復合電源電動拖拉機能量管理策略研究*

夏長高，楊彥祥，孫閆，劉靜

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江，212013)

0 引言

純電動拖拉機相對于傳統燃油拖拉機具有無污染、工作噪聲小、結構簡單靈活、易操作的特點。但是電動拖拉機的作業工況比較復雜，而其需求功率波動比較大，所以若采用蓄電池作為單一能源，不僅難以實現功率突變時的功率補償[1]，而且瞬時高倍率放電引發的極化現象，使得電池內部溫度急劇升高加快電池老化，甚至引發安全事故，這些問題導致頻繁更換動力電池組會大幅增加電動拖拉機的使用成本[2]。很多學者都對上述問題做了研究，并提出增程式[3-5]電動拖拉機和雙電源電動拖拉機[6]，這兩種方案雖然可以有效地提高拖拉機的作業時間，但是同時也帶來了能量分配的問題。

不同于電動汽車，目前針對于電動拖拉機的能量管理的研究還比較少。以往的研究[1, 7-8]主要存在控制策略依賴現有工況而導致魯棒性比較低；在線優化算法比較復雜計算難度大而導致控制滯后，不適合實際運用的問題。電動拖拉機往往需要搭配不同的農機具進行工作，且作業工況復雜多變，所以對電動拖拉機能量管理策略魯棒性的研究就比較重要了。

本文以復合電源電動拖拉機為研究對象，以實際可行為出發點，采用3種典型的基于規則的能量管理策略，在不同的拖拉機作業工況下，對整車的經濟性和蓄電池的放電狀態研究與分析。通過Amesim搭建了復合電源電動拖拉機的整車模型，利用Matlab/Simulink制定了能量管理的控制策略，并進行了聯合仿真。

1 拖拉機作業工況

拖拉機可以通過配置不同的農機具進行運輸、播種、噴藥、收割、耙地、旋耕、犁耕等多種作業[9]，根據各種作業的特點可以分為2種[10]：(1)田間基本作業，主要針對一些低速、需要搭配農機具的作業，如犁耕、旋耕、除草、噴藥、耙地等，此類作業的特點是基礎需求功率比較大，行駛速度比較低且相對穩定；(2)運輸作業，主要是指田間運輸和道路運輸，此類作業的特點是牽引力比較小，但是行駛速度比較大且多變。由于犁耕是農業拖拉機最基本的作業，牽引力的確定首先滿足犁耕的需要，然后再考慮其他田間作業[11]，拖拉機在道路運輸時行駛速度是變化多端的。所以本文以道路運輸為運輸作業的代表，以犁耕為田間基本作業的代表。首先分析電動拖拉機在這兩種工況下的受力情況。

電動拖拉機在作業時所克服的阻力除了行走機構所受外力，還包括作用在農機具上的外力[12]。行走機構行駛方向所受外力主要包括土壤與車輪之間的作用力—滾動阻力Ff、爬坡所受的坡道阻力Fi、高速行駛所受的空氣阻力Fw以及加速時所受的加速阻力Fj，如式(1)所示。

Ft=Ff+Fi+Fj+Fw

(1)

拖拉機在轉場或者道路運輸時，牽引機組所受牽引力為

Fx1=gmTfT

(2)

式中：mT——拖車的質量，kg；

fT——道路滾動阻力系數。

所以，運輸工況下拖拉機行駛方向所受外力

Ft=Ff+Fi+Fj+Fw+Fx1

(3)

然而，對于犁耕作業，拖拉機犁耕機組受力情況較為復雜，由于土壤機械特性復雜多變，目前沒有很好的犁耕牽引阻力數學力學模型，一般用測量結果處理后的經驗公式來描述[13]。本文以式(3)來表達犁耕所受的牽引力[11]

Fx2=z×b×h×k0

(4)

式中：Fx2——犁耕牽引力，N；

z——犁鏵數；

b——單個犁鏵寬度，cm；

h——耕深，cm；

k0——土壤比阻，N/cm2。

由于拖拉機在田間作業時土壤和路面條件是復雜多變的，所以設計時應留有10%～20%的后備牽引力[14]。因此，犁耕時的最大牽引力為

Fxmax=(1.1～1.2)×Fx2

(5)

拖拉機在田間作業時，行駛速度比較低，而且加速和爬坡的工況比較少見，所以可以忽略空氣阻力、加速阻力和坡道阻力。最后可得犁耕作業拖拉機所受最大外力為

Ft=Ff+Fxmax

(6)

2 復合電源系統結構

通過分析可知電動拖拉機在犁耕工況下基礎功率需求較大，在作業時犁具的耕深和土壤的阻力系數是不確定的，電機需求功率也隨之發生復雜的波動，所以要求能源裝置不僅能長時間工作而且要能瞬時提供峰值功率。考慮到蓄電池具有高能量密度、低功率密度的特點；而超級電容具有高功率密度、低能量密度、快速充放電和高循環使用壽命的特點。本文以蓄電池為主能源，以超級電容為輔助能源，設計了電動拖拉機的復合能源系統，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 復合電源電動拖拉機拓撲結構

超級電容與雙向DC/DC串聯后再與蓄電池并聯接入母線。超級電容的電壓通過DC/DC調節與母線電壓保持一致。

電動拖拉機作業時整車控制系統計算電機需求功率，通過電壓平臺計算電機需求電流，并向能量管理系統發送電流需求信號。能量管理系統在蓄電池和超級電容之間合理的分配電機需求電流，在保證動力性的基礎上充分發揮超級電容的“削峰”的作用。

3 能量管理控制策略

由于電動拖拉機所從事的作業種類比較多，作業工況復雜多變，所以針對于某一工況的能量管理策略不一定能滿足其他工況。通過上文的分析，本文針對運輸和犁耕這兩種作業工況，分別使用恒溫器控制策略、邏輯門限控制策略與模糊控制三種典型的基于規則的策略對復合電源電動拖拉機的能量管理策略進行分析。

3.1 恒溫器控制策略

能量管理的基本思路如下。

1) 當超級電容SOC滿足式(7)時，蓄電池輸出電流大于電機需求電流。

2) 當超級電容SOC滿足式(8)時，蓄電池和超級電容協同供電，且蓄電池輸出電流為電機需求電流的實時平均值。

3) 當超級電容SOC滿足式(9)的時候，超級電容單獨放電。

至此優化控制問題轉化為解其初始條件為x（0）=[π000]T，λ（0）（為待定參數），求解微分方程組（2）和（10）的問題。

SC_SOC≤SC_SOCmin

(7)

SC_SOCmin

(8)

SC_SOC>SC_SOCmax

(9)

3.2 邏輯門限控制策略

邏輯門限控制的具體思路和恒溫器控制相似，其控制邏輯如圖2所示，其中蓄電池輸出電流、超級電容輸出電流分別表示為I_B和I_SC。

為了能實時對需求電流進行分配，本文采用式(10)來計算需求電流的平均值。

(10)

I_d=I_mean×h

(11)

(12)

式中：I_req——需求電流，A；

I_d——判斷電流，A；

h——調節因子；

SC_SOC——超級電容的SOC；

SC_SOCmin——超級電容SOC下限；

SC_SOCmax——超級電容SOC上限。

圖2 邏輯門限的控制邏輯圖

3.3 模糊控制

本文設計的模糊控制器采用的是3個輸入，即蓄電池荷電狀態B_SOC、超級電容荷電狀態SC_SOC和電機需求電流I_req，一個輸出的結構(比例系數K)，模糊控制器推理方法采用Mamdani推理方法，隸屬度函數選擇較為簡單的三角形和梯形隸屬函數，輸入輸出滿足式(12)、式(13)。

(13)

I_req=I_B+I_SC

(14)

輸入量I_req論域為[0，1]，對應模糊集合為[SS，S，M，L，XL]，分別代表{較小，小，中等，大，較大}；B_SOC論域為[0.3，0.95]，對應模糊集合為[S，M，L]，分別代表{小，中，大}；SC_SOC論域為[0.2，0.95]，對應模糊集合為[SS，S，M，L]，分別代表{較小，小，中，大}；輸出量K論域為[0，2]，對應模糊集合為[SS，S，M，L，XL]，分別代表{較小，小，中等，大，較大}。各輸入、輸出的隸屬度函數如圖3所示。

(a) I_req隸屬度函數

模糊規則庫總體設計思路為：(1)當蓄電池SOC較低、電機需求電流較高時，若超級電容SOC較高，則蓄電池與超級電容共同放電；若此時超級電容SOC也較低，則由蓄電池提供主要能量。(2)當蓄電池SOC較高、電機需求電流較高時，若超級電容SOC較高，則蓄電池與超級電容共同供電，且由超級電容提供峰值電流部分；若此時超級電容SOC較低時則由蓄電池單獨放電。(3)當蓄電池SOC較高，需求電流較低時，若超級電容SOC較低，則蓄電池為電機提供能量的同時并為超級電容充電。參考文獻[15-17]，根據上述控制策略建立的模糊規則庫如表1所示。

表1 模糊規則表Tab. 1 Table of fuzzy rules

4 仿真與結果分析

4.1 建立仿真模型

在Amesim中建立復合電源電動拖拉機仿真模型，如圖4所示。并用Simulink搭建能量管理控制策略，實現Amesim與MATLAB/Simulink聯合仿真。電動拖拉機的復合電源參數和使用技術參數見表2、表3。

圖4 復合電源電動拖拉機仿真模型

表2 復合電源參數Tab. 2 Parameters of composite power supply

表3 復合電源電動拖拉機主要技術參數Tab. 3 Main technical parameters of the hybrid power electric tractor

電動拖拉機道路運輸工況采用的是低速NEDC郊區工況；犁耕作業時電動拖拉機的牽引阻力參考文獻[18]，車速穩定后保持恒速，詳細見圖5。

圖5 犁耕作業的牽引阻力和目標車速

4.2 仿真結果分析

相對于蓄電池而言，超級電容允許頻繁大電流充放電且內阻比較小，超級電容內阻消耗與蓄電池相比小很多，可以忽略不計，故針對于復合電源電動拖拉機本文重點研究蓄電池的充放電特性以及內阻消耗。分別使用三種控制策略對復合電源電動拖拉機進行仿真，并與單電源電動拖拉機進行對比。

4.2.1 道路運輸工況

由圖6(a)可見，電動拖拉機在運輸作業時速度跟隨良好；圖6(b)、圖6(c)以及表4是運輸工況下單電源電動拖拉機與復合電源電動拖拉機分別使用3種控制策略的對比。

(a) 運輸工況下的速度跟隨

表4 運輸工況三種控制策略對比結果Tab. 4 Comparison results of three control strategies for transportation conditions

恒溫器控制下，蓄電池輸出電流波動比較大，峰值電流為56.23 A，甚至高于單電源的峰值電流，主要原因是在需求電流比較大的時候，蓄電池又同時為超級電容充電，所以其在內阻消耗方面基本上沒有改善；模糊控制的蓄電池峰值電流為39.87 A，雖然有所降低，但是此控制策略下，超級電容很少參與供電所以內阻消耗僅為237 J，相對于單電源電動拖拉機，蓄電池內阻消耗降低了2.85%；邏輯門限控制策略下，蓄電池的輸出電流比較平緩，峰值電流為35.45 A，而且內阻消耗方面降低了8.92%。

4.2.2 犁耕作業工況

由圖7(a)可見犁耕作業時，仿真車速有輕微的波動，這是由于土壤阻力變化引起的波動，證明了本文所搭建的拖拉機仿真模型符合實際。圖7(b)、圖7(c)以及表5是在犁耕這樣的重載工況下單電源電動拖拉機與復合電源電動拖拉機分別使用3種控制策略時的對比：恒溫器控制策略下雖然蓄電池峰值電流為55.31 A，內阻消耗降低了2.15%，但是蓄電池在工作中頻繁啟停，這嚴重影響了蓄電池的使用壽命；在邏輯門限控制策略下，蓄電池的輸出電流比較高，其峰值電流為58.36 A，超級電容基本沒有發揮“削峰”的作用，所以內阻消耗僅僅降低了1.1%；而相對于前兩種控制策略，模糊控制下電流在復合電源之間合理分配，蓄電池的輸出電流保持在比較小的區間，蓄電池的峰值電流為44.27 A，得到了比較明顯的減小，比較有利于蓄電池耐久性的提高，而且其內阻消耗降低了3.77%。

(a) 犁耕工況下的速度跟隨

表5 犁耕工況三種控制策略對比結果Tab. 5 Comparison results of three control strategies for plowing conditions

5 結論

根據運輸和犁耕工況的特性，制定了基于規則的3種典型的控制策略，并進行了仿真。

1) 相對于單電源電動拖拉機，復合電源電動拖拉機無論在蓄電池輸出電流的平穩性還是在內阻損失方面都有明顯的改善。

2) 在運輸工況下，采用邏輯門限控制策略對蓄電池放電的改善比較明顯，相對于單電源電動拖拉機，其峰值電流和內阻損失分別下降了24.14%和8.92%。

3) 在犁耕這樣的重載工況下，采用模糊控制策略在提高電池耐久性和降低內阻消耗這兩方面相對于其他兩種都比較優秀，蓄電池的放電峰值電流和內阻損失分別下降了33.57%和3.77%。

4) 從實時控制的角度出發，對于作業工況復雜的電動拖拉機，增強能量管理策略的魯棒性，才能真正意義上有效地提高整車的經濟性。