面將對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先確定該模糊控制器的輸入和輸出變量[17]。選擇輸入為3個(gè)變量：電機(jī)需求功率Preq、鋰離子電池的SOCbat、超級(jí)電容的SOCsc；輸出為單個(gè)變量：鋰離子電池組輸出功率占雙電源系統(tǒng)提供的總功率的比例因子Kbat。然后確定輸入和輸出變量的論域并賦予模糊語(yǔ)言變量[17]。將Preq∈[0,10]模糊化成五級(jí)：零、正小、正中、正大和極大；將SOCbat∈[0.15,0.9]模糊化成三級(jí)：低、中和高；將SOCsc∈[0.2,0.9]模糊化成三級(jí)：低、中和高；將Kbat∈[0,1]模糊化成五級(jí)：零、較小、正中、較大、很大。接著根據(jù)輸入和輸出變量的論域和模糊語(yǔ)言變量，建立每個(gè)變量的模糊語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)。最終確定的Preq、SOCbat、SOCsc和Kbat模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)如圖5～圖8所示[18-19]。

圖5 Preq隸屬度函數(shù)Fig. 5 Membership function of Preq

圖6 SOCbat隸屬度函數(shù)Fig. 6 Membership function of SOCbat

圖7 SOCsc隸屬度函數(shù)Fig. 7 Membership function of SOCsc

圖8 Kbat隸屬度函數(shù)Fig. 8 Membership function of Kbat

同時(shí)還要結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造模糊控制規(guī)則，構(gòu)造出的模糊控制規(guī)則見(jiàn)表1所列。

表1 模糊規(guī)則控制表Tab. 1 Fuzzy rule control table

最后，依托Matlab模糊邏輯工具箱的模糊推理系統(tǒng)構(gòu)造功能，將前述的輸入輸出變量模糊語(yǔ)言變量的名稱、取值范圍、隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則等輸入Matlab模糊推理系統(tǒng)編輯器并進(jìn)行保存，待后面在Simulink仿真模型中調(diào)用。同時(shí)，利用編輯器可繪制該模糊系統(tǒng)的輸入/輸出特性曲面，如圖9所示。

(a) Preq、SOCbat、Kbat關(guān)系

(b) Preq、SOCsc、Kbat關(guān)系

(c) SOCbat、SOCsc、Kbat關(guān)系圖9 輸入/輸出特性曲面Fig. 9 Input/output characteristic surface

4 建模與仿真

4.1 仿真模型

犁耕作業(yè)仿真模型如圖10所示。

圖10 犁耕作業(yè)仿真模型Fig. 10 Simulation model of ploughing operation

此仿真模型采用的是先設(shè)定車速，由車速計(jì)算達(dá)到該車速所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。然后由電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求出電機(jī)需求功率，然后再將該需求功率提供給雙電源系統(tǒng)的這種建模方法。犁耕作業(yè)工況仿真模型由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、電機(jī)需求功率計(jì)算模塊、能量管理模糊控制模塊、鋰離子電池模塊及超級(jí)電容模塊等組成[19]。

能量管理模糊控制模塊仿真模型如圖11所示，其中的Fuzzy Logic Controller模塊調(diào)用了前面設(shè)計(jì)的能量管理模糊控制器。受篇幅限制，其他模塊的詳細(xì)內(nèi)容此處不詳細(xì)展示。

圖11 能量管理模糊控制模塊仿真模型Fig. 11 Simulation model of fuzzy control module forenergy management

動(dòng)力電池容量為27 Ah，單體標(biāo)稱電壓3.7 V，30組串聯(lián)。選用Maxwell超級(jí)電容，單體電壓2.5 V，單體電容3 000 F，40組串聯(lián)。拖拉機(jī)主要部件參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 雙能源電動(dòng)拖拉機(jī)主要部件參數(shù)Tab. 2 Main component parameters of dual energyelectric tractor

4.2 仿真結(jié)果

拖拉機(jī)在實(shí)際犁耕作業(yè)時(shí)由于受到土壤的性質(zhì)影響，牽引阻力的變化是不規(guī)則的，犁耕載荷波動(dòng)是一種隨機(jī)現(xiàn)象，犁耕速度基本恒定。為了更加貼近拖拉機(jī)犁耕作業(yè)實(shí)際，下面將拖拉機(jī)在如圖12所示的犁耕阻力作用下，以恒定速度3 km/h作業(yè)時(shí)的情況進(jìn)行仿真分析。圖13所示為單一能源和雙能源模糊策略控制下鋰離子電池的SOC仿真對(duì)比圖，圖14所示為兩種模式下鋰離子電池的工作電流對(duì)比圖。圖15所示為在模糊控制策略下電機(jī)需求功率、鋰離子電池和超級(jí)電容輸出功率之間的關(guān)系。

從圖13和14可以分析出，和單一鋰離子電池能源系統(tǒng)相比，采用模糊控制的雙能源系統(tǒng)的鋰離子電池的SOC變化緩慢，平均工作電流下降了67.9%，峰值工作電流下降了58.7%。

圖12 犁耕阻力循環(huán)工況Fig. 12 Plough resistance cycle

圖13 鋰離子電池SOC對(duì)比Fig. 13 SOC comparison of lithium-ion battery

圖14 鋰離子電池工作電流對(duì)比Fig. 14 Comparison of working current of lithium-ion battery

從圖15可以分析出，通過(guò)模糊控制策略對(duì)鋰離子電池和超級(jí)電容輸出功率進(jìn)行合理分配之后，兩者輸出功率之和能夠滿足功率需求，充分體現(xiàn)了犁耕工況下是由鋰離子電池和超級(jí)電容協(xié)同供能的能量管理總體規(guī)則。

接著，在圖12所示的犁耕阻力循環(huán)作用下，對(duì)單一能源和雙能源模式下一次充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行仿真對(duì)比。采用的方法是預(yù)設(shè)兩種能源供給模式下鋰離子電池的初始SOC均為0.85，允許放電終止SOC均為0.15，用鋰離子電池的SOC從初始值下降到允許放電終止值的時(shí)間來(lái)表示一次充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間。兩種能源供給模式下一次充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間仿真結(jié)果如圖16所示。從圖16可以看出，單一能源和雙電源模式下一次充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間分別約為1 200 s和11 000 s。和單一能源相比，電動(dòng)拖拉機(jī)在雙電源模式下一次充電連續(xù)作業(yè)時(shí)間提升了約9.17倍。

圖15 雙能源功率分配仿真結(jié)果Fig. 15 Simulation results of dual energy power distribution

圖16 充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間對(duì)比Fig. 16 Comparison of uninterrupted workingtime after full charge

5 結(jié)論

本文結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)際，對(duì)負(fù)荷和能耗相對(duì)較重的犁耕作業(yè)工況采用雙能源供電模式，雙能源之間的功率分配采用模糊控制策略。與采用單一能源相比，對(duì)雙電源采用能量管理控制后，雙電源輸出的功率之和能夠很好的滿足電機(jī)功率需求，并且鋰離子電池的SOC變化緩慢，鋰離子電池的平均工作電流和峰值工作電流下降幅度分別達(dá)到67.9%和58.7%，鋰離子電池一次充滿電后連續(xù)作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)了約9.17倍?？梢?jiàn)，采用雙電源模式并且對(duì)雙電源進(jìn)行合理的能量控制，能夠有效提升電動(dòng)拖拉機(jī)一次充電連續(xù)作業(yè)時(shí)間和延長(zhǎng)鋰離子電池的壽命。該研究可為后續(xù)雙能源電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理控制器開(kāi)發(fā)及樣機(jī)的研制提供理論支持。