基于动态规划的电动拖拉机动力电源能量控制策略研究

针对纯电动拖拉机能量利用率低、续航里程不足的问题,提出了基于超级电容和蓄电池复合的纯电动拖拉机动力电源系统。通过分析纯电动拖拉机的作业工况特点以及功率需求,对动力电源系统进行了拓扑结构选型和参数匹配,并以动力电源能耗最低为优化目标,应用动态规划对纯电动拖拉机的动力电源系统进行能量控制策略优化,对动态规划结果以及工况特点进行分析,总结出基于规则的动力电源能量控制策略,利用Matlab/Simulink建模对控制策略进行仿真。结果表明基于动态规划的控制策略能量消耗比基于规则的控制策略能量消耗减少了18%,证明了基于动态规划的能量控制策略在节能降耗方面的有效性。     

基于作业工况和退役锂离子电池的电动拖拉机电源系统优化

针对电动拖拉机制造成本高的问题,提出一种基于作业工况和退役锂离子电池的电动拖拉机电源系统优化方法。采用分选后的退役锂离子电池单体对电动拖拉机电源系统进行参数匹配,对电池PNGV等效电路模型进行参数辨识后,基于作业工况和退役锂离子电池,以电动拖拉机经济性最优为目标设计目标函数,以电动拖拉机功率需求与续航时间要求制定约束条件,对电动拖拉机电源系统进行参数优化。以实例计算对优化结果进行试验验证,采用退役锂离子电池对电动拖拉机电源系统优化方案与新电池进行对比。结果表明：该参数匹配方法通过退役锂离子电源系统,可满足电动拖拉机使用需求,并降低电源系统成本。成组价格为新电池的29.4%,综合成本为新电池的36.9%,可为电动拖拉机退役锂离子电池电源系统设计提供参考。     

中国电动拖拉机研究进展

作为解决能源短缺和环境污染的主要措施,电动车辆发展得到世界各国广泛认同。与电动汽车相比,电动拖拉机发展较为缓慢,随着相关基础研究的不断进步,电动拖拉机经过电网供电第一发展阶段,已经进入车载电源供电第二发展阶段。通过筛选第二发展阶段相关研究成果,从整机结构设计及其性能分析、电池及能量管理、电机驱动及其控制、系统仿真技术和其他相关研究等五个方面总结中国电动拖拉机研究进展。电动拖拉机整机结构不必完全遵循拖拉机传统方式,应以适应农业作业环境为导向,提升作业性能为要求为方向。加快第二代动力锂电池在电动拖拉机中的应用,设计符合农业工况的拖拉机用电池能量管理系统。紧密联系电机研发厂商,开发适合农用的电机及其驱动和控制技术。进一步探索电动拖拉机系统仿真技术,以加快电动拖拉机开发速度。要以第三代智能控制理论为发展方向,全面提升电动拖拉机的智能化作业能力和使用性能,实现我国农业机械的跨越式发展。     

增程式电动拖拉机研究进展

传统电动拖拉机存在续航里程低、难以满足大功率段作业需求等问题,增程式电动拖拉机是在传统电动拖拉机基础上增加一套附加动力驱动装置,较好地兼顾经济性与动力性需求,是未来电动拖拉机的主要发展方向之一。在综述增程式电动汽车动力系统研究、能量管理控制策略等主要技术基础上,重点阐述增程式电动拖拉机在动力系统设计、与传动系统的参数匹配与优化算法、转矩分配以及能量管理的研究等方面的研究进展,指出：精准化、智能化以及如何在电耗以及油耗间寻求一个更好的平衡点,提升电能利用率、降低油耗,是未来增程式电动拖拉机得以推广的关键以及主要发展方向;针对增程式电动拖拉机的建模应充分考虑到拖拉机的诸如运输、犁土、翻土、整地等不同的作业需要,未来可以在基于一定数据分析基础上,全面考虑实际作业需求,实施个性化、精准化建模与参数设计,提高准确性;在充分分析增程式电动拖拉机作业特性与能量需求的基础上,可开展适应增程电动拖拉机的电池及相关技术研发,提升续航里程。     

电动拖拉机动力电池压载构型设计与参数优化

为改善电动拖拉机动力电池压载效果以提升整机牵引性能,提出了一种位置可调的电池压载框架结构;基于牵引性能预测基本方程,以驱动效率、滑转率和前轴安全压载综合最优为目标建立电池压载参数优化模型,该模型可根据作业条件给出最优电池压载参数;在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了电动拖拉机牵引作业仿真模型,针对负载1~5kN范围内的水平牵引工况,对电池压载参数优化前后的牵引性能进行了仿真对比分析;基于所提出的位置可调电池压载框架结构,搭建了电动拖拉机实验样机,并在室内土槽环境下对压载参数优化模型进行验证。结果表明：在保证前桥安全压载的前提下,所提出的电池压载构型使牵引车速和能量利用率分别提升4.16%和5.66%,有效提升了电动拖拉机的牵引作业性能。     

复合电源电动拖拉机能量管理策略研究

针对电动拖拉机作业工况复杂,而基于优化的能量管理控制策略存在对工况依赖性强、控制滞后、不适合拖拉机作业实时控制的问题,制定3种典型的基于规则的能量管理策略,通过Amesim和Matlab/Simulink联合仿真。结果表明：在道路运输工况下,逻辑门限的控制策略的蓄电池输出电流比较平缓,内阻消耗最低,相对于单电源电动拖拉机,内阻消耗降低8.92%;在犁耕工况下,基于模糊的控制策略的蓄电池输出电流相对保持在较小的区间,而且内阻消耗也最低,相对于单电源电动拖拉机降低3.77%。研究表明,增强电动拖拉机能量管理策略的鲁棒性,才能有效地提高其经济性。     

纯电动拖拉机动力系统设计及性能分析

针对传统燃油拖拉机油耗高、污染大、变速器结构复杂、底盘布置柔性化差等缺点,提出一种纯电动拖拉机动力系统传递方案。基于东方红—200P型拖拉机,通过理论计算对牵引电动机、变速器、动力电池组等主要部件完成选型,并在充分考虑滑转率影响下分析了选型后纯电动拖拉机作业性能。结果表明,所设计纯电动拖拉机能够实现犁耕、运输等多种作业工况,在整个驱动力范围内,滑转率控制在0.028~0.122之间,处于理想范围,犁耕作业速度在6km/h时的作业时间为5.7h,满足设计要求。     

电动拖拉机发展及其关键技术

回顾了电动拖拉机近100多年的发展历史,可以看出,上世纪70年代以前的电动拖拉机基本上由电网提供电源,其作业范围受到限制,自上世纪70年代以来,电动拖拉机得到快速发展,动力源发展为车载动力电池,且电池性能不断提高,但在续驶里程、作业时间等方面与实际的要求还有不小的差距,电动拖拉机的应用范围还非常有限。进一步分析了影响电动拖拉机发展的关键技术:电池及能量管理技术、电机及其控制技术和用于开发设计电动拖拉机的系统仿真技术,以及这些技术的目前发展状况,以期为我国电动拖拉机的研究与开发提供借鉴。     

基于随机载荷功率谱的电动拖拉机复合能量系统研究

拖拉机重载作业模式下负载峰值功率和高频功率存在较大随机性,单一电源方案无法有效匹配电动拖拉机负载特性。通过分析拖拉机工况负载势变量功率谱密度和电源放电特性,基于电动拖拉机通过主、辅电源对低、高频功率分流的观点,设计了采用DC-DC转换器并联超级电容器的18.5 k W电动拖拉机复合电源方案,计算了系统参数。以平衡峰值功率和高频载荷控制超级电容器功率流方向为目标,设计了基于逻辑门的双DC-DC模式控制策略。根据负载时频分析需求,构建了基于Haar小波的双通道滤波器组,设计了功率分配控制器。以标准正态分布白噪声为基波,构造拖拉机犁耕、旋耕载荷波动间的互谱函数,建立了负载模拟模块。采用CRUISE/Simulink API动态联合仿真得出:基于功率分配控制的能量管理策略能够将动力电池电功率抑制在载荷波动基频附近,犁耕作业和旋耕作业下其电功率的截止频率分别为2、7 Hz,幅值符合正偏态分布;超级电容器平衡高频载荷,其电功率符合标准正态分布。     

基于随机载荷功率谱的电动拖拉机复合能量系统研究

拖拉机重载作业模式下负载峰值功率和高频功率存在较大随机性,单一电源方案无法有效匹配电动拖拉机负载特性。通过分析拖拉机工况负载势变量功率谱密度和电源放电特性,基于电动拖拉机通过主、辅电源对低、高频功率分流的观点,设计了采用DC-DC转换器并联超级电容器的18.5kW电动拖拉机复合电源方案,计算了系统参数。以平衡峰值功率和高频载荷,控制超级电容器功率流方向为目标,设计了基于逻辑门的双DC-DC模式控制策略。根据负载时频分析需求,构建了基于Haar小波的双通道滤波器组,设计了功率分配控制器。以标准正态分布白噪声为基波,构造拖拉机犁耕、旋耕载荷波动间的互谱函数,建立了负载模拟模块。采用CRUISE/Simulink API动态联合仿真得出:基于功率分配控制的能量管理策略能够将动力电池电功率抑制在载荷波动基频附近,犁耕作业和旋耕作业下其电功率的截止频率分别为2Hz和7Hz,幅值符合正偏态分布;超级电容器平衡高频载荷,其电功率符合标准正态分布。     

电动拖拉机双电机耦合驱动系统传动特性研究

针对单电机驱动型式的电动拖拉机难以满足农田作业多工况的问题,提出了一种基于行星齿轮耦合的双电机驱动系统。根据电动拖拉机动力传动系统的结构方案,按多种作业类型对双电机耦合驱动系统的驱动模式进行分析。采用试验数据模型和理论模型相结合的方法,建立电动拖拉机驱动系统关键部件效率模型和整机纵向动力学模型,在此基础上搭建了电动拖拉机控制仿真试验模型。针对不同驱动模式设计了驱动系统综合控制策略,通过仿真试验得到两电机的功率分配规则。在搭建的传动性能试验平台上对双电机耦合驱动系统进行恒定负载试验和牵引性能试验。试验结果表明,两种试验条件下,主、副电机的功率分配比变化范围为1. 07～2. 73,恒定负载试验中,功率分配比为1. 88时系统效率最高,牵引性能试验时,功率分配比为1. 86时系统效率最高。双电机驱动系统能够跟随负载变化按照功率分配规则实现两电机的功率分配,满足作业负载的同时降低了功率损耗。     

电动拖拉机综合台架试验系统设计与试验

电动拖拉机试验具有测试对象多和物理系统复杂的特点,单一试验系统不能满足电动拖拉机性能测试要求。根据电动拖拉机作业特点,通过分析其动力传动系统数学模型,确定了以电动机效率、电池组放电特性为测试变量的设计任务。采用模块化方法,设计了能源系统试验模块、动力系统试验模块和电动拖拉机综合试验系统整体方案。通过研究试验系统总体参数设计方法,得到了加载电动机、电池测试系统和直流电池模拟器等部件的参数计算模型。通过试验系统硬件选型匹配,设计了可满足90 k W以下电动拖拉机性能测试的试验系统。在该试验平台进行了电动拖拉机性能台架试验,结果表明:试验测试误差与前期仿真分析误差在10%以内,设计的综合台架试验系统对电动拖拉机部件性能测试的适用性较好,满足整机性能分析和标定的试验需求。     

增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型研究

以双电机独立电驱动增程式电动拖拉机旋耕机组为对象,提出一种适用于旋耕作业的双输入变量后向建模方法,即在模型中将行驶速度和动力输出轴旋耕转矩作为输入量,设计了双电机独立驱动增程式电动拖拉机动力系统能量管理模型。针对旋耕作业特性,提出一种基于实测数据与经验公式相结合的设计方法,建立了旋耕工况周期模型。基于动态规划算法,分别对其进行旋耕作业仿真试验和台架试验,结果表明：仿真试验结果与台架试验结果吻合度较高,能量管理模型能够很好地描述增程式电动拖拉机在给定旋耕工况下各电机功率、发电机组功率和动力电池组荷电状态的变化情况,且仿真试验和台架试验中燃油消耗量分别为4 065.5 g和3 994.7 g,其相对误差为1.77%,验证了建立的增程式电动拖拉机旋耕机组能量管理模型的合理性和准确性。     

电力自动控制系统应用于拖拉机的优越性分析

基于当前智能电力控制技术,对拖拉机应用效果进行了优越性分析。在了解国内外拖拉机发展基础上,结合拖拉机工作原理与作业特性,选取模糊控制算法与PID自动调节方法,对拖拉机的电力自动控制系统硬件构成及软件控制两大方面进行优化,设计了电力控制部件变换电路、力位综合控制及传感与导航控制程序,并进行试验性能验证。试验表明:电力自动控制系统的应用与传统式拖拉机相比,位置定位、转角控制及作业深度等精准度得到提升,实现了拖拉机驱动环节的混合动力控制,整体作业效率提升了近45%左右,能耗效率由8.9 kW·h/6 6 7 m^2降低至5.7 kW·h/667m^2,所耗费用降低了20%左右。     

基于模糊控制的复合电源能量管理系统仿真研究

通过分析复合电源功率分配关系,结合复合电源系统设计要求和工作模式,设计基于模糊控制理论的复合电源能量管理控制器。以桌电动汽车为原型车,利用Cruise仿真软件搭建采用复合电源系统的电动汽车整车模型,选择NEDC循环工况对复合电源系统参数进行匹配;最后,结合Matlab／Simulink软件中建立的复合电源能量管理控制器对电动汽车进行联合仿真。结果表明,基于模糊控制的复合电源能量管理系统可以有效地分配动力电池和超级电容之间的功率,降低大电流对动力电池的冲击,较单一电源系统性能明显提升。