雙電源電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理仿真研究

夏長(zhǎng)高,孫 閆,周雯雯

(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)是近年來(lái)新興的一種新型農(nóng)用作業(yè)工具，具有低噪音、無(wú)排放、低造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是解決設(shè)施園藝、果園與茶園內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械所造成的能源和環(huán)保問(wèn)題的有效途徑之一，也是未來(lái)農(nóng)機(jī)環(huán)?；芯康闹饕较?。20世紀(jì)70年代，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都開(kāi)始研究純電動(dòng)拖拉機(jī)，國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究主要集中在一些高校[1-3]，研制的產(chǎn)品主要用于園藝、清掃等作業(yè)，部分電動(dòng)拖拉機(jī)也適用于田間耕地作業(yè)。但由于純電動(dòng)拖拉機(jī)存在功率范圍低、充電時(shí)間長(zhǎng)，一次充電連續(xù)工作時(shí)間短等問(wèn)題，混合動(dòng)力拖拉機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-8]。德國(guó)ZF公司推出一種了混合動(dòng)力拖拉機(jī)樣機(jī)，該樣機(jī)配備了發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Generator System，GS)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Hybrid System，HS)，并重點(diǎn)研究了行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基于燃油經(jīng)濟(jì)性的能量管理控制策略研究。2012年，Yuko Ueka介紹了將柴油拖拉機(jī)改裝成帶有直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)拖拉機(jī)，改裝后的拖拉機(jī)能夠節(jié)能70%。

鑒于拖拉機(jī)作業(yè)工況的復(fù)雜性，本文設(shè)計(jì)了一種以超級(jí)電容(Super Capacitor，SC)作為輔助電源的復(fù)合電源(Dual-source Energy Storage System ，DESS)電動(dòng)拖拉機(jī)，使用具有高能量密度的動(dòng)力電池(Battery，bat)作為能量主體，可滿足電動(dòng)拖拉機(jī)中低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的能量需求[9-10]。當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)負(fù)荷突然增大、功率需求增大時(shí)，超級(jí)電容與車載電池協(xié)同工作，從而防止車載電池頻繁大電流放電,保障電池安全，提高了電池使用壽命[11-13]。能量管理策略如何合理分配復(fù)合電源系統(tǒng)中電池和超級(jí)電容兩者的輸出功率，實(shí)現(xiàn)能量按最佳路線流動(dòng)，從而提高能量利用效率是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[14]。為此，本文分析了電動(dòng)拖拉機(jī)在不同作業(yè)工況下整車需求特性，對(duì)需求功率和能量管理控制策略進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，并引入能量需求分配系數(shù)，同時(shí)結(jié)合復(fù)合電源各自的放電特性，制定了以模糊控制為核心的能量管理控制策略，通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了該控制策略的適用性及合理性。

1 拖拉機(jī)作業(yè)工況及能量需求分析

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)作業(yè)的主要?jiǎng)恿ρb置，配置不同的農(nóng)機(jī)具可進(jìn)行運(yùn)輸、播種、收割、耙地、旋耕及犁耕等多種作業(yè)[15]。拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，每種作業(yè)工況都對(duì)拖拉機(jī)性能提出了嚴(yán)苛的要求，電動(dòng)拖拉機(jī)工況設(shè)計(jì)一般應(yīng)包含3種典型工況即運(yùn)輸工況、旋耕工況、犁耕工況。為合理分配復(fù)合電源系統(tǒng)功率輸出，必須確定拖拉機(jī)在典型作業(yè)工況下的功率需求。

電動(dòng)拖拉機(jī)在田間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸時(shí)沒(méi)有農(nóng)具牽引以及額外動(dòng)力輸出，主要受行駛土壤阻力和加速阻力作用,其功率為

Pq1=V1(Ff+Fj)+Pσ+Pl

(1)

式中V1—田間轉(zhuǎn)移速度(km/h)；

Ff—拖拉機(jī)行駛阻力(N)；

Fj—加速阻力(N)；

Pσ—驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)功率損失(kW)；

Pl—機(jī)械傳動(dòng)損失(kW)。

旋耕作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)配置旋耕機(jī)具，作業(yè)阻力主要包括拖拉機(jī)行駛阻力和旋耕機(jī)旋耕阻力。由于旋耕機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種模式，旋耕機(jī)與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致對(duì)拖拉機(jī)有推動(dòng)作用，功率表達(dá)式為負(fù)，反之則為正，其需求功率為

(2)

式中V2—旋耕速度(km/h)；

a—旋耕深度(cm)；

b—旋耕耕寬(cm)；

K—比例系數(shù)；

Kx—旋耕比阻(N/m2)。

犁耕作業(yè)阻力是在運(yùn)輸阻力的基礎(chǔ)上加上犁具牽引阻力，根據(jù)郭略契金公式，犁具牽引阻力主要由土壤對(duì)犁具的阻力、土壤變形阻力、翻壟阻力3部分組成[16-17]，犁耕功率為

(3)

式中θ—犁耕阻力系數(shù)；

G3—犁具重力(N)；

K1—土壤變形系數(shù)；

c—耕深(cm)；

d—耕幅(cm)；

γ—拋土系數(shù)；

V3—犁耕速度(km/h)。

2 電動(dòng)拖拉機(jī)整體布置方案

圖1所示為雙電源電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)布置方案。電動(dòng)拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)作業(yè)速度較低、制動(dòng)情況較少，無(wú)法收集制動(dòng)能量進(jìn)行充電，故電動(dòng)拖拉機(jī)以超級(jí)電容作為輔助能源。超級(jí)電容與DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)，三者構(gòu)成能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)。復(fù)合電源系統(tǒng)模型采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠調(diào)節(jié)超級(jí)電容電壓使之與動(dòng)力電池電壓一致，這種結(jié)構(gòu)能夠較好地主動(dòng)控制超級(jí)電容輸出電壓與電流，并且能夠發(fā)揮蓄電池作為主要能量來(lái)源的作用。

能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)及電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)變速箱、驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)。

圖1 復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of electric tractor with compound power supply

拖拉機(jī)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)需求功率范圍確定能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)工作方式。能量流動(dòng)路線簡(jiǎn)化如圖2～圖4所示。

圖2 超級(jí)電容充電模式Fig.2 Super capacitor charging mode

圖3 動(dòng)力電池單獨(dú)供電模式Fig.3 Battery independent power supply mode

圖4 動(dòng)力電池和超級(jí)電容聯(lián)合供電模式Fig.4 Combined power supply mode of battery and ultracapacitor

圖2為超級(jí)電容充電模式。拖拉機(jī)田間運(yùn)輸階段電機(jī)功率需求較小，電池輸出功率可滿足電機(jī)功率需求，當(dāng)超級(jí)電容電量不足時(shí)將多余的功率提供給超級(jí)電容充電。

圖3為動(dòng)力電池單獨(dú)供電模式。旋耕階段，功率需求適中，此時(shí)動(dòng)力電池單獨(dú)供電即可滿足功率需求。

圖4為超級(jí)電容和動(dòng)力電池聯(lián)合供電模式。犁耕工況下基礎(chǔ)能量需求較大，隨著犁耕作業(yè)的進(jìn)行，不同的土壤反映的土壤阻力系數(shù)也有所不同，電機(jī)需求功率也隨著阻力系數(shù)的變化而呈現(xiàn)一定的變化，動(dòng)力電池單獨(dú)提供能量難以滿足功率需求，能量管理控制策略將根據(jù)此時(shí)動(dòng)力電池SOC、超級(jí)電容SOC及需求功率合理分配動(dòng)力電池和超級(jí)電容的輸出功率。當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)遇到土壤阻力系數(shù)突然增大、犁耕轉(zhuǎn)向等短時(shí)間大功率需求階段，超級(jí)電容SOC充足則由超級(jí)電容承擔(dān)峰值功率輸出，蓄電池承擔(dān)剩余功率輸出。當(dāng)犁耕阻力系數(shù)較小的土壤時(shí)，則由動(dòng)力電池單獨(dú)供電承擔(dān)主要功率輸出。

3 能量管理控制策略

3.1 能量分配原則

拖拉機(jī)在田間運(yùn)輸及旋耕作業(yè)時(shí)，電機(jī)需求功率較小，由電池單獨(dú)供電即可滿足功率需求，所以當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)在運(yùn)輸檔和旋耕檔時(shí)超級(jí)電容不參與輔助供電。電動(dòng)拖拉機(jī)在犁耕時(shí)基礎(chǔ)需求功率較大，犁耕基本以恒速運(yùn)行，但土質(zhì)堅(jiān)硬程度變化會(huì)導(dǎo)致犁耕阻力呈現(xiàn)間斷變化，出現(xiàn)阻力幅度變化較大情況時(shí)，拖拉機(jī)為了克服突變阻力電池就會(huì)以大電流放電。能量管理控制策略是電動(dòng)拖拉機(jī)的“大腦”，將拖拉機(jī)作業(yè)過(guò)程中電機(jī)的需求功率合理分配給DESS。具體分配方案的目的是削除動(dòng)力電池峰值電流，降低大電流放電次數(shù)、提高超級(jí)電容使用效率及能量使用效率。在合理匹配電動(dòng)拖拉機(jī)各傳動(dòng)部件參數(shù)后，根據(jù)不同的作業(yè)工況及控制目標(biāo)制定合理的能量管理控制策略，協(xié)調(diào)動(dòng)力電池和超級(jí)電容兩者能量分配。

3.2 模糊控制

模糊控制作為一種廣為應(yīng)用的智能控制方法[18]，是控制策略的核心部分。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器主要采用3個(gè)輸入，1個(gè)輸出的結(jié)構(gòu)，采用Mamdani推理方法。輸入與輸出約束條件為

Preq=ηPess

(4)

(5)

Pess=Pbat+Psc

(6)

Kbat+Ksc=1

(7)

式中Preq— 需求功率(kW)；

Pess— 復(fù)合電源可提供功率(kW)；

Pbat— 動(dòng)力電池輸出功率(kW)；

Psc— 超級(jí)電容輸出功率(kW)；

Kbat— 動(dòng)力電池功率分配因子；

Ksc— 超級(jí)電容功率分配因子。

圖5為各輸入、輸出的隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)反映了論域空間上每一點(diǎn)的隸屬度映射到0到1之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。輸入量Preq論域?yàn)閇0，1]，對(duì)應(yīng)模糊集合為[ZE，PS，PM，PB]，分別代表{零，正小，正中，正大}；SOCbat論域?yàn)閇0.3，0.9]，對(duì)應(yīng)模糊集合為[NS，NM，NB] ，分別代表{低，中，高}；SOCsc論域?yàn)閇0.2，0.95]，對(duì)應(yīng)模糊集合為[NS，NM，NB] ，分別代表{小，中，大}；輸出量Kbat論域?yàn)閇0，1]，對(duì)應(yīng)模糊集合為[ZO，LE，PS，PM，PB] ，分別代表{零，較小，正中，較大，很大}。

模糊規(guī)則是模糊控制的核心，規(guī)則中輸入量與輸出量范圍劃分越詳細(xì)則越接近最優(yōu)控制，但控制算法計(jì)算也會(huì)越復(fù)雜，在合理劃分范圍后并根據(jù)上述控制策略建立的模糊規(guī)則庫(kù)如表1所示，得到的輸入輸出變化關(guān)系如圖6所示。

(a) Preq隸屬度函數(shù)

(b) SOCbat隸屬度函數(shù)

(c) SOCsc隸屬度函數(shù)

(d) Kbat隸屬度函數(shù)圖5 隸屬度函數(shù)Fig.5 Input and output variables’membership function表1 模糊規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule Table

SOCscPreqSOCbatNSNMNBNSZEZOZOZOPSPMPBPBPMPMPBPBPBPMPBPBNMZOZOZOZOPSLEPSPMPMZOPSPBPBLEPMPBNBZEZOZOZOPSZOZOZOPMZOLEPSPBZOPSPM

(a) Preq、SOCbat、Kbat關(guān)系

(b) Preq、SOCsc、Kbat關(guān)系圖6 輸入與輸出關(guān)系Fig.6 Relation between input and output

4 建模與仿真

4.1 復(fù)合電源拖拉機(jī)仿真模型

圖7為基于CRUISE軟件建立的拖拉機(jī)整機(jī)模型。

圖7 復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)仿真模型Fig.7 Simulation model of electric tractor with compound power supply

仿真軟件CRUISE是一種整車及動(dòng)力總成仿真分析軟件，主要采用前向仿真法，仿真更精確，也可同時(shí)進(jìn)行逆向仿真，可用于計(jì)算車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。其可將傳統(tǒng)車輛改裝成多種特種作業(yè)車輛，支持模塊化建模，方便管理各個(gè)部件子模塊。

動(dòng)力電池容量為210Ah，單體電壓3.4V，30組串聯(lián)。選用Maxwell超級(jí)電容，單體電壓2.5V，單體電容3 000F，48組串聯(lián)。拖拉機(jī)其他部件匹配參數(shù)如表2所示。

表2 復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)主要部件參數(shù)Table 2 Main parts parameter of electric tractor with DESS

4.2 仿真結(jié)果

CRUISE內(nèi)置很多汽車用計(jì)算任務(wù)，包括循環(huán)工況任務(wù)、巡航任務(wù)及全負(fù)荷加速性能任務(wù)等；但評(píng)價(jià)電動(dòng)拖拉機(jī)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為牽引性能及一次充電作業(yè)時(shí)間。為驗(yàn)證控制策略有效性、適用性，在CRUISE中建立的復(fù)合電源物理模型中添加MatLab DLL模塊，該模塊可將在Simulink中建立的模糊控制規(guī)則轉(zhuǎn)化為CRUISE可用的DLL文件。電動(dòng)拖拉機(jī)牽引性能以及一次充電作業(yè)時(shí)間仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8(a)為不同作業(yè)工況下最高車速對(duì)比圖。電動(dòng)拖拉機(jī)在運(yùn)輸作業(yè)時(shí)最高車速達(dá)7.78km/h，旋耕作業(yè)最高車速達(dá)4.65km/h，單一電源犁耕作業(yè)最高車速達(dá)2.66km/h，最大加速度為1.72m/s2；采用復(fù)合電源后最高車速可達(dá)3.27km/h，加速度可達(dá)1.91m/s2。

圖8(b)為不同作業(yè)工況下?tīng)恳?duì)比圖。在最大牽引力計(jì)算任務(wù)中，運(yùn)輸工況下拖拉機(jī)在速度為6.0km/h，達(dá)到最大牽引力為5 646N。旋耕工況下拖拉機(jī)速度達(dá)到3.5km/h時(shí)，達(dá)到最大牽引力8 920N。犁耕工況下單一能量源拖拉機(jī)在2km/h時(shí)達(dá)到最大牽引力9 980N，使用復(fù)合電源后最大牽引力達(dá)到11 600N。

圖8(c)為電動(dòng)拖拉機(jī)在不同作業(yè)速度下一次充電持續(xù)作業(yè)時(shí)間圖。電動(dòng)拖拉機(jī)在田間運(yùn)輸以6.0km/h可行駛34.3km，持續(xù)作業(yè)為5.7h。旋耕工況下以3.5km/h旋耕，作業(yè)距離可達(dá)15.4km，持續(xù)作業(yè)時(shí)間為4.4h。相同儲(chǔ)能條件下采用單一能量源拖拉機(jī)以3.0km/h速度犁耕，持續(xù)作業(yè)時(shí)間為3.4h，作業(yè)里程為11.2km；采用復(fù)合電源以相同速度犁耕，持續(xù)作業(yè)時(shí)間為4.1h，作業(yè)里程可以達(dá)到11.6km。結(jié)果表明：采用復(fù)合電源后拖拉機(jī)犁耕一次充電持續(xù)作業(yè)時(shí)間、續(xù)駛里程均得到了小幅的提升。這主要是因?yàn)槌?jí)電容在起步和轉(zhuǎn)向時(shí)承擔(dān)了大放電的任務(wù)，動(dòng)力電池大放電次數(shù)減少，續(xù)駛里程得到了小幅提升。

(a) 拖拉機(jī)最高車速圖

(b) 拖拉機(jī)牽引力圖

(c) 拖拉機(jī)在不同速度下持續(xù)作業(yè)時(shí)間圖圖8 犁耕作業(yè)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of plow operation

復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)在運(yùn)輸時(shí)最大牽引功率6.5kW，旋耕最大牽引功率為6.9kW，犁耕最大牽引功率為7.1kW，由于使用超級(jí)電容，既降低了復(fù)合電源系統(tǒng)中動(dòng)力電池的供電電流，通過(guò)超級(jí)電容放電，復(fù)合電源系統(tǒng)又可向電機(jī)提供更大的電流。仿真結(jié)果表明：使用復(fù)合電源系統(tǒng)后最大牽引功率提升為7.8kW，所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)基本可以滿足犁耕功率需求，在農(nóng)田進(jìn)行旋耕及運(yùn)輸轉(zhuǎn)移時(shí)也可提供較大的后備功率。

5 結(jié)論

1)提出了一種新型復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)，并以復(fù)合電源拖拉機(jī)為研究對(duì)象，將拖拉機(jī)在典型工況下的功率需求數(shù)學(xué)抽象化。闡述了各個(gè)作業(yè)工況下復(fù)合電源能量流動(dòng)路線，設(shè)置了田間運(yùn)輸工況、旋耕工況和犁耕工況，分別對(duì)復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)牽引性能及一次充電持續(xù)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2)在Simulink上搭建整車能量管理模糊控制模型，以整車需求功率、超級(jí)電容SOC、動(dòng)力電池SOC為輸入量，以電池輸出功率的占比為輸出量?jī)?yōu)化復(fù)合電源使用情況?；跀?shù)學(xué)抽象的功率需求和選定的拖拉機(jī)部件參數(shù)在CRUISE中搭建復(fù)合電源純電動(dòng)拖拉機(jī)整車模型，并實(shí)現(xiàn)了CRUISE和Simulink的聯(lián)合仿真。

3)復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)相比于單一能量源電動(dòng)拖拉機(jī)在犁耕工況下的經(jīng)濟(jì)性能方面提升較小，表現(xiàn)為續(xù)駛里程提升了3.5%，一次充電作業(yè)時(shí)間提升0.7h；但犁耕動(dòng)力性能有了較大提升。其主要體現(xiàn)在加速度提升了11%，犁耕最大牽引力提升了16.2%，最大運(yùn)行速度提升了23%，最大牽引功率提升9.8%。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)基本可以滿足多種復(fù)雜作業(yè)的需求。