摘要 針對單一能源電動(dòng)拖拉機(jī)適應(yīng)性差的問題，提出了一種基于超級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，對旋耕工況采用鋰離子和超級電容協(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)功率部分由超級電容提供。鋰離子電池免受突變電流的沖擊，進(jìn)而延長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

　　我國配套的基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)機(jī)械研制還相對落后，機(jī)械化普及率與國外發(fā)達(dá)國家相比差距還較大[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)。現(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，并且也無法適應(yīng)棚內(nèi)作業(yè)載荷的隨機(jī)性。因此，引入超級電容，構(gòu)成了鋰離子電池和超級電容雙電源系統(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電容相互協(xié)調(diào)工作，對于延長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，總體來說速度較低，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)揮超級電容工作電壓變化范圍大、充放電時(shí)間短的優(yōu)勢[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協(xié)調(diào)鋰離子電池和超級電容的能量分配[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電容共同提供能量，鋰離子電池提供功率等于P set，超級電容提供功率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。

　　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)行了仿真對比分析，結(jié)果如圖8和9所示。同時(shí)，對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，延長了鋰離子電池的使用壽命。

　　對圖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電容共同提供功率，且超出基礎(chǔ)功率部分由超級電容提供，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

　　5 結(jié)語

　　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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