雙電源電動拖拉機能量管理仿真研究

夏長高,孫 閆,周雯雯

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

電動拖拉機是近年來新興的一種新型農用作業工具，具有低噪音、無排放、低造價等優點，是解決設施園藝、果園與茶園內傳統農業動力機械所造成的能源和環保問題的有效途徑之一，也是未來農機環保化研究的主要方向。20世紀70年代，許多發達國家都開始研究純電動拖拉機，國內對電動拖拉機的研究主要集中在一些高校[1-3]，研制的產品主要用于園藝、清掃等作業，部分電動拖拉機也適用于田間耕地作業。但由于純電動拖拉機存在功率范圍低、充電時間長，一次充電連續工作時間短等問題，混合動力拖拉機技術應運而生[4-8]。德國ZF公司推出一種了混合動力拖拉機樣機，該樣機配備了發電機驅動系統(Generator System，GS)和混合動力驅動系統(Hybrid System，HS)，并重點研究了行走驅動系統設計和基于燃油經濟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改裝成帶有直流電動機的電動拖拉機，改裝后的拖拉機能夠節能70%。

鑒于拖拉機作業工況的復雜性，本文設計了一種以超級電容(Super Capacitor，SC)作為輔助電源的復合電源(Dual-source Energy Storage System ，DESS)電動拖拉機，使用具有高能量密度的動力電池(Battery，bat)作為能量主體，可滿足電動拖拉機中低負荷長時間運行的能量需求[9-10]。當拖拉機作業負荷突然增大、功率需求增大時，超級電容與車載電池協同工作，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合電源系統中電池和超級電容兩者的輸出功率，實現能量按最佳路線流動，從而提高能量利用效率是一個關鍵技術問題[14]。為此，本文分析了電動拖拉機在不同作業工況下整車需求特性，對需求功率和能量管理控制策略進行數學抽象，并引入能量需求分配系數，同時結合復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，通過仿真研究驗證了該控制策略的適用性及合理性。

1 拖拉機作業工況及能量需求分析

拖拉機是農業作業的主要動力裝置，配置不同的農機具可進行運輸、播種、收割、耙地、旋耕及犁耕等多種作業[15]。拖拉機作業環境復雜多變，每種作業工況都對拖拉機性能提出了嚴苛的要求，電動拖拉機工況設計一般應包含3種典型工況即運輸工況、旋耕工況、犁耕工況。為合理分配復合電源系統功率輸出，必須確定拖拉機在典型作業工況下的功率需求。

電動拖拉機在田間轉移運輸時沒有農具牽引以及額外動力輸出，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—田間轉移速度(km/h)；

Ff—拖拉機行駛阻力(N)；

Fj—加速阻力(N)；

Pσ—驅動輪滑轉功率損失(kW)；

Pl—機械傳動損失(kW)。

旋耕作業時，拖拉機配置旋耕機具，作業阻力主要包括拖拉機行駛阻力和旋耕機旋耕阻力。由于旋耕機有正轉和反轉兩種模式，旋耕機與車輪轉動方向一致對拖拉機有推動作用，功率表達式為負，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；

Kx—旋耕比阻(N/m2)。

犁耕作業阻力是在運輸阻力的基礎上加上犁具牽引阻力，根據郭略契金公式，犁具牽引阻力主要由土壤對犁具的阻力、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；

G3—犁具重力(N)；

K1—土壤變形系數；

c—耕深(cm)；

d—耕幅(cm)；

γ—拋土系數；

V3—犁耕速度(km/h)。

2 電動拖拉機整體布置方案

圖1所示為雙電源電動拖拉機動力系統布置方案。電動拖拉機在作業時作業速度較低、制動情況較少，無法收集制動能量進行充電，故電動拖拉機以超級電容作為輔助能源。超級電容與DC/DC轉換器串聯后再與動力電池并聯，三者構成能量儲備系統。復合電源系統模型采用并聯結構，DC/DC轉換器能夠調節超級電容電壓使之與動力電池電壓一致，這種結構能夠較好地主動控制超級電容輸出電壓與電流，并且能夠發揮蓄電池作為主要能量來源的作用。

能量儲備系統、能量管理系統、電機控制系統及電機串聯構成動力驅動系統，驅動電機提供轉矩經過變速箱、驅動橋驅動車輪運動。

圖1 復合電源電動拖拉機結構示意圖Fig.1 Structure of electric tractor with compound power supply

拖拉機作業時電機向能量管理系統發送功率需求信號，能量管理系統根據電機需求功率范圍確定能量儲備系統工作方式。能量流動路線簡化如圖2～圖4所示。

圖2 超級電容充電模式Fig.2 Super capacitor charging mode

圖3 動力電池單獨供電模式Fig.3 Battery independent power supply mode

圖4 動力電池和超級電容聯合供電模式Fig.4 Combined power supply mode of battery and ultracapacitor

圖2為超級電容充電模式。拖拉機田間運輸階段電機功率需求較小，電池輸出功率可滿足電機功率需求，當超級電容電量不足時將多余的功率提供給超級電容充電。

圖3為動力電池單獨供電模式。旋耕階段，功率需求適中，此時動力電池單獨供電即可滿足功率需求。

圖4為超級電容和動力電池聯合供電模式。犁耕工況下基礎能量需求較大，隨著犁耕作業的進行，不同的土壤反映的土壤阻力系數也有所不同，電機需求功率也隨著阻力系數的變化而呈現一定的變化，動力電池單獨提供能量難以滿足功率需求，能量管理控制策略將根據此時動力電池SOC、超級電容SOC及需求功率合理分配動力電池和超級電容的輸出功率。當電動拖拉機在犁耕作業遇到土壤阻力系數突然增大、犁耕轉向等短時間大功率需求階段，超級電容SOC充足則由超級電容承擔峰值功率輸出，蓄電池承擔剩余功率輸出。當犁耕阻力系數較小的土壤時，則由動力電池單獨供電承擔主要功率輸出。

3 能量管理控制策略

3.1 能量分配原則

拖拉機在田間運輸及旋耕作業時，電機需求功率較小，由電池單獨供電即可滿足功率需求，所以當電動拖拉機在運輸檔和旋耕檔時超級電容不參與輔助供電。電動拖拉機在犁耕時基礎需求功率較大，犁耕基本以恒速運行，但土質堅硬程度變化會導致犁耕阻力呈現間斷變化，出現阻力幅度變化較大情況時，拖拉機為了克服突變阻力電池就會以大電流放電。能量管理控制策略是電動拖拉機的“大腦”，將拖拉機作業過程中電機的需求功率合理分配給DESS。具體分配方案的目的是削除動力電池峰值電流，降低大電流放電次數、提高超級電容使用效率及能量使用效率。在合理匹配電動拖拉機各傳動部件參數后，根據不同的作業工況及控制目標制定合理的能量管理控制策略，協調動力電池和超級電容兩者能量分配。

3.2 模糊控制

模糊控制作為一種廣為應用的智能控制方法[18]，是控制策略的核心部分。本文設計的模糊控制器主要采用3個輸入，1個輸出的結構，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— 復合電源可提供功率(kW)；

Pbat— 動力電池輸出功率(kW)；

Psc— 超級電容輸出功率(kW)；

Kbat— 動力電池功率分配因子；

Ksc— 超級電容功率分配因子。

圖5為各輸入、輸出的隸屬度函數。隸屬度函數反映了論域空間上每一點的隸屬度映射到0到1之間的對應關系。輸入量Preq論域為[0，1]，對應模糊集合為[ZE，PS，PM，PB]，分別代表{零，正小，正中，正大}；SOCbat論域為[0.3，0.9]，對應模糊集合為[NS，NM，NB] ，分別代表{低，中，高}；SOCsc論域為[0.2，0.95]，對應模糊集合為[NS，NM，NB] ，分別代表{小，中，大}；輸出量Kbat論域為[0，1]，對應模糊集合為[ZO，LE，PS，PM，PB] ，分別代表{零，較小，正中，較大，很大}。

模糊規則是模糊控制的核心，規則中輸入量與輸出量范圍劃分越詳細則越接近最優控制，但控制算法計算也會越復雜，在合理劃分范圍后并根據上述控制策略建立的模糊規則庫如表1所示，得到的輸入輸出變化關系如圖6所示。

(a) Preq隸屬度函數

(b) SOCbat隸屬度函數

(c) SOCsc隸屬度函數

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

SOCscPreqSOCbatNSNMNBNSZEZOZOZOPSPMPBPBPMPMPBPBPBPMPBPBNMZOZOZOZOPSLEPSPMPMZOPSPBPBLEPMPBNBZEZOZOZOPSZOZOZOPMZOLEPSPBZOPSPM

(a) Preq、SOCbat、Kbat關系

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

4 建模與仿真

4.1 復合電源拖拉機仿真模型

圖7為基于CRUISE軟件建立的拖拉機整機模型。

圖7 復合電源電動拖拉機仿真模型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，也可同時進行逆向仿真，可用于計算車輛的動力性、經濟性及排放性能。其可將傳統車輛改裝成多種特種作業車輛，支持模塊化建模，方便管理各個部件子模塊。

動力電池容量為210Ah，單體電壓3.4V，30組串聯。選用Maxwell超級電容，單體電壓2.5V，單體電容3 000F，48組串聯。拖拉機其他部件匹配參數如表2所示。

表2 復合電源電動拖拉機主要部件參數Table 2 Main parts parameter of electric tractor with DESS

4.2 仿真結果

CRUISE內置很多汽車用計算任務，包括循環工況任務、巡航任務及全負荷加速性能任務等；但評價電動拖拉機的主要評價指標為牽引性能及一次充電作業時間。為驗證控制策略有效性、適用性，在CRUISE中建立的復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則轉化為CRUISE可用的DLL文件。電動拖拉機牽引性能以及一次充電作業時間仿真結果如圖8所示。

圖8(a)為不同作業工況下最高車速對比圖。電動拖拉機在運輸作業時最高車速達7.78km/h，旋耕作業最高車速達4.65km/h，單一電源犁耕作業最高車速達2.66km/h，最大加速度為1.72m/s2；采用復合電源后最高車速可達3.27km/h，加速度可達1.91m/s2。

圖8(b)為不同作業工況下牽引力對比圖。在最大牽引力計算任務中，運輸工況下拖拉機在速度為6.0km/h，達到最大牽引力為5 646N。旋耕工況下拖拉機速度達到3.5km/h時，達到最大牽引力8 920N。犁耕工況下單一能量源拖拉機在2km/h時達到最大牽引力9 980N，使用復合電源后最大牽引力達到11 600N。

圖8(c)為電動拖拉機在不同作業速度下一次充電持續作業時間圖。電動拖拉機在田間運輸以6.0km/h可行駛34.3km，持續作業為5.7h。旋耕工況下以3.5km/h旋耕，作業距離可達15.4km，持續作業時間為4.4h。相同儲能條件下采用單一能量源拖拉機以3.0km/h速度犁耕，持續作業時間為3.4h，作業里程為11.2km；采用復合電源以相同速度犁耕，持續作業時間為4.1h，作業里程可以達到11.6km。結果表明：采用復合電源后拖拉機犁耕一次充電持續作業時間、續駛里程均得到了小幅的提升。這主要是因為超級電容在起步和轉向時承擔了大放電的任務，動力電池大放電次數減少，續駛里程得到了小幅提升。

(a) 拖拉機最高車速圖

(b) 拖拉機牽引力圖

(c) 拖拉機在不同速度下持續作業時間圖圖8 犁耕作業仿真結果Fig.8 Simulation results of plow operation

復合電源電動拖拉機在運輸時最大牽引功率6.5kW，旋耕最大牽引功率為6.9kW，犁耕最大牽引功率為7.1kW，由于使用超級電容，既降低了復合電源系統中動力電池的供電電流，通過超級電容放電，復合電源系統又可向電機提供更大的電流。仿真結果表明：使用復合電源系統后最大牽引功率提升為7.8kW，所設計的拖拉機基本可以滿足犁耕功率需求，在農田進行旋耕及運輸轉移時也可提供較大的后備功率。

5 結論

1)提出了一種新型復合電源電動拖拉機結構，并以復合電源拖拉機為研究對象，將拖拉機在典型工況下的功率需求數學抽象化。闡述了各個作業工況下復合電源能量流動路線，設置了田間運輸工況、旋耕工況和犁耕工況，分別對復合電源電動拖拉機牽引性能及一次充電持續作業時間進行評價。

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、超級電容SOC、動力電池SOC為輸入量，以電池輸出功率的占比為輸出量優化復合電源使用情況。基于數學抽象的功率需求和選定的拖拉機部件參數在CRUISE中搭建復合電源純電動拖拉機整車模型，并實現了CRUISE和Simulink的聯合仿真。

3)復合電源電動拖拉機相比于單一能量源電動拖拉機在犁耕工況下的經濟性能方面提升較小，表現為續駛里程提升了3.5%，一次充電作業時間提升0.7h；但犁耕動力性能有了較大提升。其主要體現在加速度提升了11%，犁耕最大牽引力提升了16.2%，最大運行速度提升了23%，最大牽引功率提升9.8%。仿真結果表明：所設計的復合電源電動拖拉機基本可以滿足多種復雜作業的需求。