基于微型自耕機混合動力控制方法及混合機械動力裝置設計*

趙 萌，林蔚然，楊忠昌，王龍兵，董寶光，陳 凱，曹 猛

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

隨著中國農業機械化的發展，農業機械在農業生產中得到了大規模應用[1]。目前農業機械的主要動力來源仍為柴油機等燃油機，通過將動力轉換為電機的電力并驅動農業機械運行[1]。目前我國農業以戶為單位，規模較小，農機功率不高.而柴油機在低功率運行狀態下動態響應時間較慢[2]，因而，在耕作中碰到突然變化的堅硬地塊，需要實時增加柴油機輸出功率時，需要一定時間才能進行響應，可能導致農機的熄火，降低了農機運行的可靠性，同時，頻繁熄火和點火，也會導致能源浪費。

針對上述問題，本文提出一種混合動力控制方法及混合動力裝置。該項目的技術難點，是農業機械的混合動力裝置控制及混合動力微型自耕機整機設計。而提供動力控制的技術難點有以下方面。

（1）對混合動力系統平臺的搭建，及分析微型自耕機機械混合動力控制工作模式的技術難點。

（2）氫燃料混合動力微型自耕機的控制設計原理圖的技術問題。農機的主要零部件在機器中的放置位置：第1動力源、第2動力源、動力控制器、能量回收器之間的位置及相互關系的技術難點。以及能量回收的核心零件和制動器的技術結構難點。

（3）調配及充放電管理等技術難點。需要解決如下問題：如何最大化能量利用率；如何達到低成本和高功率的最優匹配；如何優化農機的主要零部件在機器中的放置相互位置。

由于本次研究方向主要致力于節能，節約成本，提高效率，所以需要建立可以量化各種標準的模型來貼合該情況。于是，通過一定的建模手段仿真模擬工作環境，進行技術實施并模擬。借助Simulink作為仿真建模工具，進一步開發出新的供電方式并進行模擬，求出高能量密度和高功率密度的互補的最優條件[3]；在此基礎上，結合農業作業實際需求，設置合適的切換擋位和對應工作模式，根據不同的模式所需，反饋調節動力裝置，設計高效率電池供電，在保證功率的情況下最大可能地節省資源。農機的整體結構通過三維軟件Sloidworks進行建模，完成機械結構的設計，并實現樣機測試。利用混合動力，不斷調整，并且對成品進行測試評估。

1 Simulink軟件

Simulink是一種基于MATLAB的框圖設計環境的可視化仿真工具，可以實現動態系統建模、仿真和分析[4]，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真。在其提供的仿真和綜合分析集成環境動態系統中建模，無需大量手寫程序，只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統。具有應用面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際效率高靈活等優點，廣泛應用于理論控制和數字信號處理的復雜仿真和設計。通過Simulink軟件的分析，可實現高能量密度和高功率密度的優勢互補。其優勢如下：

（1）最大限度地優化農機的續航和載荷，滿足農用機械長續航及不同工況下對功率的實時需求；

（2）通過能量回收器和動力控制器，將制動能量自動回收到第2動力源，以提高能量的利用效率；

（3）第1動力源可提供農機的穩定功率需求，具有能量來源穩定的特點，滿足農業生產對長續航的需求。

2 技術方案及實施

2.1 建立模型

利用Simulink軟件，開發氫燃料－鋰離子電池混合動力系統仿真平臺。在本項目中，用Simulink進行仿真分析，如圖1所示，第1動力源是氫燃料電池，第2動力源是鋰電池，利用氫燃料電池提供持續穩定的輸出功率[5]，利用鋰電池優化的動態響應時間，從而將氫燃料電池和鋰電池組成農機的混合動力單元，以氫燃料電池作為農機的穩定功率輸出單元，采取動力控制器的功率控制方式，實時調節氫燃料電池的功率輸出；鋰電池作為農機的瞬時動力單元，利用動力控制器的電壓控制方式輸出相應的輸出功率，從而結合氫燃料電池的功率控制方式以及鋰電池的電壓控制方式，實現農機在穩態功率下保持燃料電池的輸出指定功率，暫態（突發阻礙或突發松軟）工況下，利用鋰電池充放電的快速動態響應時間特性，實現農機輸出功率的實時調節。

圖1 Simulink能量仿真分析

2.2 工作模式設計

在本項目利用Simulink軟件對微型自耕機的工作狀態進行分析，得到3種不同的工作模式，如圖2所示。

圖2 Simulink工作狀態模擬

（1）行進狀態：自耕機進入大棚前，僅動力輪工作，旋刀模塊待機（動力輪提供動力0.5 kW）。

（2）耕種狀態：正常農業耕種，同時前進與耕種（自耕機正常工作功率1.5 kW）。

（3）受阻狀態：遇結硬的土塊，自耕機需要的額外瞬時功率（輸出瞬時額外功率1.5 kW＋0.5 kW）。

3種工作模式如下。

（1）行進模式：氫燃料電池組輸出部分功率提供給動力輪正常行進500 W，同時向鋰電池組充電，儲存能量。

（2）耕種模式：微型自耕機平穩行進同時旋刀組以正常功率工作時，氫燃料電池組輸出功率1.5 kW。

（3）受阻模式：微型自耕機作業受阻明顯時，鋰電池組同時額外輸出功率，提高瞬時功率至2.0 kW。

綜合上述對型微型自耕機的3種耕作模式分析，解決了機器起步的技術問題。

其操作技巧在于起步時需要小油門緩慢、平穩起步；進行模式中離合器分離的狀態下進行第2能源充電，一般先用低擋工作，然后再用高擋工作；在進行耕地作業地頭、地邊作業時，要減慢速度，注意安全；轉彎時要輕抬扶手，陷入泥中時也應輕抬扶手；農機充電時一定要熄火停機[6]。

2.3 混合動力微型自耕機控制設計

在本項目中采用氫能源混合動力，微型自耕機的整機設計能源控制遵循：動力控制器依據第1電壓轉換器以及第2電壓轉換器輸出的電壓值進行功率輸出調配及充放電管理，如圖3所示。

圖3 控制設計

混合動力系統核心部件主要包括：1.8 kW燃料電池堆、主板控制器、離子電池、儲氫瓶[7]。燃料電池為質子交換燃料電池，輸出電壓20~40 V，輸出電流0~80 A，控制器為智能控制燃料電池和鋰電池輸出，內置鋰電池充電模塊、電源隔離模塊、信號采集和控制模塊、保護模塊和通訊模塊等。將燃料電池和鋰電池組成混合動力單元，通過電壓轉換器對燃料電池和鋰電池進行控制，使燃料電池輸出滿足負載需求的功率；控制鋰電池時，根據母線電壓的變化轉換工作模式，以輸出差額功率或吸收多余功率來維持母線電壓在額定電壓范圍內，從而實時輸出滿足動力需求[8]。

動力源有如下特性：第1動力源具有高能量密度，為混合動力裝置的穩定動力輸出源，第2動力源具有高功率密度，第2動力源的動態響應時間優于第1動力源的動態響應時間。于是第2直流－直流轉換器的輸入端與第2動力源的輸出端相連，輸出端分別與動力控制器以及第2直流－交流轉換器的輸入端相連，第2直流－交流轉換器的輸出端與第2電機相連。

第2直流－直流（DC/DC）轉換器采用雙向DC/DC轉換器[9]，使得第2動力源可以在充電和放電兩種模式下工作。同時，第1直流－直流轉換器采用雙向DC/DC轉換器，還可以解決第1動力源無法自行起動的缺陷。當農機作業遇阻（遇到突發阻礙工況）時，由于第1動力源的功率輸出調整有滯后時間，在該滯后時間內，負載端功率需求增加，但第1動力源的輸出功率尚未調整到位，通過動力控制器控制第2動力源進行及時響應，補償突發阻礙工況所需功率。

3 整機的模型設計

在本項目中，運用計算機設計軟件Solidworks，對微型自耕機的各個零部件進行了三維建模并進行裝配，機械設計的核心如圖4所示。在整個項目中農機的核心機械零件主要包括：支架、第1動力源、第2動力源、行駛輪、旋刀組、扶手、第1傳動軸、第2傳動軸、動力控制器以及能量回收器、電池控制系統，如圖5所示。其中，第1動力源、第2動力源、動力控制器以及能量回收器設置并固定在支架上，支架固定在行駛輪上，第1動力源和第2動力源分別設置在支架兩側，動力控制器以及能量回收器設置，在第1動力源和第2動力源之間，這樣結構設置動力輸出更加穩定，不受能量干擾控制較容易。

圖4 核心零件局部放大

圖5 自耕機整體結構

第1傳動軸的一端分別與第1動力源和第2動力源相連，另一端與旋刀組相連，第2傳動軸的一端分別與第1動力源和第2動力源相連，另一端與行駛輪相連；動力控制器分別與第1動力源、第2動力源、行駛輪以及旋刀組相連，能量回收器分別與行駛輪、旋刀組以及第2動力源相連；便于操控農機的扶手設置在支架上[10]。

按照上述的方法設置農機重要零件的分布及安裝位置，有利于農機操作。利用第2動力源充放電的快速動態響應時間特性，實現農機輸出功率的實時調節，可以有效提升農機運行的可靠性。

4 核心零件的設計

制動器的機械結構設計，電機動力輸出端與輸出軸鏈接，輸出軸與制動器鏈接。其核心零件動力制器的設計，采用凹凸方式設計。制動器在設計中采用電磁閥控制，電磁閥控制方便，響應時間快，能源回收充分，制動器分別與第1電機以及控制器相連。制動控制器依據第1電壓轉換器以及第2電壓轉換器輸出的電壓值進行功率輸出及充電管理。當農機突然制動時，制動器運行會產生制動能量，制動能量通過能量回收器和動力控制器，回收到第2動力源，將能量儲存起來。

5 使用效果

如圖6所示，初步運行結果顯示能投入正常使用，適用于溫室蔬菜大棚、蔬菜露地和果園的耕整地作業[11]。

6 結束語

本文通過采用混合動力系統，實現高能量密度和高功率密度的優勢互補，可以提高農業機械動力系容量，提高農業機械續航能力。提出了氫燃料－鋰電池混合動力系統、設計了電池綜合管理系統，且在硬件上實現了完成組裝及測試。測試表明微型自耕機的各項性能指標均已達到或超過國際標準要求，耕地效果滿足農業的要求。通過能量回收模塊和電池綜合管理模塊將制動能量自動回收到峰值瞬時動力輸出模塊，提高能量的利用效率。穩定動力輸出模塊提供農業機械的穩定功率需求，并具有能量來源穩定或快速的特點，滿足農業生產對長續航的需求。本機整機質量為40 kg，操作靈活、轉移方便、制造成本較低。