設(shè)施大棚履帶電動拖拉機(jī)電源系統(tǒng)仿真研究

劉靜，孫閆

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

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，國家在《“十二五”規(guī)劃綱要》中明確將“加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)”作為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要戰(zhàn)略[1]。2012年全國設(shè)施農(nóng)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(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械主要以柴油機(jī)或汽油機(jī)作為動力，在狹小、封閉溫室大棚作業(yè)時(shí)排放的尾氣易對棚內(nèi)的環(huán)境造成污染，危害人體健康，影響農(nóng)作物的食用安全，因此需要適合設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境的小型、多功能、環(huán)保的農(nóng)機(jī)機(jī)械。小型電動拖拉機(jī)具有能源使用效率高、作業(yè)質(zhì)量好、噪聲低、對農(nóng)作物生長環(huán)境無污染、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)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(shù)也是電動拖拉機(jī)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，影響電動拖拉機(jī)的能源消耗、一次充滿電連續(xù)作業(yè)時(shí)間及電池使用壽命等。本文以一種適用于設(shè)施大棚作業(yè)環(huán)境的履帶電動拖拉機(jī)的電源系統(tǒng)為研究對象，選擇田間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸這一典型作業(yè)工況，對該工況下的電源性能進(jìn)行仿真分析。

1 動力學(xué)模型

在田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)工況下，電動拖拉機(jī)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(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況動力學(xué)方程為：

運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)時(shí)所需電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Treq計(jì)算公式為

式中：rd為驅(qū)動輪動力半徑，m；ig為運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)時(shí)傳動系總傳動比；ηt為運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)時(shí)傳動系總效率。

運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)時(shí)的車速v計(jì)算公式為

式中，ne為驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。

2 仿真模型

在建立仿真模型時(shí)，均是先設(shè)定車速，由車速結(jié)合拖拉機(jī)動力學(xué)方程計(jì)算達(dá)到該車速所需的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；然后由電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求出電動機(jī)需求功率，再將該需求功率提供給電源系統(tǒng)。

田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移工況仿真模型主要由電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速模塊、電動機(jī)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(jì)算出電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)式（1）和式（2）獲得。在Matlab/Simulink中建立的電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模塊的模型如圖2所示。

由電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出電動機(jī)輸入端的功率。在Matlab/Simulink中建立的電動機(jī)需求功率模塊模型如圖3所示。

鋰電池模塊根據(jù)電動機(jī)需求的功率計(jì)算出電池的SOC和實(shí)際輸出功率，主要包括電池組的開路電壓和內(nèi)阻計(jì)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(jì)算子模塊及結(jié)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(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)仿真模型

圖2 電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速模塊仿真模型

圖3 電動機(jī)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(shè)施大棚履帶電動拖拉機(jī)主要部件參數(shù)如表1所示[6]。

表1 雙能源電動拖拉機(jī)主要部件參數(shù)

3 仿真結(jié)果

圖5 開路電壓和內(nèi)阻計(jì)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(jì)算子模塊仿真模型

圖8 SOC估算子模塊仿真模型

拖拉機(jī)在田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移速度范圍通常為5～8 km/h。在此范圍內(nèi)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(yùn)輸作業(yè)速度的升高，電池SOC下降得越快，電池SOC達(dá)到仿真模型中設(shè)置的下限值15%的時(shí)間也就越短，進(jìn)而說明車速越高，作業(yè)時(shí)連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)時(shí)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(jī)田間運(yùn)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(gè)工況循環(huán)時(shí)長為400 s，平均車速為4.8 km/h[7]。拖拉機(jī)在該循環(huán)測試工況下運(yùn)行時(shí)，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(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文以一種適用于設(shè)施大棚作業(yè)環(huán)境的履帶電動拖拉機(jī)的電源系統(tǒng)為研究對象，該拖拉機(jī)電源系統(tǒng)采用的是鋰離子電池組。選擇田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移這一典型作業(yè)工況，對拖拉機(jī)在該工況下常見速度范圍內(nèi)恒速作業(yè)時(shí)電池SOC進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，隨著運(yùn)輸作業(yè)速度的升高，電池SOC下降得越快，進(jìn)而可以說明車速越高作業(yè)時(shí)連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)時(shí)間變短。另外，參照歐洲EUDC附加市郊行駛工況，設(shè)計(jì)電動拖拉機(jī)田間運(yùn)輸循環(huán)測試工況。在該工況下的仿真結(jié)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(yàn)結(jié)果均可說明所建立的仿真模型準(zhǔn)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(chǔ)。

圖9 不同車速下鋰離子電池SOC的變化曲線

圖10 田間運(yùn)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