設施大棚履帶電動拖拉機能量管理仿真研究

劉靜 孫閆

摘要 針對單一能源電動拖拉機適應性差的問題，提出了一種基于超級電容輔能的雙能源結構。結合電動拖拉機作業實際，對旋耕工況采用鋰離子和超級電容協調供電模式，并設計了雙能源邏輯門限控制規則。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，并對單一能源和雙能源2種模式下鋰離子電池的荷電狀態（SOC）、工作電流以及功率分配進行了仿真分析。仿真試驗結果表明，在雙能源控制模式下，遇到突變載荷工況時鋰離子電池SOC下降變緩，鋰離子電池輸出更平滑，鋰離子電池和超級電容共同提供突變載荷工況的功率，且超出基礎功率部分由超級電容提供。鋰離子電池免受突變電流的沖擊，進而延長了鋰離子電池的使用壽命，達到了預期控制目標。

關鍵詞 設施大棚;雙能源;電動拖拉機;能量管理

中圖分類號 S 219.4文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）05-0211-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.059

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Energy Management Simulation of a Crawler Electric Tractor for Facility Greenhouse

LIU Jing1，2， SUN Yan2

（1.Department of Automobile Engineering， Nanjing Vocational Institute of Transport Technology， Nanjing， Jiangsu 211188; 2.School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract Aiming at the poor adaptability of single-energy electric tractor， a dual-energy structure based on super capacitor auxiliary energy was proposed. Combined with the actual operation of the electric tractor studied， the coordinated power supply mode of lithium ion and super capacitor was adopted for the conditions of rotary tillage， and the dual-energy logic threshold control rule was designed. The simulation model was established by using Matlab/Simulink， and SOC， working current and power distribution of lithium ion battery were simulated under single energy and dual energy modes. The simulation results showed that， under the dual-energy control mode， SOC of lithium-ion battery decreased slowly and the output of lithium-ion battery was smoother when encounteringabrupt load conditions. The lithium-ion battery and supercapacitor jointly provided the powerunder the abrupt load conditions， and the excess power was provided by supercapacitor.In this way， the lithium ion battery was protected from the impact of abrupt current，thus prolonged the service life of the lithium ion battery and achieved the expected control goal.

Key words Facility greenhouse;Dual-energy;Electric tractor;Energy management

我國配套的基礎農業機械研制還相對落后，機械化普及率與國外發達國家相比差距還較大[1-3]，比如園藝、棚室、茶園還是以人工勞動為主。人工勞動方式工作效率低，且勞動強度大。拖拉機作為農業作業主要工具，可以代替人工完成犁地、播種、收獲等繁重勞作[4]。大棚本身空間較小，空氣流通緩慢，如果在棚室中使用小型燃油拖拉機，其排放的廢氣會污染棚室的空氣環境，降低植物產量甚至對勞動人民造成傷害。與此同時，采用以內燃機作為動力源的拖拉機，存在能量轉換效率低、噪音大等缺點[5-6]。電動拖拉機作為一種新型“綠色農機”，具有能量利用效率高和零污染的特點，目前已被廣泛應用到農業生產中。但是，現階段研究的電動拖拉機技術上也存在一些難題，主要有能量管理技術、電機及其控制技術、變速箱及其控制技術、模型虛擬仿真技術等[7]。

筆者以一種適用于設施大棚作業環境的履帶電動拖拉機為例，其主要從事旋耕、施播種為主的復式作業。由于大棚內是熟土，該電動拖拉機一般不進行犁耕作業。現有的電動拖拉機都采用單一能量源，但采用單一能量源的電動拖拉機能源利用效率和連續作業時間不盡人意，并且也無法適應棚內作業載荷的隨機性。因此，引入超級電容，構成了鋰離子電池和超級電容雙電源系統。結合電動拖拉機作業實際，主要是在旋耕作業工況采用雙電源協調工作模式，并設計兩電源之間的功率分配策略。較低功率密度的鋰離子電池和較高功率密度的超級電容相互協調工作，對于延長電池使用壽命以及提高電動拖拉機的動力性能具有重要意義。

1 動力學模型

旋耕作業速度介于田間運輸轉移和犁耕作業速度之間，總體來說速度較低，因此可忽略空氣阻力、坡道阻力和加速阻力。旋耕作業時拖拉機配置的是旋耕機具，拖拉機受到的阻力主要包括行駛阻力和旋耕機旋耕牽引阻力，其動力學方程如下：

F q=F f+F X

F f=fmg

F X=k λHB+m xgf x（1）

式中，F q為驅動力，單位為N;F f為行駛阻力，單位為N;F X為旋耕阻力，單位為N;f為滾動阻力系數;m為拖拉機總質量，單位為kg;g為重力加速度，單位為m/s2;k λ為土壤比阻，單位為N/cm2;H為耕深，單位為cm;B為耕幅，單位為cm;m x為旋耕機質量，單位為kg;f x為旋耕機前進時滾動阻力系數。

旋耕作業時需要的電機輸出轉矩（T req）計算公式如下：

T req=F qr di gη t（2）

式中，r d為驅動輪動力半徑，單位為m;i g為旋耕作業時傳動系總傳動比;η t為旋耕作業時傳動系總效率。

旋耕作業時的車速（v）計算公式如下：

v=0.377r dn ei g（3）

式中，n e為驅動電機轉速，單位為r/min。

2 雙電源系統的結構和功率流

雙電源系統選擇超級電容半主動式拓撲結構如圖1所示。從圖1可以看出，該拓撲結構是超級電容與DC/DC轉換器串聯后再與電池并聯的一種拓撲結構。該種結構能夠發揮超級電容工作電壓變化范圍大、充放電時間短的優勢[8]。

結合電動拖拉機作業實際，在旋耕作業工況下采用鋰離子電池組和超級電容混合供電模式。旋耕作業時雙電源系統的功率流如圖2所示。

3 能量管理策略

旋耕作業采用鋰離子電池和超級電容混合供電模式，就涉及雙電源之間的能量管理。該工況下，設定能量管理規則為絕大部分時間由鋰離子電池提供能量，在突變載荷下由超級電容提供短時大功率。

旋耕作業工況下，該研究采用確定規則邏輯門限控制策略來協調鋰離子電池和超級電容的能量分配[9]，即設定鋰離子電池能夠提供功率的一個上限閾值P set，設電機需求功率為P req，當P req>P set時，由鋰離子電池和超級電容共同提供能量，鋰離子電池提供功率等于P set，超級電容提供功率P req-P set;當P req≤P set時，則電機所需功率全部由鋰離子電池提供。

4 仿真模型和結果

4.1 仿真模型

在建立仿真模型時，采用的是先設定車速，由車速計算達到該車速所需的電機轉矩和轉速。然后，由電機轉矩和轉速求出電機需求功率，然后再將該需求功率提供給雙電源系統。旋耕作業仿真模型由電機輸出轉矩轉速計算模塊、電機需求功率計算模塊、能量管理控制模塊、鋰離子電池模塊及超級電容模塊等組成，如圖3所示。

根據公式（1）～（3）建立旋耕作業的電機輸出轉矩和轉速計算模塊，如圖4所示。需要說明的是，由于旋耕機具前進時的滾動阻力系數f x較小，再加上旋耕機質量較拖拉機小，所以仿真模型的F X計算公式只考慮機具旋耕作業阻力。另外，該模型中為了模擬突變載荷，在旋耕阻力端加載了脈沖信號。

電機需求功率計算模塊是由電機輸出的轉矩轉速計算出電機輸入端的需求功率，該模塊仿真模型如圖5所示。

根據前述的旋耕作業能量管理控制策略，建立邏輯門限能量管理控制模塊如圖6所示，模型中P set設為2。

動力電池容量為27 A·h，單體標稱電壓3.7 V，30組串聯。選用Maxwell超級電容，單體電壓2.5 V，單體電容3 000 F，40組串聯。雙能源電動拖拉機主要部件參數見表1。

4.2 仿真結果

旋耕速度為4 km/h，在如圖7所示的突變載荷作用下，對單一能源和雙能源邏輯門限控制規則2種模式下鋰離子電池的荷電狀態（state of charge，SOC）和工作電流進行了仿真對比分析，結果如圖8和9所示。同時，對雙能源邏輯門限能量控制規則下電機需求功率、鋰離子電池和超級電容實際提供的功率進行了仿真，結果如圖10所示。

對圖8和圖9的仿真結果進行分析，電動拖拉機在有突變載荷的旋耕工況下作業時，帶有邏輯門限控制策略的雙能源系統與單一能源系統相比，鋰離子電池SOC下降變緩，延長了鋰電池的放電終止時間，且鋰離子電池免受突變電流的沖擊，使得鋰離子電池輸出更加穩定和平滑，延長了鋰離子電池的使用壽命。

對圖10仿真結果進行分析，雙能源系統在邏輯門限控

制策略下鋰離子電池和超級電容輸出功率和能夠滿足需求功率，且明顯看出基礎功率是由鋰離子電池提供，突變載荷下由鋰離子電池和超級電容共同提供功率，且超出基礎功率部分由超級電容提供，達到了預期的控制目標。

5 結語

筆者以一種適用于大棚作業環境的電動拖拉機的電源系統為研究對象。結合電動拖拉機作業實際，確定在旋耕作業工況下采用基于超級電容輔能的雙電源結構。在該作業工況下，采用確定規則邏輯門限控制策略來協調兩電源之間的能量分配，即絕大部分時間由鋰離子電池提供能量，在突變載荷下由超級電容提供短時大功率。使用Matlab/Simulink建立仿真模型，并模擬了突變載荷作業工況，進行仿真試驗。仿真試驗結果表明，在雙能源控制模式下，如果遇到突變載荷工況，由超級電容協助鋰離子電池提供功率，使得鋰離子電池輸出更加平滑，免受短時大電流放電的沖擊，從而延長了鋰離子電池的使用壽命，達到了預期的控制目標。

參考文獻

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