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(shè)計*

趙 萌，林蔚然，楊忠昌，王龍兵，董寶光，陳 凱，曹 猛

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用[1]。目前農(nóng)業(yè)機械的主要動力來源仍為柴油機等燃油機，通過將動力轉(zhuǎn)換為電機的電力并驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械運行[1]。目前我國農(nóng)業(yè)以戶為單位，規(guī)模較小，農(nóng)機功率不高.而柴油機在低功率運行狀態(tài)下動態(tài)響應(yīng)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(yīng)，可能導(dǎo)致農(nóng)機的熄火，降低了農(nóng)機運行的可靠性，同時，頻繁熄火和點火，也會導(dǎo)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(shù)難點，是農(nóng)業(yè)機械的混合動力裝置控制及混合動力微型自耕機整機設(shè)計。而提供動力控制的技術(shù)難點有以下方面。

（1）對混合動力系統(tǒng)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(shù)難點。

（2）氫燃料混合動力微型自耕機的控制設(shè)計原理圖的技術(shù)問題。農(nóng)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(guān)系的技術(shù)難點。以及能量回收的核心零件和制動器的技術(shù)結(jié)構(gòu)難點。

（3）調(diào)配及充放電管理等技術(shù)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(yōu)匹配；如何優(yōu)化農(nóng)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(jié)能，節(jié)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(huán)境，進行技術(shù)實施并模擬。借助Simulink作為仿真建模工具，進一步開發(fā)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(yōu)條件[3]；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)作業(yè)實際需求，設(shè)置合適的切換擋位和對應(yīng)工作模式，根據(jù)不同的模式所需，反饋調(diào)節(jié)動力裝置，設(shè)計高效率電池供電，在保證功率的情況下最大可能地節(jié)省資源。農(nóng)機的整體結(jié)構(gòu)通過三維軟件Sloidworks進行建模，完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并實現(xiàn)樣機測試。利用混合動力，不斷調(diào)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(shè)計環(huán)境的可視化仿真工具，可以實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析[4]，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)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(huán)境動態(tài)系統(tǒng)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(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。具有應(yīng)用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際效率高靈活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于理論控制和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。通過Simulink軟件的分析，可實現(xiàn)高能量密度和高功率密度的優(yōu)勢互補。其優(yōu)勢如下：

（1）最大限度地優(yōu)化農(nóng)機的續(xù)航和載荷，滿足農(nóng)用機械長續(xù)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(nóng)機的穩(wěn)定功率需求，具有能量來源穩(wěn)定的特點，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對長續(xù)航的需求。

2 技術(shù)方案及實施

2.1 建立模型

利用Simulink軟件，開發(fā)氫燃料－鋰離子電池混合動力系統(tǒng)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(xù)穩(wěn)定的輸出功率[5]，利用鋰電池優(yōu)化的動態(tài)響應(yīng)時間，從而將氫燃料電池和鋰電池組成農(nóng)機的混合動力單元，以氫燃料電池作為農(nóng)機的穩(wěn)定功率輸出單元，采取動力控制器的功率控制方式，實時調(diào)節(jié)氫燃料電池的功率輸出；鋰電池作為農(nóng)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(yīng)的輸出功率，從而結(jié)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(xiàn)農(nóng)機在穩(wěn)態(tài)功率下保持燃料電池的輸出指定功率，暫態(tài)（突發(fā)阻礙或突發(fā)松軟）工況下，利用鋰電池充放電的快速動態(tài)響應(yīng)時間特性，實現(xiàn)農(nóng)機輸出功率的實時調(diào)節(jié)。

圖1 Simulink能量仿真分析

2.2 工作模式設(shè)計

在本項目利用Simulink軟件對微型自耕機的工作狀態(tài)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(tài)模擬

（1）行進狀態(tài)：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(tài)：正常農(nóng)業(yè)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(tài)：遇結(jié)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(wěn)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(yè)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(shù)問題。

其操作技巧在于起步時需要小油門緩慢、平穩(wěn)起步；進行模式中離合器分離的狀態(tài)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(yè)地頭、地邊作業(yè)時，要減慢速度，注意安全；轉(zhuǎn)彎時要輕抬扶手，陷入泥中時也應(yīng)輕抬扶手；農(nóng)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(shè)計

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

圖3 控制設(shè)計

混合動力系統(tǒng)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(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)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(jù)母線電壓的變化轉(zhuǎn)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(nèi)，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(wěn)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(tài)響應(yīng)時間優(yōu)于第1動力源的動態(tài)響應(yīng)時間。于是第2直流－直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸入端相連，第2直流－交流轉(zhuǎn)換器的輸出端與第2電機相連。

第2直流－直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器采用雙向DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器采用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，還可以解決第1動力源無法自行起動的缺陷。當(dāng)農(nóng)機作業(yè)遇阻（遇到突發(fā)阻礙工況）時，由于第1動力源的功率輸出調(diào)整有滯后時間，在該滯后時間內(nèi)，負載端功率需求增加，但第1動力源的輸出功率尚未調(diào)整到位，通過動力控制器控制第2動力源進行及時響應(yīng)，補償突發(fā)阻礙工況所需功率。

3 整機的模型設(shè)計

在本項目中，運用計算機設(shè)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(shè)計的核心如圖4所示。在整個項目中農(nóng)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(tǒng)，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(shè)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(shè)置在支架兩側(cè)，動力控制器以及能量回收器設(shè)置，在第1動力源和第2動力源之間，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)置動力輸出更加穩(wěn)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(jié)構(gòu)

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(nóng)機的扶手設(shè)置在支架上[10]。

按照上述的方法設(shè)置農(nóng)機重要零件的分布及安裝位置，有利于農(nóng)機操作。利用第2動力源充放電的快速動態(tài)響應(yīng)時間特性，實現(xiàn)農(nóng)機輸出功率的實時調(diào)節(jié)，可以有效提升農(nóng)機運行的可靠性。

4 核心零件的設(shè)計

制動器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計，采用凹凸方式設(shè)計。制動器在設(shè)計中采用電磁閥控制，電磁閥控制方便，響應(yīng)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(jù)第1電壓轉(zhuǎn)換器以及第2電壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值進行功率輸出及充電管理。當(dāng)農(nóng)機突然制動時，制動器運行會產(chǎn)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(jié)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(yè)[11]。

6 結(jié)束語

本文通過采用混合動力系統(tǒng)，實現(xiàn)高能量密度和高功率密度的優(yōu)勢互補，可以提高農(nóng)業(yè)機械動力系容量，提高農(nóng)業(yè)機械續(xù)航能力。提出了氫燃料－鋰電池混合動力系統(tǒng)、設(shè)計了電池綜合管理系統(tǒng)，且在硬件上實現(xiàn)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(nóng)業(yè)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(wěn)定動力輸出模塊提供農(nóng)業(yè)機械的穩(wěn)定功率需求，并具有能量來源穩(wěn)定或快速的特點，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對長續(xù)航的需求。本機整機質(zhì)量為40 kg，操作靈活、轉(zhuǎn)移方便、制造成本較低。