鋰電池驅動拖拉機動力系統優化與設計

龔敏昆

(廣西工業職業技術學院,南寧 530001)

0 引言

隨著我國“三農”政策的貫徹落實及現代農業的快速發展,拖拉機在農業中的應用越來越廣泛,拖拉機產品也向多元化發展,包括智能化和高效精準化,在動力系統方面開始向清潔能源方向發展。

目前,我國的拖拉機動力系統一般采用嚙合套或者同步器實現速度變化[1-2]。在進行農耕尤其是農忙時節,拖拉機需要進行大負荷作業。若拖拉機的動力不足,則會造成突然停車;再次啟動時,離合器急速運轉,載荷突然增加,容易造成拖拉機發動機的損壞,降低工作效率,增加駕駛員的工作難度。為使拖拉機能夠獲得較高的動力和工作效率,且綜合考慮拖拉機的工作負荷和發動機的狀態,需要對現有拖拉機的動力系統進行改進,因此擬對拖拉機的動力系統進行優化。

我國拖拉機的動力系統主要能源供應方式是燃油,該方式雖然可為拖拉機提供足夠的動力,但卻容易對大氣造成較嚴重的污染,也會加劇我國的能源危機[3]。鋰離子電池由于具有能量儲存能力高、使用壽命長和適用溫度范圍廣的優點,已經廣泛應用于電動汽車領域[4],因此可以借鑒電動汽車將鋰電池應用于拖拉機的電力驅動方面。目前,我國對于鋰電池驅動的拖拉機研究較少,本文將主要針對鋰電池驅動的拖拉機動力系統進行優化和改進。

1 硬件設計

1.1 總體設計

所設計的拖拉機動力系統的主要由電池管理系統、控制器及變速系統等組成,如圖1所示。該拖拉機的動力系統依靠鋰電池進行動力驅動。

圖1 動力系統主要流程圖

1.2 電池管理系統

拖拉機的鋰電池管理系統如圖2所示。該鋰電池可以完成智能充放電控制、低溫補償和拖拉機負載管理等功能。

鋰電池的控制核心為單片機,采集到的所有數據都傳遞給單片機進行處理,處理結果通過單片機以命令的形式傳遞。鋰電池的電量控制和充放電管理通過電能管理芯片進行測量,芯片采用DS2438型號。該芯片與霍爾傳感器、電壓表、溫度傳感器連接,用于實時監測鋰電池的電流、電壓和溫度[5],并將測量的結果通過電能管理芯片實時傳遞給單片機。單片機與二極管顯示器相連,用于顯示鋰電池的各項工作數據;與報警器相連,當有參數超過鋰電池安全范圍時,報警器報警;通過串口與上位機連接,在上位機內部編制通信軟件,通過通信軟件向單片機下達控制命令,并由相關單元執行。

1.3 控制器

控制器連接拖拉機的發動機、能量管理系統和變速器,用于完成對拖拉機動力系統的控制。在拖拉機作業過程中,發動機的數據實時發送給控制器,同時能量管理系統將鋰電池的能量狀態、電流、電壓等鋰電池的工作狀態及期望車速發送至控制器;控制器將以上信息處理,并將結果以命令的方式傳遞給變速器進行動力系統的速度調節。

1.4 變速系統

變速系統主要由變速器、動力耦合機構和主減速器組成。其中,變速器采用組合式變速器,動力換擋采用電子液壓的方式實現。由于拖拉機在進行換擋時容易出現動力中斷的情況,為保證拖拉機的順利工作,采用用多離合器進行換擋控制,方案如圖3所示。該離合器具有制作成本較低、制作難度小、容易實現且能夠滿足拖拉機要求的特點[6]。

動力耦合機構為多級轉速的齒輪裝置,由太陽齒輪、行星齒輪及齒輪架齒圈構成。在進行動力傳動時,通過制動以上4個控制元件中的任意一個即可完成對拖拉機的制動。在拖拉機進行變速控制過程中,利用液壓控制系統使離合器、制動器和耦合機構均為結合狀態,此時該耦合機構即可按照一定的傳動比將動力輸出。

2 鋰電池機理

鋰電池內部時刻都在發生化學反應,其化學特性與很多種隨機變量有關,因此可以對鋰電池進行建模并對其機理進行研究。對于拖拉機來說,最關鍵的電池模型是放電模型,主要參數包括荷電狀態(SOC)和放電深度(DOD)。本文首先計算鋰電池的荷電狀態(SOC),再進行電池建模,以預測拖拉機的動力特性。

2.1 鋰電池電荷狀態(SOC)的計算

鋰電池的荷電狀態(SOC)表示電池的當前容量狀態,是電池在電量充滿后的放電過程中的剩余電量。該值無法直接測量獲得,只能通過計算的方式間接得到?？柭鼮V波算法具有精確性較高、可以進行實時目標跟蹤預測回路的優點,但運算量較大。因此,本文對卡爾曼濾波算法進行改進,采用無味卡爾曼濾波算法進行計算,算法流程如圖4所示。

圖4 無味卡爾曼濾波算法流程圖

1)確定σ點。UT變換是無味卡爾曼濾波算法的關鍵環節。首先選取1組非線性隨機變量x,并確定隨機變量的函數為y=h(x),通過這些變量確定σ點。計算公式為

(j=(N+1)～(2N+1))

2)非線性變換。將以上算法得到的σ點按照非線性函數進行計算,則

yi=h(σi) (i=1～N)

3)加權函數計算。進行加權系數的計算,包括各個σ點所對應的均值、方差的加權系數αu、αv和α2分別為

其中,ε表示σ點的分布方式,范圍為0.01≤ε≤1,一般選擇較小值;β一般用于降低式中較高階函數的誤差,一般取β=2,以使正態分別函數得到最優解。δ對于σ點和隨機變量的平均值的距離有一定影響,一般為比例系數,并有以下關系存在,即

δ=ε2(N+k)-N

其中,k取值使得方差矩陣為半正定矩陣,在本式中取k=0。

4)求解y均值和協方差Py。利用下式計算系統輸出和協方差Py,即

由以上算法可知:當確定鋰電池電荷的初始狀態x0和P0值,并根據已知的k-1時間的電池狀態和時間SOCk-1值,即可確定系統的輸出值y和協方差Py,并進一步最終確定SOCk值。

2.2 鋰電池建模

鋰電池建?？梢院芎梅从惩侠瓩C動力系統的一些重要性能,且可以運用電路模型將幾個電器元件組成電路,對拖拉機的動力系統進行預測,其模型[7]如圖5所示。

該電路模型主要由電源E、串聯電阻Rm和負載組成。其中,電池的內部電阻大小與電池的自身狀態有關,包括電池溫度、荷電狀態等。當這兩個因素確定時,鋰電池充電和放電的電阻也不同。

電路模型的開路電壓E與荷電狀態(SOC)的關系為

E(t)=k1+k2·Q(t)

其中,Q(t)為鋰電池荷電狀態;k1和k2為電池自身性能,為常數。通過對鋰電池模型開路電壓進行分析可得到以下關系,即

V=E-iRn

其中,V為電池的負載電壓;E為電池處于開路時的電壓;i為鋰電池的內部電流(充電狀態為復制,放電狀態為正值);Rn為電池自身電阻。

該鋰電池由n個單體電池組成,則該電池的電壓U為

U=n(E-iRn)

電池的放電深度(DOD)表示某時刻電池放電量占電池容量的比值。在該模型[8]中,電池的放電深度DOD為

其中,q為電池在零時刻的荷電量。

鋰電池的放電電流與電池容量有關,電流越小容量越大。在確定電池容量時,首先需要確定放電電流值,且當放電量達到了電池容量的80%以上時,鋰電池則處于深度放電狀態。

3 試驗結果

3.1 鋰電池動力試驗

對于拖拉機,其動力系統所需要鋰電池的額定電壓為15V,電流為12A,因此需要測試鋰電池的實際電壓、電流值和設定的電壓、電流值的誤差,驗證其是否能夠符合設計要求。測試過程中,電流值的測量采用鋰電池放電的方式進行,在電流傳感器中間以等比例的方式放入放電導線,通過調整導線匝數調整預設電流值,利用萬用表測量實際電流和電壓,并與設定電流和電壓值對比。對比結果如表1所示。

表1 鋰電池動力試驗結果

由表1可知:鋰電池的實際電壓和額定電壓的的最大誤差為2.7%,實際電流和額定電流的最大誤差為5.7%,可以滿足拖拉機動力系統對于鋰電池的要求。

3.2 鋰電池實際應用試驗

將鋰電池安裝在拖拉機上,進行實際行駛試驗。將拖拉機在空載和滿載狀態下置于平整的土地行駛,并在行駛一段距離后進行爬坡,記錄其在平整的土地和爬坡過程中是否能夠穩定行駛。試驗結果如表2所示。

表2 拖拉機試運行試驗結果

由表2可知:拖拉機在平整的土地和爬坡過程均能夠平穩行駛,速度穩定,能夠滿足行駛要求。

4 結論

1)拖拉機的動力系統基于動力鋰電池驅動,動力系統的主要組成包括電池管理系統、控制器及變速系統等。

2)拖拉機的動力系統通過鋰電池提供動力,通過對拖拉機的內部鋰電池進行建模并研究發電機理確定鋰電池的電荷狀態,預測拖拉機的動力特性。

3)對該拖拉機動力系統中的鋰電池進行動力和實際應用試驗,結果表明:拖拉機的動力系統可以滿足使用要求。