雙能源電動拖拉機能量管理策略*

劉靜，夏長高，孫閆

(1. 南京交通職業技術學院汽車工程學院，南京市，211188； 2. 江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江，212013)

0 引言

電動拖拉機具有節能環保的特點，目前在農業界已得到了推廣應用。從20世紀70年代開始，國外就紛紛開展車載電源電動拖拉機的研制[1-6]。國內近些年也有科研機構對電動拖拉機開展研究[7-11]。他們研究的重點主要在整機結構方案設計、驅動系統設計和參數匹配、驅動控制策略、無級變速技術、整機性能及主要部件性能等方面。

和電動汽車一樣，電動拖拉機的電源及能量管理也是關鍵技術之一，會影響到拖拉機的連續作業時間、能源消耗和牽引性能。就目前研制出的電動拖拉機來看，使用的都是單一能量源，其連續作業時間和能量利用效率離實際需求還存在一定的差距。因此，國內外學者積極開展在電動拖拉機上采用復合電源系統的理論研究，并取得了一定的研究成果。文獻[12]在電動拖拉機上設計了一種燃料電池和蓄電池雙能源系統結構，基于燃料電池系統的最優性能和蓄電池的合理充放電原則，制定了兩種能源之間模糊能量控制策略，達到了降低等效氫氣消耗量的效果。文獻[13]設計了一種基于鋰離子電池、超級電容和DC/DC轉換器電動拖拉機復合電源系統，采用的是超級電容和DC/DC轉換器并聯的方案，并設計了功率分配器，最后驗證了基于功率分配控制的能量管理策略能夠實現鋰離子電池組平衡基頻載荷和超級電容平衡高頻載荷的控制目的。文獻[14-15]對動力電池組和柴油機組成的復合電源拖拉機開展研究，雖復合電源可以延長電動拖拉機作業時間，但依然需要傳統內燃機能源。

本文將結合電動拖拉機典型作業工況的負荷特性，設計了一種基于鋰離子電池和超級電容的雙電源系統結構，并提出針對不同作業工況的電源工作模式。由于犁耕作業是拖拉機最基礎最基本的作業形式，該工況下的各種性能可以反映拖拉機的性能，因此對采用雙電源混合供電模式的犁耕作業工況設計能量管理控制策略，以達到延長電動拖拉機一次充電作業時間和鋰離子電池壽命的目的。該研究為電動拖拉機的能量管理控制器的開發提供技術支持。

1 電動拖拉機典型作業工況動力學模型

電動拖拉機可以和農機具連接在一起以機組形式進行農田作業，也可以牽引掛車進行運輸，典型作業工況 主要包括田間運輸轉移、旋耕和犁耕等。電動拖拉機在田間作業時，作業速度不高且不用爬坡。因此，在對其典型作業工況下進行受力分析時，均忽略空氣阻力和坡道阻力。考慮到田間運輸轉移工況作業速度相對其他工況較高，在該工況下考慮了加速阻力，其他工況加速阻力也忽略。田間運輸轉移工況動力學方程

(1)

式中：Fq1——田間運輸轉移驅動力，N；

Ff1——田間運輸轉移行駛阻力，N；

Fj——田間運輸轉移加速阻力，N；

f——滾動阻力系數；

m1——田間運輸轉移拖拉機總質量，kg；

δ——旋轉質量換算系數；

du/dt——田間運輸轉移加速度，r/min。

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

(2)

式中：Fq2——旋耕作業驅動力，N；

Ff2——旋耕作業行駛阻力，N；

FX——旋耕阻力，N；

m2——旋耕作業拖拉機總質量，kg；

k——土壤比阻，kPa；

H——旋耕深度，cm；

B——耕幅，cm；

mx——旋耕機質量，kg；

fx——旋耕機前進時的滾動阻力系數。

與田間運輸轉移作業相比，犁耕作業行駛阻力多了犁具的犁耕阻力，其動力學方程

(3)

式中：Fq3——犁耕作業驅動力，N；

Ff3——犁耕作業行駛阻力，N；

FL——犁耕阻力，N；

m3——犁耕作業拖拉機總質量，kg；

z——犁鏵數；

b——單犁鏵寬度，cm；

h——犁耕深度，cm。

2 電動拖拉機雙能源系統的結構和工作模式

電動拖拉機在田間作業時，作業速度并不高，但需求扭矩大，并且受作業的多樣性和土壤特性的復雜性等因素的影響，負載特性具有較大的隨機性和不可預測性。如果采用單一能源，電動拖拉機將無法適應復雜的田間作業工況需求，最終導致能量損耗大，連續作業時間短的問題。據此，本文提出在電動拖拉機上采用雙能源系統。該雙能源系統主要由鋰離子電池組、超級電容及DC/DC轉換器等組成。它們三者之間的連接形式可以多種多樣，主要有被動式、半主動式和全主動式等類型[16]。通過比較不同結構形式的雙能源系統，本文最終選擇的是DC/DC轉換器和超級電容串聯后再與鋰離子電池組并聯的結構形式，如圖1所示。因為超級電容能量密度低，端電壓下降快，用該種結構易于實現超級電容電壓的控制，也有利于降低雙能源系統的配置成本。

圖1 超級電容半主動式雙能源系統結構Fig. 1 Ultracapacitor semi active dual energy system structure

電動拖拉機主要由電源系統、電力驅動系統、整車控制器及輔助系統等組成。由于其電源系統結構方案已確定，進而給出雙能源電動拖拉機的動力驅動系統的布置方案，如圖2所示。

圖2 雙能源電動拖拉機動力驅動系統布置Fig. 2 Power drive system layout of dual energy electric tractor

電動拖拉機在田間作業時，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來確定雙能源系統的工作模式。不同的作業工況負荷特性不同，電機的功率需求也不同。田間運輸轉移、旋耕和犁耕這3種典型作業工況相比，犁耕和旋耕作業要比田間運輸轉移作業能耗高、負荷重。因此，犁耕和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，如圖3所示。而在負荷較輕、能耗較低的田間運輸轉移工況下采用鋰離子電池組單獨供電模式，如圖4所示。

圖3 鋰離子電池組和超級電容混合供電模式Fig. 3 Combined power supply mode of lithium ionbattery and ultracapacitor

圖4 鋰離子電池組單獨供電模式Fig. 4 Independent power supply mode of lithiumion battery pack

3 能量管理控制器設計

田間運輸轉移工況采用鋰離子電池組單獨供電模式，該工況下的能量管理是為了防止由于鋰離子電池過放而導致電池壽命大大縮短，而進行的電池輸出能量的管理，但不存在雙電源之間的功率分配控制問題。犁耕和旋耕作業工況下采用鋰離子電池和超級電容共同提供能量，因此就需要對兩者之間的能量分配進行控制管理。由于犁耕作業是拖拉機最基礎最基本的作業形式，該工況下的各種性能可以反映拖拉機的性能。因此本文將重點研究犁耕作業工況下的雙電源能量分配問題。在該工況下采用模糊邏輯控制策略來協調鋰離子電池和超級電容的功率和能量分配。下面將對模糊控制器進行設計。

首先確定該模糊控制器的輸入和輸出變量[17]。選擇輸入為3個變量：電機需求功率Preq、鋰離子電池的SOCbat、超級電容的SOCsc；輸出為單個變量：鋰離子電池組輸出功率占雙電源系統提供的總功率的比例因子Kbat。然后確定輸入和輸出變量的論域并賦予模糊語言變量[17]。將Preq∈[0,10]模糊化成五級：零、正小、正中、正大和極大；將SOCbat∈[0.15,0.9]模糊化成三級：低、中和高；將SOCsc∈[0.2,0.9]模糊化成三級：低、中和高；將Kbat∈[0,1]模糊化成五級：零、較小、正中、較大、很大。接著根據輸入和輸出變量的論域和模糊語言變量，建立每個變量的模糊語言值的隸屬度函數。最終確定的Preq、SOCbat、SOCsc和Kbat模糊語言變量的隸屬度函數如圖5～圖8所示[18-19]。

圖5 Preq隸屬度函數Fig. 5 Membership function of Preq

圖6 SOCbat隸屬度函數Fig. 6 Membership function of SOCbat

圖7 SOCsc隸屬度函數Fig. 7 Membership function of SOCsc

圖8 Kbat隸屬度函數Fig. 8 Membership function of Kbat

同時還要結合專家經驗構造模糊控制規則，構造出的模糊控制規則見表1所列。

表1 模糊規則控制表Tab. 1 Fuzzy rule control table

最后，依托Matlab模糊邏輯工具箱的模糊推理系統構造功能，將前述的輸入輸出變量模糊語言變量的名稱、取值范圍、隸屬度函數、模糊控制規則等輸入Matlab模糊推理系統編輯器并進行保存，待后面在Simulink仿真模型中調用。同時，利用編輯器可繪制該模糊系統的輸入/輸出特性曲面，如圖9所示。

(a) Preq、SOCbat、Kbat關系

(b) Preq、SOCsc、Kbat關系

(c) SOCbat、SOCsc、Kbat關系圖9 輸入/輸出特性曲面Fig. 9 Input/output characteristic surface

4 建模與仿真

4.1 仿真模型

犁耕作業仿真模型如圖10所示。

圖10 犁耕作業仿真模型Fig. 10 Simulation model of ploughing operation

此仿真模型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的這種建模方法。犁耕作業工況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、能量管理模糊控制模塊、鋰離子電池模塊及超級電容模塊等組成[19]。

能量管理模糊控制模塊仿真模型如圖11所示，其中的Fuzzy Logic Controller模塊調用了前面設計的能量管理模糊控制器。受篇幅限制，其他模塊的詳細內容此處不詳細展示。

圖11 能量管理模糊控制模塊仿真模型Fig. 11 Simulation model of fuzzy control module forenergy management

動力電池容量為27 Ah，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。拖拉機主要部件參數見表2所列。

表2 雙能源電動拖拉機主要部件參數Tab. 2 Main component parameters of dual energyelectric tractor

4.2 仿真結果

拖拉機在實際犁耕作業時由于受到土壤的性質影響，牽引阻力的變化是不規則的，犁耕載荷波動是一種隨機現象，犁耕速度基本恒定。為了更加貼近拖拉機犁耕作業實際，下面將拖拉機在如圖12所示的犁耕阻力作用下，以恒定速度3 km/h作業時的情況進行仿真分析。圖13所示為單一能源和雙能源模糊策略控制下鋰離子電池的SOC仿真對比圖，圖14所示為兩種模式下鋰離子電池的工作電流對比圖。圖15所示為在模糊控制策略下電機需求功率、鋰離子電池和超級電容輸出功率之間的關系。

從圖13和14可以分析出，和單一鋰離子電池能源系統相比，采用模糊控制的雙能源系統的鋰離子電池的SOC變化緩慢，平均工作電流下降了67.9%，峰值工作電流下降了58.7%。

圖12 犁耕阻力循環工況Fig. 12 Plough resistance cycle

圖13 鋰離子電池SOC對比Fig. 13 SOC comparison of lithium-ion battery

圖14 鋰離子電池工作電流對比Fig. 14 Comparison of working current of lithium-ion battery

從圖15可以分析出，通過模糊控制策略對鋰離子電池和超級電容輸出功率進行合理分配之后，兩者輸出功率之和能夠滿足功率需求，充分體現了犁耕工況下是由鋰離子電池和超級電容協同供能的能量管理總體規則。

接著，在圖12所示的犁耕阻力循環作用下，對單一能源和雙能源模式下一次充滿電后連續作業時間進行仿真對比。采用的方法是預設兩種能源供給模式下鋰離子電池的初始SOC均為0.85，允許放電終止SOC均為0.15，用鋰離子電池的SOC從初始值下降到允許放電終止值的時間來表示一次充滿電后連續作業時間。兩種能源供給模式下一次充滿電后連續作業時間仿真結果如圖16所示。從圖16可以看出，單一能源和雙電源模式下一次充滿電后連續作業時間分別約為1 200 s和11 000 s。和單一能源相比，電動拖拉機在雙電源模式下一次充電連續作業時間提升了約9.17倍。

圖15 雙能源功率分配仿真結果Fig. 15 Simulation results of dual energy power distribution

圖16 充滿電后連續作業時間對比Fig. 16 Comparison of uninterrupted workingtime after full charge

5 結論

本文結合電動拖拉機作業實際，對負荷和能耗相對較重的犁耕作業工況采用雙能源供電模式，雙能源之間的功率分配采用模糊控制策略。與采用單一能源相比，對雙電源采用能量管理控制后，雙電源輸出的功率之和能夠很好的滿足電機功率需求，并且鋰離子電池的SOC變化緩慢，鋰離子電池的平均工作電流和峰值工作電流下降幅度分別達到67.9%和58.7%，鋰離子電池一次充滿電后連續作業時間延長了約9.17倍。可見，采用雙電源模式并且對雙電源進行合理的能量控制，能夠有效提升電動拖拉機一次充電連續作業時間和延長鋰離子電池的壽命。該研究可為后續雙能源電動拖拉機能量管理控制器開發及樣機的研制提供理論支持。