雙電機(jī)功率分匯流純電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略

　　摘要:針對(duì)雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)拖拉機(jī)工作模式的切換及不同工作模式的動(dòng)力分配問(wèn)題，在MatLab/Simulink中搭建能量管理系統(tǒng)的仿真模型，研究基于瞬時(shí)優(yōu)化的模式識(shí)別策略和基于模糊控制的動(dòng)力分配策略，從而建立雙電機(jī)功率分匯流電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略。仿真結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下，能及時(shí)跟隨車速需求;在轉(zhuǎn)場(chǎng)、犁耕、旋耕工況下，拖拉機(jī)等速巡航時(shí)節(jié)能率分別為14．81%、9．72%、6．15%，且提高了電池能量的利用率。

　　關(guān)鍵詞:電動(dòng)拖拉機(jī);能量管理;雙電機(jī);MatLab/Simulink

　　引言

　　長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，整機(jī)可靠性和作業(yè)效率不高，因此需加快發(fā)展智能農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)來(lái)縮小與國(guó)外主流產(chǎn)品的差距，支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。目前，零排放、無(wú)污染、低噪音的綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)具的需求在不斷增加，因而研究電動(dòng)拖拉機(jī)的能量管理策略就成為智能農(nóng)機(jī)裝備開發(fā)的重點(diǎn)之一［1］。動(dòng)力電池成組及管理技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制技術(shù)、整車控制優(yōu)化及能量管理技術(shù)、整車高壓安全技術(shù)是構(gòu)成純電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)化的四大關(guān)鍵技術(shù)［2］，而能量管理策略是電動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的核心及實(shí)現(xiàn)整機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［3］研究了串聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)的3種能量管理策略，其中模糊控制式能量管理策略的控制效果最好。文獻(xiàn)［4］針對(duì)復(fù)合電源電動(dòng)拖拉機(jī)，對(duì)解決電動(dòng)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)和旋耕作業(yè)下能量系統(tǒng)高頻放電問(wèn)題提出了基于功率分配控制的能量管理策略。文獻(xiàn)［5］以東方紅1804拖拉機(jī)為研究對(duì)象，提出基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)能量管理策略，可將拖拉機(jī)整體需求轉(zhuǎn)矩合理地分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略的研究主要集中在混合動(dòng)力電動(dòng)拖拉機(jī)上，而對(duì)純電動(dòng)拖拉機(jī)的研究較少。本文針對(duì)一款新設(shè)計(jì)的雙電機(jī)功率分匯流純電動(dòng)拖拉機(jī)，研究其能量管理策略，并在MatLab/Sim收稿日期:2019－01－21基金項(xiàng)目:“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701002)作者簡(jiǎn)介:黃天樂(lè)(1992－)，男，江蘇宜興人，碩士研究生，(E－mail)15358079778@163．com。通訊作者:陳樹人(1965－)，男，湖南攸縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E－mail)srchen@ujs．edu．cn。ulink軟件中進(jìn)行仿真分析。

　　1電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

　　電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力單元主要包括主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、整機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等，如圖1所示。電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，帶有電機(jī)控制系統(tǒng)、逆變器及DC/DC轉(zhuǎn)換器。主電機(jī)與行星齒輪的太陽(yáng)輪相連，太陽(yáng)輪也傳遞部分動(dòng)力到拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸(PTO);調(diào)速電機(jī)與齒圈相連，通過(guò)行星架傳遞動(dòng)力到后橋，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的動(dòng)力耦合。

　　2雙電機(jī)構(gòu)型電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略

　　由于電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力部件多，工作模式復(fù)雜，為了充分發(fā)揮雙電機(jī)構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)，提高整車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性能，需要對(duì)雙電機(jī)和蓄電池進(jìn)行合理的控制和匹配，使其能根據(jù)拖拉機(jī)的工況狀態(tài)及駕駛員的需求來(lái)合理分配轉(zhuǎn)矩，使兩個(gè)電機(jī)工作在各自的高效區(qū)，從而提高整機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。整機(jī)的控制策略結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。控制策略分為3層，分別為駕駛員意圖識(shí)別策略、模式識(shí)別策略和動(dòng)力分配策略

　　2．1駕駛意圖識(shí)別

　　在研究拖拉機(jī)機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)油門、擋位、耕深(或車速)3個(gè)參數(shù)，求得整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。需求轉(zhuǎn)矩的計(jì)算包含兩部分內(nèi)容［6］，即基本轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，下面分別對(duì)這兩模塊進(jìn)行介紹［7－8］。1)根據(jù)爬坡度標(biāo)定的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)與踏板開度的關(guān)系［9］，采用查表方法，得到該轉(zhuǎn)速下電機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，來(lái)決定基本轉(zhuǎn)矩。2)將實(shí)際的拖拉機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)采集的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(AdaptiveNeural－basedFuzzyInferenceSystem，ANFIS)對(duì)加速踏板信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)與補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩控制。

　　2．2模式識(shí)別策略

　　拖拉機(jī)有轉(zhuǎn)場(chǎng)、犁耕、旋耕3種工況，需根據(jù)不同工況的車速和耕深要求進(jìn)行電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別。本文采用基于瞬時(shí)優(yōu)化的模式識(shí)別策略，具體如圖4所示。選擇拖拉機(jī)作業(yè)工況，整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩由油門踏板給出，通過(guò)對(duì)比主電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的電功率、調(diào)速電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的電功率、主電機(jī)和調(diào)速電機(jī)按照轉(zhuǎn)速耦合模式工作時(shí)的電功率，取電功率最小所對(duì)應(yīng)的模式作為當(dāng)前的工作模式。即在線計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下本構(gòu)型的3種工作模式下每種模式的需求電功率，最后選擇消耗電功率最小的那種模式作為當(dāng)前狀態(tài)下的工作模式。

　　3雙電機(jī)功率分匯流電動(dòng)拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)

　　雙電機(jī)功率分匯流電動(dòng)拖拉機(jī)MatLab/Simulink的整機(jī)頂層模型主要包含控制策略模型、主電機(jī)模型、調(diào)速電機(jī)模型、電池模型和拖拉機(jī)車身模型5部分。為了分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池工作過(guò)程中的效率，電機(jī)模型基于實(shí)測(cè)得到的電機(jī)系統(tǒng)效率與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系開發(fā);電池模型基于廠家提供的電池組放電效率和放電電流與SOC之間的關(guān)系建立;拖拉機(jī)車身模型根據(jù)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力和牽引阻力開發(fā)，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型的負(fù)載。

　　5結(jié)論

　　1)闡述了整機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略，根據(jù)拖拉機(jī)的工作模式制定了采用ANFIS的駕駛意圖識(shí)別策略、基于瞬時(shí)優(yōu)化的模式識(shí)別策略和基于模糊控制的動(dòng)力分配策略。2)針對(duì)開發(fā)的能量管理策略，建立了包括電池、控制策略、電機(jī)、駕駛員等模塊的整機(jī)Simulink仿真模型。仿真結(jié)果表明:該模型能準(zhǔn)確跟蹤循環(huán)工況，電池SOC變化平穩(wěn)，能量管理策略準(zhǔn)確、合理。3)在拖拉機(jī)3種作業(yè)工況下，分別對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行了整機(jī)經(jīng)濟(jì)性能仿真，結(jié)果表明:所建模型實(shí)現(xiàn)了整機(jī)需求轉(zhuǎn)矩的有效分配，且節(jié)能率較單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)有明顯提高。

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《雙電機(jī)功率分匯流純電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理策略》

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