設施大棚履帶電動拖拉機電源系統(tǒng)仿真研究

劉靜，孫閆

（1.南京交通職業(yè)技術學院 汽車工程學院，南京 211188；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

設施農業(yè)是一種高效的現代農業(yè)生產方式，國家在《“十二五”規(guī)劃綱要》中明確將“加快發(fā)展設施農業(yè)”作為發(fā)展現代農業(yè)的重要戰(zhàn)略[1]。2012年全國設施農業(yè)面積已占世界總面積的85%以上[2]，其中95%以上是溫室大棚覆蓋。目前設施農業(yè)機械主要以柴油機或汽油機作為動力，在狹小、封閉溫室大棚作業(yè)時排放的尾氣易對棚內的環(huán)境造成污染，危害人體健康，影響農作物的食用安全，因此需要適合設施農業(yè)作業(yè)環(huán)境的小型、多功能、環(huán)保的農機機械。小型電動拖拉機具有能源使用效率高、作業(yè)質量好、噪聲低、對農作物生長環(huán)境無污染、靈活方便等優(yōu)點，是現代農業(yè)機械的新一代重要動力裝備。

和電動汽車一樣，電源及其管理技術也是電動拖拉機的三大關鍵技術之一，影響電動拖拉機的能源消耗、一次充滿電連續(xù)作業(yè)時間及電池使用壽命等。本文以一種適用于設施大棚作業(yè)環(huán)境的履帶電動拖拉機的電源系統(tǒng)為研究對象，選擇田間轉移運輸這一典型作業(yè)工況，對該工況下的電源性能進行仿真分析。

1 動力學模型

在田間運輸轉移作業(yè)工況下，電動拖拉機作業(yè)速度不高且不用爬坡，故忽略空氣阻力和坡道阻力，運輸轉移工況動力學方程為：

運輸轉移作業(yè)時所需電動機輸出轉矩Treq計算公式為

式中：rd為驅動輪動力半徑，m；ig為運輸轉移作業(yè)時傳動系總傳動比；ηt為運輸轉移作業(yè)時傳動系總效率。

運輸轉移作業(yè)時的車速v計算公式為

式中，ne為驅動電動機轉速,r/min。

2 仿真模型

在建立仿真模型時，均是先設定車速，由車速結合拖拉機動力學方程計算達到該車速所需的電動機轉矩和轉速；然后由電動機轉矩和轉速求出電動機需求功率，再將該需求功率提供給電源系統(tǒng)。

田間運輸轉移工況仿真模型主要由電動機輸出轉矩轉速模塊、電動機需求功率模塊、鋰電池模塊等組成，如圖1所示。

將輸入的車速信號代入式（3），可以計算出電動機輸出轉速。電動機輸出轉矩可以根據式（1）和式（2）獲得。在Matlab/Simulink中建立的電動機輸出轉矩和轉速模塊的模型如圖2所示。

由電動機輸出的轉矩和轉速可以計算出電動機輸入端的功率。在Matlab/Simulink中建立的電動機需求功率模塊模型如圖3所示。

鋰電池模塊根據電動機需求的功率計算出電池的SOC和實際輸出功率，主要包括電池組的開路電壓和內阻計算子模塊、功率限制子模塊、SOC估算子模塊、工作電壓和電流計算子模塊及結束停止模塊等[3-5]，如圖4所示。各主要子模塊的仿真模型如圖5～圖8所示[3]。

圖1 田間運輸轉移作業(yè)仿真模型

圖2 電動機輸出轉矩轉速模塊仿真模型

圖3 電動機需求功率模塊仿真模型

圖4 鋰離子電池模塊總的仿真模型

設施大棚履帶電動拖拉機主要部件參數如表1所示[6]。

表1 雙能源電動拖拉機主要部件參數

3 仿真結果

圖5 開路電壓和內阻計算子模塊仿真模型

圖6 功率限制子模塊仿真模型

圖7 工作電壓和電流計算子模塊仿真模型

圖8 SOC估算子模塊仿真模型

拖拉機在田間運輸轉移速度范圍通常為5～8 km/h。在此范圍內給定某一恒定車速，仿真得到該車速下的電池SOC的變化。圖9所示為不同恒定車速下電池SOC的變化曲線。從圖中可以看出，隨著運輸作業(yè)速度的升高，電池SOC下降得越快，電池SOC達到仿真模型中設置的下限值15%的時間也就越短，進而說明車速越高，作業(yè)時連續(xù)運輸作業(yè)時間變短。

另外，參照歐洲EUDC附加市郊行駛工況[7]，將該行駛工況中的車速成比例地縮小并作為電動拖拉機田間運輸循環(huán)測試工況，如圖10所示。該工況最高車速為9.2 km/h，一個工況循環(huán)時長為400 s，平均車速為4.8 km/h[7]。拖拉機在該循環(huán)測試工況下運行時，鋰電池的SOC和輸出功率的變化曲線分別如圖11和圖12所示。從圖12可以看出：電池輸出功率的變化和循環(huán)工況的車速變化趨勢保持一致：在該循環(huán)測試工況下，電池SOC雖有下降，但下降幅度微小，電池仍處于良好狀態(tài)，其輸出功率也并未受到任何限制，所以電池輸出功率和需求功率能夠保持一致。電池輸出功率的變化與需求功率的一致性也能說明模型的穩(wěn)定性和準確性。

4 結語

本文以一種適用于設施大棚作業(yè)環(huán)境的履帶電動拖拉機的電源系統(tǒng)為研究對象，該拖拉機電源系統(tǒng)采用的是鋰離子電池組。選擇田間運輸轉移這一典型作業(yè)工況，對拖拉機在該工況下常見速度范圍內恒速作業(yè)時電池SOC進行仿真試驗。仿真結果表明，隨著運輸作業(yè)速度的升高，電池SOC下降得越快，進而可以說明車速越高作業(yè)時連續(xù)運輸作業(yè)時間變短。另外，參照歐洲EUDC附加市郊行駛工況，設計電動拖拉機田間運輸循環(huán)測試工況。在該工況下的仿真結果表明，由于電池SOC雖有下降，但下降幅度微小，電池仍處于良好狀態(tài)，電池輸出功率的變化和循環(huán)工況的車速變化趨勢保持一致，證明電池輸出功率能夠滿足功率需求。單一和循環(huán)兩測試工況下的仿真試驗結果均可說明所建立的仿真模型準確和穩(wěn)定，為下一步能量管理控制策略和控制器的開發(fā)提供理論基礎。

圖9 不同車速下鋰離子電池SOC的變化曲線

圖10 田間運輸循環(huán)測試工況

圖12 循環(huán)測試工況鋰電池輸出功率變化曲線