姜?dú)g龍,廖貴明,李青濤,2,陳興海,李佳陽,嚴(yán)重勇

基于Simulink設(shè)施農(nóng)用機(jī)械多源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及能量管理仿真

姜?dú)g龍1,廖貴明1,李青濤1,2,陳興海1,李佳陽1,嚴(yán)重勇1

1. 西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610039 2. 西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院, 四川 成都 610039

針對(duì)小型純電動(dòng)設(shè)施農(nóng)用機(jī)械在較大功率工況作業(yè)受動(dòng)力電池比能量限制的問題，設(shè)計(jì)一種以電網(wǎng)電源為主，小容量動(dòng)力電池和小型增程器為輔的多源動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案。結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際的作業(yè)需求，采用規(guī)則控制策略和模糊控制策略結(jié)合的能量管理方法，基于Simulink建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：在中載作業(yè)中，模糊控制下的小容量動(dòng)力電池和小型增程器可以滿足續(xù)航需求，動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池質(zhì)量相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了48%，體積降低了35%；在重載作業(yè)中，作業(yè)相同時(shí)長，多源動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力電池質(zhì)量相較于無模糊控制的多源動(dòng)力系統(tǒng)降低了70.25%，體積降低了66.82%，相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了86.48%，體積降低了83.1%。本文為小型純電動(dòng)農(nóng)用機(jī)械受到動(dòng)力電池質(zhì)量和體積大的約束問題提供一種解決思路。

農(nóng)用機(jī)械; 動(dòng)力系統(tǒng); 能量管理

自本世紀(jì)以來，由于日益嚴(yán)重的碳排放問題和國家提出雙碳政策，提倡節(jié)能減排，促使國內(nèi)學(xué)者加快了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)朝向清潔能源方向的轉(zhuǎn)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅以柴油為動(dòng)力的農(nóng)用機(jī)械每年消耗的柴油量約達(dá)到我國動(dòng)力機(jī)械柴油消耗總量的65%～70%[1]，對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力來源單一，工作效率低且污染嚴(yán)重的問題，電動(dòng)化技術(shù)是農(nóng)用機(jī)械節(jié)能減排的一項(xiàng)有效措施[2]。近幾年，利用電動(dòng)化技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)的純電動(dòng)、雙電源和搭配增程器的串并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的農(nóng)用機(jī)械得到高速發(fā)展，降低了一些碳排放[3,4]。然而在由于在純電動(dòng)系統(tǒng)、雙電源動(dòng)力系統(tǒng)中電池的能量密度難以滿足重載作業(yè)的需求[5]，大容量電池成為保證其作業(yè)時(shí)長和大功率需求的必要條件，這造成整車體積大，質(zhì)量大的缺點(diǎn)[6]；對(duì)于搭配增程器的串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可以在有限程度上降低對(duì)電池的大容量需求[7,8]，但所需較大功率增程器又會(huì)較大程度影響整車質(zhì)量與體積。針對(duì)以上問題，采用多種動(dòng)力源組成動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足小型農(nóng)用機(jī)械復(fù)雜作業(yè)工況的功率和能量需求，同時(shí)也是一種有效解決上述問題的方案。

目前以風(fēng)電、光伏為代表的分布式電網(wǎng)電源是我國電力行業(yè)發(fā)展的重要舉措[9]，針對(duì)有限范圍內(nèi)作業(yè)的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)，采用分布式電網(wǎng)電源搭配小容量動(dòng)力電池和小型增程器組成的多源動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)作業(yè)方案可大程度降低排放，且分布式電網(wǎng)和電網(wǎng)相連可以為動(dòng)力系統(tǒng)提供源源不斷的電能，成本低廉。與此同時(shí)，多源動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，合理的能量管理策略可以有效保護(hù)電源安全，保證整車作業(yè)電機(jī)的功率需求和能量需求，延長作業(yè)時(shí)長。趙靜慧研究了增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)增程器采用定點(diǎn)能量管理策略進(jìn)行仿真分析，對(duì)比傳統(tǒng)拖拉機(jī)，降低了油耗，并提升了動(dòng)力性能[10]。徐立友設(shè)計(jì)了燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功率流，制定了一種以保證燃料電池最優(yōu)特性和蓄電池合理放電為前提的模糊控制策略，仿真結(jié)果表明降低了等效氫氣消耗量[11]。夏長高提出一種復(fù)合電源（動(dòng)力電池和超級(jí)電容）電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需求功率和復(fù)合電源電荷量制定了復(fù)合電源放電的模糊控制規(guī)則，通過仿真分析得到整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性均有提升[12]。

本文針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)中小型農(nóng)業(yè)機(jī)械受動(dòng)力電池容量制約問題，設(shè)計(jì)一種以分布式電網(wǎng)電源搭配小容量動(dòng)力電池和小型增程器的多源動(dòng)力的聯(lián)合供電系統(tǒng)，提出不同作業(yè)工況下的電源工作模式，并對(duì)多源動(dòng)力系統(tǒng)采用規(guī)則控制策略+模糊控制策略的能量管理，達(dá)到滿足不同作業(yè)工況下的動(dòng)力性能需求和工作效率，延長動(dòng)力電池壽命的目的。

1 多源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)電源作為一種便捷高效能源早在19世紀(jì)末便應(yīng)用在國外的拖拉機(jī)上，但由于國外主要以大田為主，線纜限制了其作業(yè)范圍[13]，作業(yè)機(jī)具功率受限等原因而被放棄繼續(xù)使用。在我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)田地中，農(nóng)用機(jī)械只需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行負(fù)載作業(yè)，并滿足在一定里程內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)需求即可。電網(wǎng)電源以線纜傳遞電能的方式可以在一定范圍內(nèi)提供一定功率，輸出源源不斷的能量以滿足作業(yè)需求，小容量動(dòng)力電池和小型增程器組成的動(dòng)力電源可以滿足無電網(wǎng)電源時(shí)不同田塊間的轉(zhuǎn)運(yùn)及其他輕中載荷作業(yè)，并在電網(wǎng)電源功率供應(yīng)不足時(shí)，輸出功率滿足動(dòng)力性能需求，同時(shí)增程器可以避免動(dòng)力電池長時(shí)間的大電流放電，當(dāng)電網(wǎng)電源或增程器在功率富裕的時(shí)候可以給動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)電，三者聯(lián)合供電共同構(gòu)成多源動(dòng)力系統(tǒng)。針對(duì)履帶式小型設(shè)施農(nóng)用機(jī)械搭建多源動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，其供電路線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 多源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造

圖2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由線纜為載體傳輸電能的電網(wǎng)電源經(jīng)開關(guān)電源(AC/DC)整流降壓后穩(wěn)壓輸出，與動(dòng)力電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器、小型增程器和DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓時(shí)刻保持一致，其中開關(guān)電源和DC/DC轉(zhuǎn)換器中已設(shè)置電路，避免其發(fā)生環(huán)流。

2 能量管理策略

能量管理策略是設(shè)計(jì)和開發(fā)多源動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能[14,15]。針對(duì)本次設(shè)計(jì)的多源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車輛可能存在的充電不便、耗電快等問題，同時(shí)為了降低能量使用成本，采用基于規(guī)則控制策略和模糊控制策略優(yōu)化多源動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率和能量，使系統(tǒng)具有良好的魯棒性和動(dòng)態(tài)優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 能量管理原則

本著優(yōu)先采用清潔能源＞低成本能源＞高效率能源的優(yōu)先級(jí)原則，對(duì)是否采用電網(wǎng)電源供電兩種作業(yè)場景進(jìn)行分類。

農(nóng)用作業(yè)車在田間進(jìn)行負(fù)載作業(yè)時(shí)，優(yōu)先選用電網(wǎng)電源供電，其次使用動(dòng)力電池和增程器供電。根據(jù)圖1的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)造，只有在電網(wǎng)電源工作時(shí)，卷線電機(jī)負(fù)責(zé)控制收放線纜，因此卷線電機(jī)應(yīng)始終由電網(wǎng)電源供電。此外，在作業(yè)間隙，電網(wǎng)電源對(duì)非滿電的動(dòng)力電池給與補(bǔ)電。在此工況下，設(shè)置傳感器對(duì)三種動(dòng)力源進(jìn)行電流監(jiān)測，根據(jù)整車動(dòng)力性能需求和控制策略分別先后啟動(dòng)各動(dòng)力源進(jìn)行供電。其主要目的是充分利用電網(wǎng)電源的高效能源，減少動(dòng)力電池充放電造成能量轉(zhuǎn)換丟失，避免增程器在高能耗區(qū)工作，同時(shí)保證整車的動(dòng)力性。

農(nóng)用作業(yè)車在田間長距離運(yùn)輸時(shí)，不采用電網(wǎng)電源供電，動(dòng)力電池和增程器組成聯(lián)合電源給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，為保證增程器處于經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，小功率作業(yè)需求由動(dòng)力電池供能，當(dāng)鋰電池饋電時(shí)，啟動(dòng)增程器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)電；對(duì)于較大的功率需求，采用聯(lián)合供電，優(yōu)先滿足增程器經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)的發(fā)電功率，在此工況下，采用模糊控制策略，根據(jù)輸入功率大小和動(dòng)力電池的電荷量大小適時(shí)調(diào)整其輸出功率[12]。其主要目的是保證整車動(dòng)力性能，同時(shí)避免小容量動(dòng)力電池大電流放電產(chǎn)生熱量造成安全隱患與能量浪費(fèi)，并延長動(dòng)力電池壽命。

綜上所述，對(duì)電網(wǎng)電源采用規(guī)則控制策略，限定電網(wǎng)電源輸出最大功率，避免超過線纜可承受最大電流范圍和過度發(fā)熱出現(xiàn)安全問題。當(dāng)需求功率大于電網(wǎng)電源可提供的功率時(shí)，小容量動(dòng)力電池和小型增程器組成的聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)與電網(wǎng)電源共同為作業(yè)電機(jī)供電，其中對(duì)動(dòng)力電池采用模糊控制策略。

2.2 基于規(guī)則控制能量管理策略

電網(wǎng)電源可以提供更多的能量，電網(wǎng)電源輸出功率越大，經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后效率將越高。根據(jù)上述能量管理原則，對(duì)電網(wǎng)電源采用規(guī)則邏輯門限進(jìn)行控制，設(shè)定電網(wǎng)電源提供的功率上限閾值為P，卷線電機(jī)需求功率為1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率為2，作業(yè)電機(jī)需求功率為3。當(dāng)1+2+3<P時(shí)，始終由電網(wǎng)電源供電，否則多源動(dòng)力介入給系統(tǒng)供電。當(dāng)多源動(dòng)力系統(tǒng)介入后，增程器發(fā)電消耗燃油，應(yīng)盡可能保證其工作區(qū)間在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，并且避免反復(fù)啟停，動(dòng)力電池由于容量有限，因此根據(jù)增程器的低能耗區(qū)間制定規(guī)則控制策略，小功率的能量需求應(yīng)由動(dòng)力電池滿足。

2.3 模糊控制能量管理策略

在多源動(dòng)力系統(tǒng)混合供電時(shí)，若針對(duì)動(dòng)力電池和增程器采用規(guī)則控制策略，可能導(dǎo)致動(dòng)力電池在使用過程中出現(xiàn)過度充放電，增程器發(fā)電功率不處于最優(yōu)耗油區(qū)間，模糊控制可以隨著外載荷變化情況適時(shí)調(diào)整各動(dòng)力源的充入或輸出電能大小，使其根據(jù)不同時(shí)間的使用情況合理確定其放電能力，因此要對(duì)動(dòng)力電池和增程器聯(lián)合供電時(shí)建立模糊控制策略。

本文對(duì)其放電控制的模糊控制輸入?yún)?shù)為：某時(shí)刻的負(fù)載需求功率與電網(wǎng)電源提供功率之差占動(dòng)力電池和增程器聯(lián)合供電功率的比例系數(shù)K、動(dòng)力電池電荷量SOC；輸出參數(shù)為：模糊控制計(jì)算后分配給動(dòng)力電池供電的功率占比K。采用Mamdani推理方法[16,17]，輸入和輸出約束條件見下式。

式中：P為動(dòng)力電池和增程器聯(lián)合供電可提供的最大功率；P(soct)為動(dòng)力電池經(jīng)模糊控制處理后的放電功率；P為動(dòng)力電池提供的功率上限閾值；P為增程器提供的功率上限閾值

在模糊控制中，設(shè)定的模糊子集越多控制效果越好，但子集數(shù)量一般不超過七個(gè)[18]。對(duì)輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)構(gòu)建隸屬度函數(shù)，輸入功率比例系數(shù)K的論域?yàn)閇0.2,1]，其模糊子集為[LP, SP, MP, BP, HP]，分別對(duì)應(yīng){極小，較小，中等，較大，極大}；動(dòng)力電池荷電量狀態(tài)SOC的論域?yàn)閇0.2，0.9]，其模糊子集為[LB, SB, MB, HB]，分別對(duì)應(yīng){極低，低，中，高}；由于動(dòng)力電池作為最后工作的電源，且輸出功率有限，故定義輸出量K的論域?yàn)閇0, 0.5]，其模糊子集為[LBP, SBP, MBP, BBP, HBP]，分別對(duì)應(yīng){很小，正小，正中，正大，很大}。K、SOC、K的隸屬度如圖3-5所示。

圖3 輸入功率比例系數(shù)Kp隸屬度函數(shù)

圖 4 動(dòng)力電池荷電量狀態(tài)SOCBat隸屬度函數(shù)

圖5 功率分配因數(shù)KBat隸屬度

對(duì)輸入輸出量建模模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 需求功率模糊控制規(guī)則

其三維關(guān)系面如圖6所示

圖6 輸入與輸出三維關(guān)系

3 作業(yè)工況及動(dòng)力元件分析

3.1 作業(yè)工況模型

設(shè)施農(nóng)業(yè)中通常要進(jìn)行運(yùn)輸、噴藥、澆灌、除草、起壟和旋耕等作業(yè)，通?？筛鶕?jù)作業(yè)負(fù)載的功率需求相對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)提供的最大功率占比大小可分為輕載作業(yè)、中載作業(yè)和重載作業(yè)[5]。輕載作業(yè)多以空載轉(zhuǎn)運(yùn)為主，本文不對(duì)輕載作業(yè)進(jìn)行研究，以中載作業(yè)滿載高速運(yùn)輸和重載作業(yè)旋耕為例，分析作業(yè)功率需求。

3.1.1 中載作業(yè)工況將農(nóng)用機(jī)械及運(yùn)輸物品從某地到另一地進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的需求功率通常與負(fù)載和速度大小相關(guān)。滿載高速運(yùn)輸時(shí)只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器后驅(qū)動(dòng)車輛作業(yè)，其功率需求見公式6。

由于所設(shè)計(jì)為履帶式車輛，最大車速為遠(yuǎn)小于輪式車輛，工作環(huán)境為平整路面，日常多為勻速作業(yè)，因此爬坡、風(fēng)阻功率和加速功率可忽略,即式,履帶車輛阻力系數(shù)見式7、8。

式中，1為總傳動(dòng)效率，為整車重力，為阻力系數(shù)（其中1為附著系數(shù)，2為履帶內(nèi)部阻力系數(shù)，3為慣性阻力系數(shù)），為行駛速度，為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，為履帶接地長度，1,2為兩側(cè)履帶行駛速度，為軌距。

3.1.2 重載作業(yè)工況旋耕作業(yè)中牽引阻力相對(duì)較大，需求功率較大，在進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，車輛低速行駛并給旋耕電機(jī)供能，其功率需求[19]見式9、10、，其中K計(jì)算見式11。

式中，為轉(zhuǎn)矩，為角速度，為隨機(jī)函數(shù)，取1～1.2，模擬卷線時(shí)刻的線纜震蕩消耗功率；為耕深；K為旋耕比阻；K為切土壓強(qiáng)，取11～11；1為耕深修正系數(shù)，取0.85～0.95；2為土壤含水率修正系數(shù)，取0.9～0.92；3為殘茬植被修正系數(shù)，取0.85～0.95；4為作業(yè)方式修正系數(shù)，取0.66～0.68。

3.2 動(dòng)力元件分析

3.2.1 電網(wǎng)電源電網(wǎng)電源輸出為220/380 V交流電，在校正電壓與電流的相位差，整流降壓至本文設(shè)計(jì)電壓平臺(tái)后，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及作業(yè)電機(jī)供電，在多源動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)保證線纜安全性。電網(wǎng)電源的數(shù)學(xué)模型應(yīng)滿足式12、13。

式中：電網(wǎng)為電網(wǎng)供電功率；為功率因數(shù)；1為開關(guān)電源效率；線徑max為線徑對(duì)應(yīng)線纜所能承受最大功率。其中和1的取值受需求功率大小的影響。

3.2.2 動(dòng)力電池動(dòng)力電池在充放電過程中能量轉(zhuǎn)換有一定量的損失[20,21]，并且在此過程中的電壓和電荷量變化較為復(fù)雜，呈現(xiàn)非線性的特征。因此對(duì)動(dòng)力電池充放電電流和電壓變化進(jìn)行精準(zhǔn)建模較為困難。采用Rint模型建立等效仿真模型可較為方便準(zhǔn)確模擬動(dòng)力電池充放電過程[22,23]，其電流、電荷量如下。

式中：I為動(dòng)力電池充放電電流；U為動(dòng)力電池開路電壓；R為動(dòng)力電池充放電內(nèi)阻；PBat為動(dòng)力電池充放電功率；SOC為動(dòng)力電池t時(shí)刻的電荷量；0為動(dòng)力電池初始時(shí)刻電荷量；C為動(dòng)力電池容量。

3.2.3 增程器小型增程器是一種小功率的發(fā)電機(jī)，由于其體積小，質(zhì)量輕便于攜帶的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)三輪車等小動(dòng)力車輛充電的一種備用電源[24,25]，目前也有應(yīng)用于一些小型電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械。使用小功率增程器，可以在動(dòng)力電池饋電或輸出功率不足時(shí)及時(shí)輸出電能，但同時(shí)需要避免增程器反復(fù)啟停帶來的振動(dòng)和油耗。但目前尚未有學(xué)者專門研究過小型增程器油耗曲線，參照某電動(dòng)汽車增程器萬有特性曲線[26]，以某品牌小型增程器以額定轉(zhuǎn)速發(fā)電，最大油耗480 g/kWh為例，可得到該品牌小型增程器的燃油消耗率變化趨勢如圖7所示。其中燃油消耗計(jì)算公式如下。

式中：P為增程器有效輸入功率；Pmax為增程器最大發(fā)電功率；為有效燃油消耗率；為每小時(shí)的燃油消耗量。

圖7 小型增程器發(fā)電油耗圖

4 建模與仿真分析

4.1 基于Simulink搭建系統(tǒng)模型

根據(jù)能量管理策略及模型分析搭建系統(tǒng)模型，使用電網(wǎng)電源的系統(tǒng)模型如圖8所示，不使用電網(wǎng)電源的系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖 8 有電網(wǎng)電源的系統(tǒng)模型

Fig.8 A model of the system with grid power

圖9 無電網(wǎng)電源的系統(tǒng)模型

對(duì)比使用電網(wǎng)電源的多源動(dòng)力系統(tǒng)模型和無電網(wǎng)電源的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)模型中，其主要區(qū)別在于：①力矩電機(jī)僅在使用電網(wǎng)電源時(shí)工作，且直接由電網(wǎng)電源進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)，并對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)電；②在無電網(wǎng)電源的系統(tǒng)模型中，增程器根據(jù)動(dòng)力電池電荷量大小判斷是否補(bǔ)電，系統(tǒng)輸出功率相對(duì)較小，應(yīng)避免重載作業(yè)。

4.2 仿真設(shè)置

農(nóng)用機(jī)械在地間的作業(yè)普遍具有周期性，其表現(xiàn)為：直行（機(jī)具作業(yè)）——轉(zhuǎn)彎（機(jī)具不作業(yè)）的交替進(jìn)行。對(duì)于長寬確定的地塊，確定不同工況下的作業(yè)速度和轉(zhuǎn)彎速度進(jìn)行仿真可得到其作業(yè)效率，能耗情況。

對(duì)農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行仿真作業(yè)，設(shè)定條件如下：

①地塊長為66.7 m，寬為10 m，單塊地的作業(yè)面積為0.0667 hm2。

②不使用電網(wǎng)電源的中載工況，設(shè)定滿載運(yùn)輸直行速度為7.2 km/h，無轉(zhuǎn)彎作業(yè)。

③使用電網(wǎng)電源的重載工況，設(shè)定直行速度為3.6 km/h，轉(zhuǎn)彎速度為1.8 km/h，作業(yè)幅寬為1 m。

將設(shè)計(jì)的多源動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)小車參數(shù)輸入系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真分析。

系統(tǒng)中開關(guān)電源和DC/DC等電子元器件的表2率隨電網(wǎng)電源、動(dòng)力電池的輸出功率變化，根據(jù)某產(chǎn)品試驗(yàn)分析效率數(shù)據(jù)建立仿真模型，在此不過多敘述。動(dòng)力元件中線纜可以通過卷筒置于田地邊緣處，不占據(jù)底盤空間和質(zhì)量，增程器的體積是動(dòng)力電池的1.6倍，質(zhì)量是其1.08倍。

表2 整車主要部件設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3 仿真結(jié)果

4.3.1 中載作業(yè)仿真結(jié)果對(duì)于中載作業(yè)工況中的較長距離轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，不宜使用電網(wǎng)電源供電，且轉(zhuǎn)運(yùn)需求功率相對(duì)較小，動(dòng)力電池和小型增程器組成的動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足其功率需求。

在中載作業(yè)工況仿真中，分析動(dòng)力電池電荷量仿真圖10，在滿載以7.2 km/h的速度下，無電網(wǎng)電源至少可以持續(xù)作業(yè)3 h，即續(xù)航21.6 km，其中小型增程器消耗燃油約為1372 mL，滿足農(nóng)用機(jī)械在田間轉(zhuǎn)運(yùn)的要求。通過圖11可以得到如果采用純電池供電，峰值電流達(dá)到96.8 A，平均放電電流為84.5 A，而采用模糊控制的雙電源系統(tǒng)供電，動(dòng)力電池峰值電流為24.2 A，平均放電電流為21.1 A，能夠避免動(dòng)力電池大電流放電，保護(hù)其使用壽命，作業(yè)相同的時(shí)間，動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池質(zhì)量相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了48%，體積降低了35%。

圖10 動(dòng)力電池電荷量變化

圖11 純動(dòng)力電池與模糊控制動(dòng)力電池放電電流對(duì)比

4.3.2 重載作業(yè)仿真結(jié)果在重載作業(yè)仿真中，設(shè)置耕地深度為15 cm。分析動(dòng)力電池電荷量仿真圖12，使用多源動(dòng)力系統(tǒng)供電可以進(jìn)行6 h旋耕作業(yè)，小型增程器耗油約為2838 mL，其作業(yè)效率可達(dá)到每小時(shí)0.322 hm2，其中在作業(yè)間隙電網(wǎng)電源對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行了補(bǔ)電（圖13）。

通過圖14可以看出如果采用純電池供電，峰值電流達(dá)到227.2 A，平均放電電流為201.1 A，每小時(shí)作業(yè)耗電8.2 kWh，選用的動(dòng)力電池將占據(jù)整車的大部分體積和質(zhì)量；采用無模糊控制的多源動(dòng)力系統(tǒng)供電，峰值電流為113.3 A，平均放電電流為77.1 A，每小時(shí)作業(yè)耗電3.7 kWh；在多源動(dòng)力系統(tǒng)中加入模糊控制后，動(dòng)力電池放電峰值電流達(dá)到41.7 A，平均放電電流為11.1 A，每小時(shí)作業(yè)僅耗電0.53 kWh。作業(yè)相同的時(shí)間，多源動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力電池質(zhì)量相較于無模糊控制的多源動(dòng)力系統(tǒng)降低了70.25%，體積降低了66.82%，相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了86.48%，體積降低了83.1%。

圖12 動(dòng)力電池電荷量變化曲線

圖13 動(dòng)力電池電荷量變化曲線局部放大圖

圖14 單一動(dòng)力電池與多源動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力電池輸出電流值

3 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計(jì)一種以電網(wǎng)電源供電為主，小容量的動(dòng)力電池和小型增程器輔助供電的多源動(dòng)力系統(tǒng)，基于Simulink搭建中/重載作業(yè)工況有無電網(wǎng)電源供電的系統(tǒng)模型。經(jīng)過仿真分析得到，中載作業(yè)中無電網(wǎng)電源供電下，滿載高速轉(zhuǎn)運(yùn)續(xù)航滿足田間轉(zhuǎn)運(yùn)需求，且動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池質(zhì)量相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了48%，體積降低了35%；重載作業(yè)在多源動(dòng)力系統(tǒng)供電下，可連續(xù)6h進(jìn)行旋耕作業(yè)，作業(yè)相同時(shí)間，多源動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力電池質(zhì)量相較于無模糊控制的多源動(dòng)力系統(tǒng)降低了70.25%，體積降低了66.82%，相較于純動(dòng)力電池供電系統(tǒng)降低了86.48%，體積降低了83.1%。。對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析證明，多源動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足農(nóng)用機(jī)械在輕中重載作業(yè)工況下的功率需求和能量需求，為小型電動(dòng)農(nóng)用機(jī)械發(fā)展中受到動(dòng)力電池容量不足，體積大、質(zhì)量大的制約提供一種解決思路；

（2）采用規(guī)則控制策略和模糊充放電控制策略對(duì)多源動(dòng)力系統(tǒng)電源能量進(jìn)行管控，滿足作業(yè)動(dòng)力性的前提下合理分配不同電源的輸出功率，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行了保護(hù)，并根據(jù)電網(wǎng)電源的富裕功率對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)電，可以延長整車作業(yè)續(xù)航時(shí)長。

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Design and Energy Management Simulation of Multi-source Power Parallel System of Facility Agricultural Machinery Based on Simulink

JIANG Huan-long1, LIAO Gui-ming1, LI Qing-tao1,2, CHEN Xing-hai1, LI Jia-yang1, YAN Chong-yong1

1.610039,2.610039,

In view of the problem that small pure electric facilities agricultural machinery in larger power working condition operation is limited by the specific energy of power battery, design a multi-source power system drive scheme with grid power supply as the main source and small capacity power battery and small range extender as the supplement. Combined with the actual operation requirements of facility agriculture, the energy management method combining rule control strategy and fuzzy control strategy are used, and the system models are established based on Simulink for simulation analysis. The results show that in medium-load operation, the fuzzy-controlled small-capacity power battery and small range extender can meet the range requirements, and the power battery mass in the power system is reduced by 48% and the volume is reduced by 35% compared with the pure power battery-powered system; in heavy-load operation, the power battery mass of the multi-source power system is reduced by 70.25% and the volume is reduced by 66.82% compared with the multi-source power system without fuzzy control for the same duration of operation, and the volume is reduced by 86.48% and 83.1% compared with the pure power battery-powered system. In heavy-duty operation, the power battery mass of multi-source power system is reduced by 70.25% and the volume is reduced by 66.82% compared with the multi-source power system without fuzzy control, and the volume is reduced by 86.48% and 83.1% compared with the pure power battery power system. This paper provides a solution to the problem of small purely electric agricultural machinery constrained by the large mass and size of the power battery.

Farm machinery; dynamical system; energy management

S219.4

A

1000-2324(2023)02-0308-11

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.021

2022-10-23

2022-12-05

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目):小型多功能插電式作業(yè)車(2021YFG0064)

姜?dú)g龍(1997-),男,碩士研究生,研究方向:農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及能量管理. E-mail:huanlong689@163.com

Author for correspondence. E-mail:liqingtao@mail.xhu.edu.cn