CN107878217A - 一种电动拖拉机能量管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动拖拉机能量管理系统及控制方法。包括动力电池、主电机、调速电机、耦合器、液压泵、变速箱和动力输出轴。电动拖拉机采用主电机和调速电机驱动，通过控制开关的信号决定电动拖拉机的工作模式，包括道路行驶、田间行驶、田间作业这三种模式。动力电池是唯一能量源，能量管理系统根据电池荷电状态，踏板信号，作业模式指令，满足三种作业模式的动力需求及切换。本发明所述的系统和方法，多模式下双电机灵活组合驱动，能量使用效率高，满足动力性和经济性，达到节能减排的目的。

Description

一种电动拖拉机能量管理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动拖拉机能量管理系统及控制方法，适用于电动拖拉机技术领域。

背景技术

我国是一个农业大国，拖拉机作为农业生产的主要动力机械，其保有量逐年增加，2013 年底，全国农用大中型拖拉机保有量为527万台，小型拖拉机保有量为1753万台。现阶段，我国农业生产使用的动力机械全部都是传统类型的燃油拖拉机，它们具有制造体系成熟、可靠性高以及价格便宜等优点。但传统燃油拖拉机能源消耗和污染物的排放问题已经成为了节能减排工作的重点和难点。

目前，我国的农用电动车还处在研究阶段，因此，对节能、环保和高效的纯电动拖拉机的关键技术进行研究，对于促进我国农用电动车辆的研究与开发，对于缓解能源危机和环境污染具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多模式切换控制的电动拖拉机能量管理系统及控制方法，用于解决传统燃油拖拉机能耗大、污染严重的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种电动拖拉机能量管理系统，包括车轮，前桥，整车控制器，动力电池，电动助力转向器，主电机控制器，调速电机控制器，主电机，调速电机，机械耦合器/变速箱，动力输出轴，液压泵，后桥，轮边减速器，制动器，悬挂系统；机械耦合器/变速箱的输入端分别与主电机和调速电机连接，机械耦合器/变速箱的输出端连接有动力输出轴、液压泵和后桥，电动助力转向器、前桥和前车轮机械连接，后桥、轮边减速器和制动器和后车轮机械连接，悬挂系统安装在后桥的上方；电池管理控制器与动力电池连接，动力电池用来为主电机、调速电机、电动助力转向器、主电机控制器和调速电机控制器供电；整车控制器用来将控制信号传送至主电机控制器、调速电机控制器和电池管理控制器。主电机控制器和调速电机控制器根据控制信号分别控制主电机和调速电机的运行；主电机的输出轴、调速电机的输出轴、动力输出轴、右驱动轮轴、左驱动轮轴都装有专局转速传感器，踏板和档杆上装有位置传感器，所述转矩转速传感器、所述位置传感器、所述整车控制器、所述电动助力转向器，主电机控制器，调速电机控制器，所述轮边减速器和所述制动器均与CAN总线连接。

上述方案中，所述动力电池为直流电供电动力电池。

上述方案中，所述动力电池与电池管理控制器连接，所述电池管理控制器与CAN总线连接，用来估测动力电池的荷电状态并监测动力电池的温度、放电电流、和电压的大小。

本发明还提供了电动拖拉机管理系统对电动拖拉机的工作过程进行控制的方法，将拖拉机的能量控制分为道路行驶模式、田间行驶模式和田间作业模式三种控制模式。

上述方案中，若工作模式是道路行驶，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩等于零；整车控制器根据车辆所需功率判断结果启动调速电机，由调速电机单独提供驱动轮的动力；若工作模式是田间行驶，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩等于零；拖拉机田间行驶阻力增大，速度减小，调整档位和控制电压，采用单电机驱动车轮并使其工作在高效区；若工作模式是田间作业，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩大于零；主电机与调速电机耦合，驱动动力输出轴和车轮。

上述方案中，在三种控制模式下，整车控制器向电池管理器发出控制信号，对动力电池估计，并监测动力电池的温度，放电电流和电压。若当前电量低于预设最低阈值SOC_min或高于预设最高阈值SOC_max，电池管理系统作出警高处理并停止整个系统运行。

本发明通过对电动拖拉机作业模式进行划分，以达到细化蓄电池分组、降低充放电过程中的能量耗散，减少充电次数以提高动力电池使用寿命，提高电动拖拉机作业时的电能利用效率的效果。

附图说明

图1是本发明电动拖拉机能量管理系统实施例的结构示意图。

图2是本发明电动拖拉机能量管理系统实施例的信号传递图。

图3是本发明电动拖拉机能量管理系统控制方法简图。

图4是本发明整车控制器控制流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种电动拖拉机能量管理系统，如图1所示，包括：车轮1，前桥2，整车控制器3，电池管理控制器4，动力电池5，电动助力转向器6，主电机控制器7，调速电机控制器8，主电机9，调速电机10，机械耦合器/变速箱11，动力输出轴12，液压泵13，后桥14，轮边减速器15，制动器16，悬挂系统17；机械耦合器/变速箱11的输入端分别与主电机9和调速电机10连接，机械耦合器/变速箱11 的输出端连接有动力输出轴12、液压泵13和后桥14，电动助力转向器6、前桥2和前车轮机械连接，后桥14、轮边减速器15和制动器16和后车轮机械连接，悬挂系统17安装在后桥14的上方；电池管理控制器4与动力电池5连接，动力电池5用来为主电机9、调速电机10、电动助力转向器6、主电机控制器7和调速电机控制器8进行直流供电；整车控制器 3用来将控制信号传送至主电机控制器7、调速电机控制器8和电池管理控制器4。电池管理控制器4估测动力电池5的荷电状态并监测动力电池5的温度、放电电流、两端电压大小等指标。主电机控制器7和调速电机控制器8根据控制信号分别控制主电机9和调速电机 10的运行；主电机9的输出轴、调速电机10的输出轴、动力输出轴12、右驱动轮轴、左驱动轮轴都装有转矩转速传感器，进行转矩和转速的测量，踏板和档杆上装有位置传感器，用来采集它们的位置信息。所述转矩转速传感器、所述位置传感器、所述整车控制器3、所述电动助力转向器6，主电机控制器7，调速电机控制器8，所述轮边减速器15和所述制动器 16均与CAN总线连接，用来进行信息的交互。

主电机控制器7、调速电机10、整车控制器3、电池管理控制器4以及CAN总线的CAN总线控制器和CAN总线收发器构成电动拖拉机的控制系统网络。整车控制器3通过CAN 总线在线实时采集整机各部件的状态信息以及驾驶员的指令，然后根据预先制定好的控制策略去分析处理这些信息，然后将控制指令通过CAN总线发送到各个执行器从而实现对整机的控制。

电动拖拉机的控制有三种控制模式：道路行驶，田间行驶，田间作业。实施控制的步骤包括以下几个方面：

当前的驱动轮转速rl和转矩Tl、拖拉机实际速度V、动力输出转矩T2和转速r2数据由传感器采集，并把数据传输至CAN总线，再经CAN总线把这些数据传至整车控制器3。

电池管理器4检测当前的动力电池5的荷电状态SOC、电压Ub、电流Ib，并经CAN总线传至整车控制器3；主电动机控制器7检测主电机9的转速rm、转矩Tm、功率P_m；调速电机控制8检测调速电机10的转速rn、转矩Tn、功率Pn，传动控制器控制信息所有这些数据信息都传至CAN总线，然后经CAN总线传至整车控制器3。

整车控制器3结合数据和公式计算电池总输出功率。m_v为整车质量，a为加速度，v为拖拉机实际速度，C_v为滚动系数，g为重力加速度，ρ为空气密度，A为车辆迎风面积，C_d为空气阻力系数，η_T为传动效率，η_m为电机效率。

整车控制器3再根据由CAN总线网络传递来的踏板位置信号和档杆位置信号，判断当前拖拉机的工作模式，机械耦合器是以行星齿轮耦合时为例进行说明，牵引输出轴连接行星架，调速电机连接太阳轮，主电机连接外齿圈，如图2所示：

若工作模式是道路行驶，不需要动力输出轴12输出动力，只需满足牵引输出。系统实时监测踏板位置、车速、负荷、档位参数，由整车控制器3判断驱动车辆行驶所需功率，再给调速电机10期望工作点(功率和转速)的指令，由调速电机10单独提供驱动轮的动力。

若工作模式是田间行驶，传感器采集到驱动轮转矩T1大于零，动力输出轴转矩T2等于零。拖拉机田间行驶阻力增大，速度减小。选择适当的档位和控制电压，增加调试电机10控制电压来获得更大的转矩输出，并依据调速电机10的MAP图保证其工作在高效区。

若工作模式是田间作业，驱动轮转矩T1大于零，动力输出轴转矩T2大于零。系统检测到动力输出轴负荷变大，控制机械耦合器，使调速电机10从动力电池获得能量，调速电机10驱动太阳轮，太阳轮将调速电机10功率传递到行星架，行星架轴(与牵引输出轴相连) 输出动力，驱动车轮；主电机9从电池获得能量，驱动动力输出轴PTO。在任意给定的时刻，外齿圈的转速由PTO输出轴12的转速决定，由于主电机9和外齿圈在一个轴上，它们具有相同的转速，都与PTO输出轴转速成正比。这意味着牵引输出轴和调速电机10的转速可以根据关系式来调整，式中ω_C是牵引输出轴转速，ω_s是调速电机的转速，ω_r是主电机的转速，N_r是行星齿轮外齿圈齿数，N_s是行星齿轮太阳轮齿数。控制目标是调整调速电机10的转速ω_s以控制牵引输出轴的转速ω_C和功率满足牵引阻力的要求。对于给定的PTO输出轴转速和车速，就是在主电机转速ω_r和牵引输出轴转速ω_C已知的情况下，期望的调速电机10转速为通过控制调速电机10的功率，车速可以达到与上式中期望转速相匹配。

上述工作模式都工作在当前电量SOC在SOC_min和SOC_max之间，超出阈值范围将不能正常工作。能量管理系统实时监测电池SOC状态，根据采集到的转速、转矩数据判断当前所需的转矩、转速和功率。

若当前电池SOC小于SOC_max，且只需满足车轮驱动，则调速电机从动力电池获得能量，电动机输出转矩即当前所需转矩。当需要动力输出轴输出转矩时，当前所需转矩就是动力输出轴转矩与驱动轮转矩之和。

当电动拖拉机在田间作业工作模式时，整车控制器3分析由传感器实时采集来的拖拉机踏板位置信号、动力输出轴信号和档杆位置信号，整车控制器处理分析后判断作业工况的期望转矩(牵引转矩和PTO输出转矩)，并以此转矩对动力系统效率数学模型为优化目标进行寻优操作，得到电机高效时的期望转速信号ω₁、ω₂，转速信号通过CAN总线输入电机控制器对电机进行控制。但整车控制器3寻优过程是周期性的，在经过一个周期T执行一次寻优，确定下一个周期T内的期望转速。如图3，若第二个周期T₂内工况没有发生变化，则T₂周期内期望转速不变就不要初始化。若第二个周期T₂内，采集到踏板位置信号变化大，档位也变化，驾驶员所期望转矩变化明显，此时第一个周期T₁内的期望转速ω₁、ω₂就不满足动力需求，此时系统会进行寻优初始化，重新确定期望转速ω₃、ω₄来控制主电机9和调速电机10转速运行在高效区内。

根据期望输出转矩以动力系统效率的数学模型为优化目标进行全局寻优，得到动力系统效率最大时的期望输出转速；能量管理算法包括多目标进化算法(NSGA)、模拟退火(SA)、遗传算法(GA)和粒子群优化(PSO)。根据能量平衡，忽略机械耦合部分的功率损耗，驱动拖拉机消耗的功率P_o等于主电机提供的功率P_em1和调速电机提供的功率P_em2。即

P_O＝P_em1+P_em2

P_b＝P_em+P_{em_loss}

P_{b_in}＝P_b+P_{b_loss}

式中，P_em是电机总的功率，P_{em_loss}是电机损耗；P_{b_loss}是电池的损耗，P_b是输出给电机的功率；P_{b_in}是考虑电池损耗的电池功率。I_b是电池的输出电流，R_o是电池内部的串联电阻； U是电池的输出电压，T₂是机械负载转矩，ω₂是转子机械角速度；电机的损耗主要是电阻损耗。根据拖拉机参数和速度，P_o可以用以下方程计算：

式中，ηT是传输效率；m_a是拖拉机质量(kg)；g是重力加速度(m/s²)；f_r是滚动系数；C_D是空气阻力系数；A是迎风面积(m²)；v是行驶速度(Km/h)；δ是旋转质量换算系数；α是道路坡度角。将期望输出转速、期望输出转矩输入电动机控制器，对电动机的运行进行控制。动力系统效率P_{w_bat}为电池损失功率，P_{w_m}为电机损失功率。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本说明书未详细描述的内容属于本领域专业人士公知的现有的技术。

Claims (6)

1.一种电动拖拉机能量管理系统，其特征在于，包括车轮(1)，前桥(2)，整车控制器(3)，动力电池(5)，电动助力转向器(6)，主电机控制器(7)，调速电机控制器(8)，主电机(9)，调速电机(10)，机械耦合器/变速箱(11)，动力输出轴(12)，液压泵(13)，后桥(14)，轮边减速器(15)，制动器(16)，悬挂系统(17)；机械耦合器/变速箱(11)的输入端分别与主电机(9)和调速电机(10)连接，机械耦合器/变速箱(11)的输出端连接有动力输出轴(12)、液压泵(13)和后桥(14)，电动助力转向器(6)、前桥(2)和前车轮机械连接，后桥(14)、轮边减速器(15)和制动器(16)和后车轮机械连接，悬挂系统(17)安装在后桥(14)的上方；电池管理控制器(4)与动力电池(5)连接，动力电池(5)用来为主电机(9)、调速电机(10)、电动助力转向器(6)、主电机控制器(7)和调速电机控制器(8)供电；整车控制器(3)用来将控制信号传送至主电机控制器(7)、调速电机控制器(8)和电池管理控制器(4)；主电机控制器(7)和调速电机控制器(8)根据控制信号分别控制主电机(9)和调速电机(10)的运行；主电机(9)的输出轴、调速电机(10)的输出轴、动力输出轴(12)、右驱动轮轴、左驱动轮轴都装有转矩转速传感器，踏板和档杆上装有位置传感器，所述转矩转速传感器、所述位置传感器、所述整车控制器(3)、所述电动助力转向器(6)，主电机控制器(7)，调速电机控制器(8)，所述轮边减速器(15)和所述制动器(16)均与CAN总线连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动拖拉机能量管理系统，其特征在于，所述动力电池(5)为直流电供电动力电池。

3.根据权利要求2所述的一种电动拖拉机能量管理系统，其特征在于，所述动力电池(5)与电池管理控制器(4)连接，所述电池管理控制器(4)与CAN总线连接，用来估测动力电池(5)的荷电状态并监测动力电池(5)的温度、放电电流、和电压的大小。

4.利用电动拖拉机能量管理系统对电动拖拉机的工作过程进行控制的方法，其特征在于，将拖拉机的能量控制分为道路行驶模式、田间行驶模式和田间作业模式三种控制模式。

5.根据权利要求4所述的利用电动拖拉机能量管理系统对电动拖拉机的工作过程进行控制的方法，其特征在于，

(1)若工作模式是道路行驶，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩等于零；整车控制器根据车辆所需功率判断结果启动调速电机，由调速电机单独提供驱动轮的动力；

(2)若工作模式是田间行驶，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩等于零；拖拉机田间行驶阻力增大，速度减小，调整档位和控制电压，采用单电机驱动车轮并使其工作在高效区；

(3)若工作模式是田间作业，驱动轮转矩大于零，动力输出轴转矩大于零；主电机与调速电机耦合，驱动动力输出轴和车轮。

6.根据权利要求4所述的电动拖拉机能量管理系统对电动拖拉机的工作过程进行控制的方法，其特征在于，在三种能量控制模式下，整车控制器向电池管理器发出控制信号，对动力电池估计，并监测动力电池的温度，放电电流和电压。若当前电量低于预设最低阈值SOC_min或高于预设最高阈值SOC_max，电池管理系统作出警高处理并停止整个系统运行。