设施大棚履带电动拖拉机能量管理仿真研究

　　摘要 针对单一能源电动拖拉机适应性差的问题，提出了一种基于超级电容辅能的双能源结构。结合电动拖拉机作业实际，对旋耕工况采用锂离子和超级电容协调供电模式，并设计了双能源逻辑门限控制规则。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，并对单一能源和双能源2种模式下锂离子电池的荷电状态(SOC)、工作电流以及功率分配进行了仿真分析。仿真试验结果表明，在双能源控制模式下，遇到突变载荷工况时锂离子电池SOC下降变缓，锂离子电池输出更平滑，锂离子电池和超级电容共同提供突变载荷工况的功率，且超出基础功率部分由超级电容提供。锂离子电池免受突变电流的冲击，进而延长了锂离子电池的使用寿命，达到了预期控制目标。

　　关键词 设施大棚;双能源;电动拖拉机;能量管理

　　我国配套的基础农业机械研制还相对落后，机械化普及率与国外发达国家相比差距还较大[1-3]，比如园艺、棚室、茶园还是以人工劳动为主。人工劳动方式工作效率低，且劳动强度大。拖拉机作为农业作业主要工具，可以代替人工完成犁地、播种、收获等繁重劳作[4]。大棚本身空间较小，空气流通缓慢，如果在棚室中使用小型燃油拖拉机，其排放的废气会污染棚室的空气环境，降低植物产量甚至对劳动人民造成伤害。与此同时，采用以内燃机作为动力源的拖拉机，存在能量转换效率低、噪音大等缺点[5-6]。电动拖拉机作为一种新型“绿色农机”，具有能量利用效率高和零污染的特点，目前已被广泛应用到农业生产中。但是，现阶段研究的电动拖拉机技术上也存在一些难题，主要有能量管理技术、电机及其控制技术、变速箱及其控制技术、模型虚拟仿真技术等[7]。

　　笔者以一种适用于设施大棚作业环境的履带电动拖拉机为例，其主要从事旋耕、施播种为主的复式作业。由于大棚内是熟土，该电动拖拉机一般不进行犁耕作业。现有的电动拖拉机都采用单一能量源，但采用单一能量源的电动拖拉机能源利用效率和连续作业时间不尽人意，并且也无法适应棚内作业载荷的随机性。因此，引入超级电容，构成了锂离子电池和超级电容双电源系统。结合电动拖拉机作业实际，主要是在旋耕作业工况采用双电源协调工作模式，并设计两电源之间的功率分配策略。较低功率密度的锂离子电池和较高功率密度的超级电容相互协调工作，对于延长电池使用寿命以及提高电动拖拉机的动力性能具有重要意义。

　　1 动力学模型

　　旋耕作业速度介于田间运输转移和犁耕作业速度之间，总体来说速度较低，因此可忽略空气阻力、坡道阻力和加速阻力。旋耕作业时拖拉机配置的是旋耕机具，拖拉机受到的阻力主要包括行驶阻力和旋耕机旋耕牵引阻力，其动力学方程如下：

　　F q=F f+F X

　　F f=fmg

　　F X=k λHB+m xgf x(1)

　　式中，F q为驱动力，单位为N;F f为行驶阻力，单位为N;F X为旋耕阻力，单位为N;f为滚动阻力系数;m为拖拉机总质量，单位为kg;g为重力加速度，单位为m/s2;k λ为土壤比阻，单位为N/cm2;H为耕深，单位为cm;B为耕幅，单位为cm;m x为旋耕机质量，单位为kg;f x为旋耕机前进时滚动阻力系数。

　　旋耕作业时需要的电机输出转矩(T req)计算公式如下：

　　T req=F qr di gη t(2)

　　式中，r d为驱动轮动力半径，单位为m;i g为旋耕作业时传动系总传动比;η t为旋耕作业时传动系总效率。

　　旋耕作业时的车速(v)计算公式如下：

　　v=0.377r dn ei g(3)

　　式中，n e为驱动电机转速，单位为r/min。

　　2 双电源系统的结构和功率流

　　双电源系统选择超级电容半主动式拓扑结构如图1所示。从图1可以看出，该拓扑结构是超级电容与DC/DC转换器串联后再与电池并联的一种拓扑结构。该种结构能够发挥超级电容工作电压变化范围大、充放电时间短的优势[8]。

　　结合电动拖拉机作业实际，在旋耕作业工况下采用锂离子电池组和超级电容混合供电模式。旋耕作业时双电源系统的功率流如图2所示。

　　3 能量管理策略

　　旋耕作业采用锂离子电池和超级电容混合供电模式，就涉及双电源之间的能量管理。该工况下，设定能量管理规则为绝大部分时间由锂离子电池提供能量，在突变载荷下由超级电容提供短时大功率。

　　旋耕作业工况下，该研究采用确定规则逻辑门限控制策略来协调锂离子电池和超级电容的能量分配[9]，即设定锂离子电池能够提供功率的一个上限阈值P set，设电机需求功率为P req，当P req>P set时，由锂离子电池和超级电容共同提供能量，锂离子电池提供功率等于P set，超级电容提供功率P req-P set;当P req≤P set时，则电机所需功率全部由锂离子电池提供。

　　4 仿真模型和结果

　　4.1 仿真模型

　　在建立仿真模型时，采用的是先设定车速，由车速计算达到该车速所需的电机转矩和转速。然后，由电机转矩和转速求出电机需求功率，然后再将该需求功率提供给双电源系统。旋耕作业仿真模型由电机输出转矩转速计算模块、电机需求功率计算模块、能量管理控制模块、锂离子电池模块及超级电容模块等组成，如图3所示。

　　根据公式(1)～(3)建立旋耕作业的电机输出转矩和转速计算模块，如图4所示。需要说明的是，由于旋耕机具前进时的滚动阻力系数f x较小，再加上旋耕机质量较拖拉机小，所以仿真模型的F X计算公式只考虑机具旋耕作业阻力。另外，该模型中为了模拟突变载荷，在旋耕阻力端加载了脉冲信号。

　　电机需求功率计算模块是由电机输出的转矩转速计算出电机输入端的需求功率，該模块仿真模型如图5所示。

　　根据前述的旋耕作业能量管理控制策略，建立逻辑门限能量管理控制模块如图6所示，模型中P set设为2。

　　动力电池容量为27 A·h，单体标称电压3.7 V，30组串联。选用Maxwell超级电容，单体电压2.5 V，单体电容3 000 F，40组串联。双能源电动拖拉机主要部件参数见表1。

　　4.2 仿真结果

　　旋耕速度为4 km/h，在如图7所示的突变载荷作用下，对单一能源和双能源逻辑门限控制规则2种模式下锂离子电池的荷电状态(state of charge，SOC)和工作电流进行了仿真对比分析，结果如图8和9所示。同时，对双能源逻辑门限能量控制规则下电机需求功率、锂离子电池和超级电容实际提供的功率进行了仿真，结果如图10所示。

　　对图8和图9的仿真结果进行分析，电动拖拉机在有突变载荷的旋耕工况下作业时，带有逻辑门限控制策略的双能源系统与单一能源系统相比，锂离子电池SOC下降变缓，延长了锂电池的放电终止时间，且锂离子电池免受突变电流的冲击，使得锂离子电池输出更加稳定和平滑，延长了锂离子电池的使用寿命。

　　对图10仿真结果进行分析，双能源系统在逻辑门限控

　　制策略下锂离子电池和超级电容输出功率和能够满足需求功率，且明显看出基础功率是由锂离子电池提供，突变载荷下由锂离子电池和超级电容共同提供功率，且超出基础功率部分由超级电容提供，达到了预期的控制目标。

　　5 结语

　　笔者以一种适用于大棚作业环境的电动拖拉机的电源系统为研究对象。结合电动拖拉机作业实际，确定在旋耕作业工况下采用基于超级电容辅能的双电源结构。在该作业工况下，采用确定规则逻辑门限控制策略来协调两电源之间的能量分配，即绝大部分时间由锂离子电池提供能量，在突变载荷下由超级电容提供短时大功率。使用Matlab/Simulink建立仿真模型，并模拟了突变载荷作业工况，进行仿真试验。仿真试验结果表明，在双能源控制模式下，如果遇到突变载荷工况，由超级电容协助锂离子电池提供功率，使得锂离子电池输出更加平滑，免受短时大电流放电的冲击，从而延长了锂离子电池的使用寿命，达到了预期的控制目标。

　　参考文献

　　[1] 陈丹艳，杨振超，孔政，等.设施农业固碳研究现状与展望[J].中国农业科技导报，2018，20(2)：122-128.

　　[2] 李鑫.浅析设施农业蔬菜栽培技术[J].种子科技，2018，36(1)：69，72.

　　[3] 刘晓锋，赵志强，林甦军，等.1WG-5型大地牌微耕机的研制与应用[J].新农村(黑龙江)，2010(9)：93，92.

　　[4] 交通运输业成我国能源消耗增长最快行业[J].节能与环保，2007，34(8)：7.

　　[5] 徐立友，刘孟楠，周志立.串联式混合动力拖拉机驱动系设计[J].农业工程学报，2014，30(9)：11-18.

　　[6] 孙闫.基于超级电容辅能的纯电动施拉机能量管理的研究[D].镇江：江苏大学，2018.

　　[7] 高辉松，朱思洪，吕宝占.电动拖拉机发展及其关键技术[J].拖拉机与农用运输车，2007，34(6)：4-7.

　　[8] 刘静，孙闫.电动拖拉机复合电源系统研究[J].安徽农业科学，2020，48(11)：213-215.

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