設(shè)施大棚履帶電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理仿真研究

劉靜 孫閆

摘要 針對(duì)單一能源電動(dòng)拖拉機(jī)適應(yīng)性差的問(wèn)題，提出了一種基于超級(jí)電容輔能的雙能源結(jié)構(gòu)。結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)際，對(duì)旋耕工況采用鋰離子和超級(jí)電容協(xié)調(diào)供電模式，并設(shè)計(jì)了雙能源邏輯門限控制規(guī)則。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，并對(duì)單一能源和雙能源2種模式下鋰離子電池的荷電狀態(tài)（SOC）、工作電流以及功率分配進(jìn)行了仿真分析。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在雙能源控制模式下，遇到突變載荷工況時(shí)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(jí)電容共同提供突變載荷工況的功率，且超出基礎(chǔ)功率部分由超級(jí)電容提供。鋰離子電池免受突變電流的沖擊，進(jìn)而延長(zhǎng)了鋰離子電池的使用壽命，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 設(shè)施大棚;雙能源;電動(dòng)拖拉機(jī);能量管理

中圖分類號(hào) S 219.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）05-0211-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.059

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guó)配套的基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)機(jī)械研制還相對(duì)落后，機(jī)械化普及率與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)為主。人工勞動(dòng)方式工作效率低，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)作業(yè)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(jī)，其排放的廢氣會(huì)污染棚室的空氣環(huán)境，降低植物產(chǎn)量甚至對(duì)勞動(dòng)人民造成傷害。與此同時(shí)，采用以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源的拖拉機(jī)，存在能量轉(zhuǎn)換效率低、噪音大等缺點(diǎn)[5-6]。電動(dòng)拖拉機(jī)作為一種新型“綠色農(nóng)機(jī)”，具有能量利用效率高和零污染的特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但是，現(xiàn)階段研究的電動(dòng)拖拉機(jī)技術(shù)上也存在一些難題，主要有能量管理技術(shù)、電機(jī)及其控制技術(shù)、變速箱及其控制技術(shù)、模型虛擬仿真技術(shù)等[7]。

筆者以一種適用于設(shè)施大棚作業(yè)環(huán)境的履帶電動(dòng)拖拉機(jī)為例，其主要從事旋耕、施播種為主的復(fù)式作業(yè)。由于大棚內(nèi)是熟土，該電動(dòng)拖拉機(jī)一般不進(jìn)行犁耕作業(yè)?，F(xiàn)有的電動(dòng)拖拉機(jī)都采用單一能量源，但采用單一能量源的電動(dòng)拖拉機(jī)能源利用效率和連續(xù)作業(yè)時(shí)間不盡人意，并且也無(wú)法適應(yīng)棚內(nèi)作業(yè)載荷的隨機(jī)性。因此，引入超級(jí)電容，構(gòu)成了鋰離子電池和超級(jí)電容雙電源系統(tǒng)。結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)際，主要是在旋耕作業(yè)工況采用雙電源協(xié)調(diào)工作模式，并設(shè)計(jì)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(jí)電容相互協(xié)調(diào)工作，對(duì)于延長(zhǎng)電池使用壽命以及提高電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力性能具有重要意義。

1 動(dòng)力學(xué)模型

旋耕作業(yè)速度介于田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移和犁耕作業(yè)速度之間，總體來(lái)說(shuō)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(yè)時(shí)拖拉機(jī)配置的是旋耕機(jī)具，拖拉機(jī)受到的阻力主要包括行駛阻力和旋耕機(jī)旋耕牽引阻力，其動(dòng)力學(xué)方程如下：

F q=F f+F X

F f=fmg

F X=k λHB+m xgf x（1）

式中，F(xiàn) q為驅(qū)動(dòng)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(dòng)阻力系數(shù);m為拖拉機(jī)總質(zhì)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(jī)質(zhì)量，單位為kg;f x為旋耕機(jī)前進(jìn)時(shí)滾動(dòng)阻力系數(shù)。

旋耕作業(yè)時(shí)需要的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（T req）計(jì)算公式如下：

T req=F qr di gη t（2）

式中，r d為驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑，單位為m;i g為旋耕作業(yè)時(shí)傳動(dòng)系總傳動(dòng)比;η t為旋耕作業(yè)時(shí)傳動(dòng)系總效率。

旋耕作業(yè)時(shí)的車速（v）計(jì)算公式如下：

v=0.377r dn ei g（3）

式中，n e為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

2 雙電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功率流

雙電源系統(tǒng)選擇超級(jí)電容半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是超級(jí)電容與DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與電池并聯(lián)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮超級(jí)電容工作電壓變化范圍大、充放電時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)[8]。

結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)際，在旋耕作業(yè)工況下采用鋰離子電池組和超級(jí)電容混合供電模式。旋耕作業(yè)時(shí)雙電源系統(tǒng)的功率流如圖2所示。

3 能量管理策略

旋耕作業(yè)采用鋰離子電池和超級(jí)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(shè)定能量管理規(guī)則為絕大部分時(shí)間由鋰離子電池提供能量，在突變載荷下由超級(jí)電容提供短時(shí)大功率。

旋耕作業(yè)工況下，該研究采用確定規(guī)則邏輯門限控制策略來(lái)協(xié)調(diào)鋰離子電池和超級(jí)電容的能量分配[9]，即設(shè)定鋰離子電池能夠提供功率的一個(gè)上限閾值P set，設(shè)電機(jī)需求功率為P req，當(dāng)P req>P set時(shí)，由鋰離子電池和超級(jí)電容共同提供能量，鋰離子電池提供功率等于P set，超級(jí)電容提供功率P req-P set;當(dāng)P req≤P set時(shí)，則電機(jī)所需功率全部由鋰離子電池提供。

4 仿真模型和結(jié)果

4.1 仿真模型

在建立仿真模型時(shí)，采用的是先設(shè)定車速，由車速計(jì)算達(dá)到該車速所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。然后，由電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求出電機(jī)需求功率，然后再將該需求功率提供給雙電源系統(tǒng)。旋耕作業(yè)仿真模型由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、電機(jī)需求功率計(jì)算模塊、能量管理控制模塊、鋰離子電池模塊及超級(jí)電容模塊等組成，如圖3所示。

根據(jù)公式（1）～（3）建立旋耕作業(yè)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊，如圖4所示。需要說(shuō)明的是，由于旋耕機(jī)具前進(jìn)時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)f x較小，再加上旋耕機(jī)質(zhì)量較拖拉機(jī)小，所以仿真模型的F X計(jì)算公式只考慮機(jī)具旋耕作業(yè)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(hào)。

電機(jī)需求功率計(jì)算模塊是由電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速計(jì)算出電機(jī)輸入端的需求功率，該模塊仿真模型如圖5所示。

根據(jù)前述的旋耕作業(yè)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(shè)為2。

動(dòng)力電池容量為27 A·h，單體標(biāo)稱電壓3.7 V，30組串聯(lián)。選用Maxwell超級(jí)電容，單體電壓2.5 V，單體電容3 000 F，40組串聯(lián)。雙能源電動(dòng)拖拉機(jī)主要部件參數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 仿真結(jié)果

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

對(duì)圖8和圖9的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，電動(dòng)拖拉機(jī)在有突變載荷的旋耕工況下作業(yè)時(shí)，帶有邏輯門限控制策略的雙能源系統(tǒng)與單一能源系統(tǒng)相比，鋰離子電池SOC下降變緩，延長(zhǎng)了鋰電池的放電終止時(shí)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(wěn)定和平滑，延長(zhǎng)了鋰離子電池的使用壽命。

對(duì)圖10仿真結(jié)果進(jìn)行分析，雙能源系統(tǒng)在邏輯門限控

制策略下鋰離子電池和超級(jí)電容輸出功率和能夠滿足需求功率，且明顯看出基礎(chǔ)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(jí)電容共同提供功率，且超出基礎(chǔ)功率部分由超級(jí)電容提供，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者以一種適用于大棚作業(yè)環(huán)境的電動(dòng)拖拉機(jī)的電源系統(tǒng)為研究對(duì)象。結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)際，確定在旋耕作業(yè)工況下采用基于超級(jí)電容輔能的雙電源結(jié)構(gòu)。在該作業(yè)工況下，采用確定規(guī)則邏輯門限控制策略來(lái)協(xié)調(diào)兩電源之間的能量分配，即絕大部分時(shí)間由鋰離子電池提供能量，在突變載荷下由超級(jí)電容提供短時(shí)大功率。使用Matlab/Simulink建立仿真模型，并模擬了突變載荷作業(yè)工況，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)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(jí)電容協(xié)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(shí)大電流放電的沖擊，從而延長(zhǎng)了鋰離子電池的使用壽命，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

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