鋰電池驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)

龔敏昆

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530001)

0 引言

隨著我國“三農(nóng)”政策的貫徹落實(shí)及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛,拖拉機(jī)產(chǎn)品也向多元化發(fā)展,包括智能化和高效精準(zhǔn)化,在動(dòng)力系統(tǒng)方面開始向清潔能源方向發(fā)展。

目前,我國的拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)一般采用嚙合套或者同步器實(shí)現(xiàn)速度變化[1-2]。在進(jìn)行農(nóng)耕尤其是農(nóng)忙時(shí)節(jié),拖拉機(jī)需要進(jìn)行大負(fù)荷作業(yè)。若拖拉機(jī)的動(dòng)力不足,則會(huì)造成突然停車;再次啟動(dòng)時(shí),離合器急速運(yùn)轉(zhuǎn),載荷突然增加,容易造成拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞,降低工作效率,增加駕駛員的工作難度。為使拖拉機(jī)能夠獲得較高的動(dòng)力和工作效率,且綜合考慮拖拉機(jī)的工作負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài),需要對(duì)現(xiàn)有拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),因此擬對(duì)拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

我國拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要能源供應(yīng)方式是燃油,該方式雖然可為拖拉機(jī)提供足夠的動(dòng)力,但卻容易對(duì)大氣造成較嚴(yán)重的污染,也會(huì)加劇我國的能源危機(jī)[3]。鋰離子電池由于具有能量儲(chǔ)存能力高、使用壽命長和適用溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域[4],因此可以借鑒電動(dòng)汽車將鋰電池應(yīng)用于拖拉機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)方面。目前,我國對(duì)于鋰電池驅(qū)動(dòng)的拖拉機(jī)研究較少,本文將主要針對(duì)鋰電池驅(qū)動(dòng)的拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的主要由電池管理系統(tǒng)、控制器及變速系統(tǒng)等組成,如圖1所示。該拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)依靠鋰電池進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)主要流程圖

1.2 電池管理系統(tǒng)

拖拉機(jī)的鋰電池管理系統(tǒng)如圖2所示。該鋰電池可以完成智能充放電控制、低溫補(bǔ)償和拖拉機(jī)負(fù)載管理等功能。

鋰電池的控制核心為單片機(jī),采集到的所有數(shù)據(jù)都傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理,處理結(jié)果通過單片機(jī)以命令的形式傳遞。鋰電池的電量控制和充放電管理通過電能管理芯片進(jìn)行測量,芯片采用DS2438型號(hào)。該芯片與霍爾傳感器、電壓表、溫度傳感器連接,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋰電池的電流、電壓和溫度[5],并將測量的結(jié)果通過電能管理芯片實(shí)時(shí)傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)與二極管顯示器相連,用于顯示鋰電池的各項(xiàng)工作數(shù)據(jù);與報(bào)警器相連,當(dāng)有參數(shù)超過鋰電池安全范圍時(shí),報(bào)警器報(bào)警;通過串口與上位機(jī)連接,在上位機(jī)內(nèi)部編制通信軟件,通過通信軟件向單片機(jī)下達(dá)控制命令,并由相關(guān)單元執(zhí)行。

1.3 控制器

控制器連接拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、能量管理系統(tǒng)和變速器,用于完成對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的控制。在拖拉機(jī)作業(yè)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制器,同時(shí)能量管理系統(tǒng)將鋰電池的能量狀態(tài)、電流、電壓等鋰電池的工作狀態(tài)及期望車速發(fā)送至控制器;控制器將以上信息處理,并將結(jié)果以命令的方式傳遞給變速器進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)。

1.4 變速系統(tǒng)

變速系統(tǒng)主要由變速器、動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)和主減速器組成。其中,變速器采用組合式變速器,動(dòng)力換擋采用電子液壓的方式實(shí)現(xiàn)。由于拖拉機(jī)在進(jìn)行換擋時(shí)容易出現(xiàn)動(dòng)力中斷的情況,為保證拖拉機(jī)的順利工作,采用用多離合器進(jìn)行換擋控制,方案如圖3所示。該離合器具有制作成本較低、制作難度小、容易實(shí)現(xiàn)且能夠滿足拖拉機(jī)要求的特點(diǎn)[6]。

動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為多級(jí)轉(zhuǎn)速的齒輪裝置,由太陽齒輪、行星齒輪及齒輪架齒圈構(gòu)成。在進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)時(shí),通過制動(dòng)以上4個(gè)控制元件中的任意一個(gè)即可完成對(duì)拖拉機(jī)的制動(dòng)。在拖拉機(jī)進(jìn)行變速控制過程中,利用液壓控制系統(tǒng)使離合器、制動(dòng)器和耦合機(jī)構(gòu)均為結(jié)合狀態(tài),此時(shí)該耦合機(jī)構(gòu)即可按照一定的傳動(dòng)比將動(dòng)力輸出。

2 鋰電池機(jī)理

鋰電池內(nèi)部時(shí)刻都在發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其化學(xué)特性與很多種隨機(jī)變量有關(guān),因此可以對(duì)鋰電池進(jìn)行建模并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究。對(duì)于拖拉機(jī)來說,最關(guān)鍵的電池模型是放電模型,主要參數(shù)包括荷電狀態(tài)(SOC)和放電深度(DOD)。本文首先計(jì)算鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC),再進(jìn)行電池建模,以預(yù)測拖拉機(jī)的動(dòng)力特性。

2.1 鋰電池電荷狀態(tài)(SOC)的計(jì)算

鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC)表示電池的當(dāng)前容量狀態(tài),是電池在電量充滿后的放電過程中的剩余電量。該值無法直接測量獲得,只能通過計(jì)算的方式間接得到?？柭鼮V波算法具有精確性較高、可以進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)跟蹤預(yù)測回路的優(yōu)點(diǎn),但運(yùn)算量較大。因此,本文對(duì)卡爾曼濾波算法進(jìn)行改進(jìn),采用無味卡爾曼濾波算法進(jìn)行計(jì)算,算法流程如圖4所示。

圖4 無味卡爾曼濾波算法流程圖

1)確定σ點(diǎn)。UT變換是無味卡爾曼濾波算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先選取1組非線性隨機(jī)變量x,并確定隨機(jī)變量的函數(shù)為y=h(x),通過這些變量確定σ點(diǎn)。計(jì)算公式為

(j=(N+1)～(2N+1))

2)非線性變換。將以上算法得到的σ點(diǎn)按照非線性函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,則

yi=h(σi) (i=1～N)

3)加權(quán)函數(shù)計(jì)算。進(jìn)行加權(quán)系數(shù)的計(jì)算,包括各個(gè)σ點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的均值、方差的加權(quán)系數(shù)αu、αv和α2分別為

其中,ε表示σ點(diǎn)的分布方式,范圍為0.01≤ε≤1,一般選擇較小值;β一般用于降低式中較高階函數(shù)的誤差,一般取β=2,以使正態(tài)分別函數(shù)得到最優(yōu)解。δ對(duì)于σ點(diǎn)和隨機(jī)變量的平均值的距離有一定影響,一般為比例系數(shù),并有以下關(guān)系存在,即

δ=ε2(N+k)-N

其中,k取值使得方差矩陣為半正定矩陣,在本式中取k=0。

4)求解y均值和協(xié)方差Py。利用下式計(jì)算系統(tǒng)輸出和協(xié)方差Py,即

由以上算法可知:當(dāng)確定鋰電池電荷的初始狀態(tài)x0和P0值,并根據(jù)已知的k-1時(shí)間的電池狀態(tài)和時(shí)間SOCk-1值,即可確定系統(tǒng)的輸出值y和協(xié)方差Py,并進(jìn)一步最終確定SOCk值。

2.2 鋰電池建模

鋰電池建模可以很好反映拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的一些重要性能,且可以運(yùn)用電路模型將幾個(gè)電器元件組成電路,對(duì)拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測,其模型[7]如圖5所示。

該電路模型主要由電源E、串聯(lián)電阻Rm和負(fù)載組成。其中,電池的內(nèi)部電阻大小與電池的自身狀態(tài)有關(guān),包括電池溫度、荷電狀態(tài)等。當(dāng)這兩個(gè)因素確定時(shí),鋰電池充電和放電的電阻也不同。

電路模型的開路電壓E與荷電狀態(tài)(SOC)的關(guān)系為

E(t)=k1+k2·Q(t)

其中,Q(t)為鋰電池荷電狀態(tài);k1和k2為電池自身性能,為常數(shù)。通過對(duì)鋰電池模型開路電壓進(jìn)行分析可得到以下關(guān)系,即

V=E-iRn

其中,V為電池的負(fù)載電壓;E為電池處于開路時(shí)的電壓;i為鋰電池的內(nèi)部電流(充電狀態(tài)為復(fù)制,放電狀態(tài)為正值);Rn為電池自身電阻。

該鋰電池由n個(gè)單體電池組成,則該電池的電壓U為

U=n(E-iRn)

電池的放電深度(DOD)表示某時(shí)刻電池放電量占電池容量的比值。在該模型[8]中,電池的放電深度DOD為

其中,q為電池在零時(shí)刻的荷電量。

鋰電池的放電電流與電池容量有關(guān),電流越小容量越大。在確定電池容量時(shí),首先需要確定放電電流值,且當(dāng)放電量達(dá)到了電池容量的80%以上時(shí),鋰電池則處于深度放電狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 鋰電池動(dòng)力試驗(yàn)

對(duì)于拖拉機(jī),其動(dòng)力系統(tǒng)所需要鋰電池的額定電壓為15V,電流為12A,因此需要測試鋰電池的實(shí)際電壓、電流值和設(shè)定的電壓、電流值的誤差,驗(yàn)證其是否能夠符合設(shè)計(jì)要求。測試過程中,電流值的測量采用鋰電池放電的方式進(jìn)行,在電流傳感器中間以等比例的方式放入放電導(dǎo)線,通過調(diào)整導(dǎo)線匝數(shù)調(diào)整預(yù)設(shè)電流值,利用萬用表測量實(shí)際電流和電壓,并與設(shè)定電流和電壓值對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 鋰電池動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知:鋰電池的實(shí)際電壓和額定電壓的的最大誤差為2.7%,實(shí)際電流和額定電流的最大誤差為5.7%,可以滿足拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于鋰電池的要求。

3.2 鋰電池實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

將鋰電池安裝在拖拉機(jī)上,進(jìn)行實(shí)際行駛試驗(yàn)。將拖拉機(jī)在空載和滿載狀態(tài)下置于平整的土地行駛,并在行駛一段距離后進(jìn)行爬坡,記錄其在平整的土地和爬坡過程中是否能夠穩(wěn)定行駛。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 拖拉機(jī)試運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知:拖拉機(jī)在平整的土地和爬坡過程均能夠平穩(wěn)行駛,速度穩(wěn)定,能夠滿足行駛要求。

4 結(jié)論

1)拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)基于動(dòng)力鋰電池驅(qū)動(dòng),動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成包括電池管理系統(tǒng)、控制器及變速系統(tǒng)等。

2)拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)通過鋰電池提供動(dòng)力,通過對(duì)拖拉機(jī)的內(nèi)部鋰電池進(jìn)行建模并研究發(fā)電機(jī)理確定鋰電池的電荷狀態(tài),預(yù)測拖拉機(jī)的動(dòng)力特性。

3)對(duì)該拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中的鋰電池進(jìn)行動(dòng)力和實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn),結(jié)果表明:拖拉機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足使用要求。