CN113799652B - 一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本方案公开一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，步骤一、采集车辆的当前状态信息，步骤二、根据步骤一获取的驱动系统消耗功率、附属电器消耗功率和PTO消耗功率，建立电池消耗功率模型，整车控制器VCU通过计算确定整车实时总需求功率；步骤三、根据步骤二的整车实时总需求功率，建立电池组的当前理论电流输出模型和逻辑门限预测和控制模型；步骤四、通过步骤三中模型和功率消耗情况，计算出电池组Ⅰ的理论输出电流作为逻辑门限值目标,结合电池组SOC来选择输出三种不同的运行模式,并对车辆进行最优功率选择；本方案能够有效地利用电池电能增加车辆的行驶里程及作业时间。

Description

一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法

技术领域

本发明属于电动拖拉机技术领域，具体涉及一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法。

背景技术

我国是农业大国，农业发展现代化、智能化是重中之重。当前，我国大型轮式拖拉机的保有量大。近几年来，面对能源紧缺和环境污染等式拖拉机已越来越难以满足要求，因此纯电动或油电混合式的农用拖拉机应运而生。纯电动式拖拉机(Electric Tractor，ET)具有更好的操控性能以及环保性，尤其是作业时无尾气污染的特点不会对农作物产生毒害性。近年来，ET技术日渐成熟，消费者认可程度日益提高。

当前电动拖拉机主要的控制方法有基于规则的控制策略以及基于优化的控制策略。此外，基于模型的预测控制也越来越普及，现有的电动拖拉机能量管理策略主要侧重于驱动部分，它通过监测拖拉机能量状态，控制能量流动，优化能量利用率，从而提高拖拉机的动力性和经济性。

然而电动拖拉机在不同工况下运行时，电池系统由于受到功率输出影响寿命、容量将降低，导致整车经济性变差甚至引发安全问题。目前的电动拖拉机设计的能源管理策略大多没有考虑其工况变化对电池系统的影响，从而影响了整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里程。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，本方案能够通过更变配适的工作模式来限制电池组传递给各用电器的电能来调整电力消耗，以有效的利用电池电能增加车辆的行驶里程及作业时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，电动拖拉机内安装有电池组Ⅰ和电池组Ⅱ，所述能量管理方法具体步骤如下：步骤一、采集车辆的当前状态信息，所述状态信息包括两组电池组的SOC、两组电池组的充放电状态、驱动系统消耗功率、附属电器消耗功率和PTO消耗功率；步骤二、根据步骤一获取的驱动系统消耗功率、附属电器消耗功率和PTO消耗功率，建立电池消耗功率模型，整车控制器VCU通过计算确定整车实时总需求功率；步骤三、根据步骤二的整车实时总需求功率，建立电池组的当前理论电流输出模型和逻辑门限预测和控制模型；步骤四、通过步骤三中的当前理论电流输出模型、逻辑门限预测和控制模型，并根据整车实时总需求功率，计算出电池组Ⅰ的理论输出电流作为逻辑门限值目标,结合电池组SOC来选择输出三种不同的运行模式,并对车辆进行最优功率选择；三种运行模式如下：S41、若电池组Ⅰ的工况可以满足拖拉机的整机功率需求，由电池组Ⅰ单独向电动机和附属电器供电；S42、若电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，但利用电池组Ⅱ的补偿作用可以使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，此时开启电池组Ⅱ，由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机和附属电器供电；S43、若电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，且利用电池组Ⅱ的补偿作用亦无法使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，通过对整机需求功率进行调整；使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，该工况下由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机和附属电器供电。

作为优选方案，步骤一中，整车控制器VCU采集不同工况下的驱动系统消耗功率和附属电器消耗功率，能量管理系统采集电池组Ⅰ和电池组Ⅱ的SOC和实际输出电流。

作为优选方案，步骤四中，如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1≤ΔI_ad1时，电池组Ⅰ的工况可以满足拖拉机的整机功率需求，选择输出单电池供电模式；如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1＞ΔI_ad1，I_th2≤I_ad2或I_th1≥I_ad1，ΔI_th2＜ΔI_ad2，I_th2≤I_ad2时，电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，利用电池组Ⅱ的补偿作用可以使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，此时开启电池组Ⅱ，选择输出双电池供电模式；如果I_th1≥I_ad1，且ΔI_th2＞ΔI_ad2或I_th2≥I_ad2时，电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，且利用电池组Ⅱ的补偿作用亦无法使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，通过对整机需求功率进行调整；电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作；选择输出调整功率的双电池供电模式。

作为优选方案，所述步骤三中，理论电流输出模型为：

I_tu1＝f(I_th2)

I_tu2＝f(I_tu1，I_th2)

I_th1＝f(P_b1)

I_th2＝f(P_b1，P_b2)

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

I_ad1＝f(P_batt，P_f)

I_ad2＝f(P_batt，P_f)

其中，I_tu1为电池组Ⅰ的电流实际输出值，I_tu2为电池组Ⅱ的电流实际输出值，I_th1为电池组Ⅰ的电流理论计算值，I_th2为电池组Ⅱ的电流理论计算值，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率，P_batt为电池组的理论输出总功率，P_f为附属电器功率。

作为优选方案，所述步骤S42和S43中，通过电池组Ⅱ的补偿作用，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间：SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％，且幅值变化平稳，避免大幅度波动以提高电池组的SOH。

作为优选方案，所述步骤二中，电池消耗功率模型为：

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

P_b1＝f(P_batt)

P_b2＝f(P_b1)

其中，P_batt为当前电池消耗功率，T_e为传动系所需转矩，v为当前车速，P_f为附属电器所需功率，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率。

本发明至少具有以下技术效果：

其一、本方案，通过设置与整机功率以及SOC有关的逻辑门限控制及预测控制策略，以电池组Ⅰ的理论输出电流为目标函数，调整拖拉机上与SOC有关的变量进行功率分配。设置了电池组Ⅰ、电池组Ⅱ及其充放电策略，利用电池组Ⅱ的补偿作用，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间(SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％)且幅值变化平稳，避免大幅度波动以提高电池组的SOH。根据电池组的SOC，电动拖拉机有三种运行模式：单电池供电模式、双电池供电模式和调整功率的双电池供电模式。

其二、本方案，通过控制策略主动控制电池组Ⅰ的工作状态，将附属电器系统消耗功率与动力系统消耗功率耦合在一起作为考虑目标，有效降电池功率计算误差。

其三、本方案，通过控制策略使在电池组Ⅰ的预测模型达到逻辑门限值时，电池组Ⅱ开始补偿工作，避免了单电池输出电流、功率的大幅度波动。

其四、本方案，通过控制策略使电池组Ⅰ的预测模型达到逻辑门限值时且电池组Ⅱ无法完全补偿时，对拖拉机的工况、功率进行调整。本方案可以有效提高电动拖拉机的整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里程。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电动拖拉机能量管理方法的流程图；

图2为本发明中能量管理状态反馈的流程图；

图3为本发明中能量管理参数修正的流程图；

图4为发明中电池组Ⅰ、Ⅱ的额定状态的示意图；

图5为本发明中基于逻辑门限值的能量管理控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。

本发明公开一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，电动拖拉机内安装有电池组Ⅰ和电池组Ⅱ，所述电动拖拉机能量管理方法的具体步骤如下：步骤一、采集拖拉机的当前状态信息，所述状态信息包括两组电池组的SOC、动力系统消耗功率、辅助电器消耗功率、行驶速度、犁耕深度和电动机转速；步骤二、根据步骤一获取的驱动系统消耗功率、辅助电器消耗功率和PTO消耗功率状态信息，建立电池消耗功率模型，整车控制器确定整车实时总需求功率；步骤三、根据步骤一和步骤二建立当前电池理论输出电流模型及其逻辑门限控制和预测控制策略模型；

步骤四、通过步骤三中的当前理论电流输出模型、逻辑门限预测和控制模型，并根据功率消耗情况，计算出电池组Ⅰ的理论输出电流作为逻辑门限值目标,结合电池组SOC来选择运行模式,并对车辆进行最优功率选择；

具体地，根据驱动系统消耗功率、辅助电器消耗功率和PTO消耗功率状态信息以及电池系统状态，通过数学模型计算出两个电池组的电池理论输出电流I_th，电池理论输出电流为I_th优化调整目标变更不同的模式输出I_tu，设定电池电流理论输出电流I_th作为逻辑门限值目标并选择运行模式。

详细地，所述步骤三中，当前理论电流输出模型的数学模型为：

I_tu1＝f(I_th2)

I_tu2＝f(I_tu1，I_th2)

I_th1＝f(P_b1)

I_th2＝f(P_b1，P_b2)

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

I_ad1＝f(P_batt，P_f)

I_ad2＝f(P_batt，P_f)

其中，I_tu1为电池组Ⅰ的电流实际输出值，I_tu2为电池组Ⅱ的电流实际输出值，I_th1为电池组Ⅰ的电流理论计算值，I_th2为电池组Ⅱ的电流理论计算值，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率，P_batt为电池组的理论输出总功率，P_f为车辆附属电器功率。

通过更变配适的工作模式来限制电池组传递给各电器的电能来调整电力消耗，以有效的利用电池电能增加车辆的行驶里程及作业时间。设置与整机功率以及SOC有关的逻辑门限控制及预测控制策略，以电池组Ⅰ的理论输出电流为目标函数，调整拖拉机上与SOC有关的变量进行功率分配。

利用电池组Ⅱ的补偿作用，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间(SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％)且幅值变化平稳，可以有效提高电动拖拉机的整机驱动性能、电池寿命、经济性能及行驶里程。

进一步地，首先，建立电池组电流的预测模型，其具体实现过程如下：

(1)、建立电池功率模型，如附图1所示，具体包括如下步骤：步骤一、整车控制器VCU采集不同工况下的整机需求功率，其包括驱动功率与附属电器功率。步骤二、能量管理系统BMS采集此时的电池组Ⅰ与电池组Ⅱ的状态信息，其包括两电池组的SOC与实际电流I_th的情况。步骤三、能量管理系统BMS与整车控制器VCU进行信息互通后，按照其能量管理控制方法以及特定的逻辑门限值调整电池组Ⅰ与电池组Ⅱ的输出情况；步骤四、整车控制器VCU随后对附属电器及电动机进行功率再分配，以调整整机的状态从而输出不同模式。

根据拖拉机使用的动力模型和附属电器消耗建立电池消耗功率模型：

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

P_b1＝f(P_batt)

P_b2＝f(P_b1)

其中，P_batt为当前电池消耗功率，T_e为传动系所需转矩，v为当前车速，P_f为附属电器所需功率，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率。

传动系所需转矩为：

F_q＝F_f+F_j+F_{PT O}

其中F_q为整机驱动力，F_f为行驶阻力，F_PTO为犁具阻力，F_j为加速阻力，r_d为车辆滚动半径，r_h为PTO犁耕旋转半径，i_g为传东西总传动比，η_t为传动系总效率。

整机驱动力模型为：

F_q＝F_f+F_j+F_PTO

F_f＝fmg

F_PTO＝f_tHB+m_xgf_x，f_t＝k_tf_x

其中，f为轮胎的阻力因数，f_t为犁具的土壤阻力因数，H为犁具犁耕深度，B为犁具耕幅，m为拖拉机质量，m_x为犁具质量，f_x为犁具的土壤阻力因数，k_t为土壤比阻，δ为旋转质量换算系数。

其中，n_e为电动机转速。

(2)、建立电池电流模型，如附图1和附图2所示，将电池电流与电池功率进行连接，得到电池组Ⅰ与电池组Ⅱ的电池电流模型如下：

I_th1＝f(P_b1)

I_th2＝f(P_b1，P_b2)

I_tu1＝f(I_th2)

I_tu2＝f(I_tu1，I_th2)

其中，I_tu1为电池组Ⅰ的电流实际输出值，I_tu2为电池组Ⅱ的电流实际输出值，I_th1为电池组Ⅰ的电流理论计算值，I_th2为电池组Ⅱ的电流理论计算值。

详细地，所述运行模式选择的具体过程为：

SOC₁∈[0.25,0.80]；

SOC₂∈[0.35,0.75]；

如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1≤ΔI_ad1时，为SBP模式；

如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1＞ΔI_ad1，I_th2≤I_ad2或I_th1≥I_ad1，ΔI_th2＜ΔI_ad2，I_th2≤I_ad2时，为DBP模式；

如果I_th1≥I_ad1，且ΔI_th2＞ΔI_ad2或I_th2≥I_ad2时，为PL模式；

其中，I_ad1为电池组Ⅰ的电流限制值，I_ad2为电池组Ⅱ的电流限制值，ΔI_th1为电池组Ⅰ电流相邻两状态的差值，ΔI_ad1为电池组Ⅰ电流相邻两状态的允许差值。

如图4所示，电池组的约束条件为：

所述步骤四中，通过电池组Ⅱ的补偿作用，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间：SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％，且幅值变化平稳，避免大幅度波动以提高电池组的SOH。

具体地，步骤四中，运行模式包括单电池供电模式、双电池供电模式和调整功率的双电池供电模式共三种。

具体实施过程如下：

(1)、如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1≤ΔI_ad1时，为SBP模式。此时本模型中电池组Ⅰ的工况可以满足拖拉机的整机功率需求，由电池组Ⅰ单独向电动机、附属电器供电；

(2)、如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1＞ΔI_ad1，I_th2≤I_ad2或I_th1≥I_ad1，ΔI_th2＜ΔI_ad2，I_th2≤I_ad2时，为DBP模式。此时本模型中电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，但利用电池组Ⅱ的补偿作用可以使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，此时开启电池组Ⅱ，由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机、附属电器供电；

(3)、如果I_th1≥I_ad1，且ΔI_th2＞ΔI_ad2或I_th2≥I_ad2时，为PL模式；此时本模型中电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，且利用电池组Ⅱ的补偿作用亦无法使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，则通过对整机功率(包括驱动功率和附属电器功率)进行调整，如调整拖拉机加速度、速度、附属电器功率等使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，该工况下由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机、附属电器供电；

通过上述过程，设置了电池组Ⅰ、Ⅱ及其充放电策略，利用电池组Ⅱ的补偿作用以及基于逻辑门限值的模式选择，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间(SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％)且幅值变化平稳，避免大幅度波动以提高电池组的SOH。从而有效提高电动拖拉机的整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里程，为电池能量管理以及电池寿命提供了新的方向。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，其特征在于：电动拖拉机内安装有电池组Ⅰ和电池组Ⅱ，所述能量管理方法具体步骤如下：

步骤一、采集车辆的当前状态信息，所述状态信息包括两组电池组的SOC、两组电池组的充放电状态、驱动系统消耗功率、附属电器消耗功率和PTO消耗功率；

步骤二、根据步骤一获取的驱动系统消耗功率、附属电器消耗功率和PTO消耗功率，建立电池消耗功率模型，整车控制器VCU通过计算确定整车实时总需求功率；

电池消耗功率模型为：

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

P_b1＝f(P_batt)

P_b2＝f(P_b1)

其中，P_batt为当前电池消耗功率，T_e为传动系所需转矩，v为当前车速，P_f为附属电器所需功率，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率；

步骤三、根据步骤二的整车实时总需求功率，建立电池组的当前理论电流输出模型和逻辑门限预测和控制模型；

理论电流输出模型为：

I_tu1＝f(I_th2)

I_tu2＝f(I_tu1，I_th2)

I_th1＝f(P_b1)

I_th2＝f(P_b1，P_b2)

P_batt＝f(T_e,v)+P_f

I_ad1＝f(P_batt，P_f)

I_ad2＝f(P_batt，P_f)

其中，I_tu1为电池组Ⅰ的电流实际输出值，I_tu2为电池组Ⅱ的电流实际输出值，I_th1为电池组Ⅰ的电流理论计算值，I_th2为电池组Ⅱ的电流理论计算值，P_b1为电池组Ⅰ的理论输出功率，P_b2为电池组Ⅱ的理论输出功率，P_batt为电池组的理论输出总功率，P_f为附属电器功率；

步骤四、通过步骤三中的当前理论电流输出模型、逻辑门限预测和控制模型，并根据整车实时总需求功率，计算出电池组Ⅰ的理论输出电流作为逻辑门限值目标,结合电池组SOC来选择输出三种不同的运行模式,并对车辆进行最优功率选择；三种运行模式如下：

S41、若电池组Ⅰ的工况可以满足拖拉机的整机功率需求，由电池组Ⅰ单独向电动机和附属电器供电；

S42、若电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，但利用电池组Ⅱ的补偿作用可以使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，此时开启电池组Ⅱ，由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机和附属电器供电；

S43、若电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，且利用电池组Ⅱ的补偿作用亦无法使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，通过对整机需求功率进行调整；使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，该工况下由电池组Ⅰ、Ⅱ共同向电动机和附属电器供电；

步骤四中，如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1≤ΔI_ad1时，电池组Ⅰ的工况可以满足拖拉机的整机功率需求，选择输出单电池供电模式；

如果I_th1≤I_ad1，ΔI_th1＞ΔI_ad1，I_th2≤I_ad2或I_th1≥I_ad1，ΔI_th2＜ΔI_ad2，I_th2≤I_ad2时，电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，利用电池组Ⅱ的补偿作用可以使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，此时开启电池组Ⅱ，选择输出双电池供电模式；

如果I_th1≥I_ad1，且ΔI_th2＞ΔI_ad2或I_th2≥I_ad2时，电池组Ⅰ的工况无法满足拖拉机的整机功率需求，且利用电池组Ⅱ的补偿作用亦无法使电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作，通过对整机需求功率进行调整；电池组Ⅰ调整至允许的工况范围内工作；选择输出调整功率的双电池供电模式。

2.如权利要求1所述的一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，其特征在于：步骤一中，整车控制器VCU采集不同工况下的驱动系统消耗功率和附属电器消耗功率，能量管理系统采集电池组Ⅰ和电池组Ⅱ的SOC和实际输出电流。

3.权利要求1所述的一种双电池组复合式的电动拖拉机能量管理方法，其特征在于：所述步骤S42和S43中，通过电池组Ⅱ的补偿作用，使电池组Ⅰ的SOC始终保持在标定区间：SOC_1max＝85％,SOC_1min＝20％，且幅值变化平稳，避免大幅度波动以提高电池组的SOH。

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