CN114394001B - 一种油电混合双增程式电动拖拉机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油电混合双增程式电动拖拉机及控制方法，包括行走系统、作业系统和动力系统，动力系统分别给行走系统和作业系统提供动力；动力系统包括燃油发电系统、燃料电池发电系统、电池、能量管理控制器、驱动电机和电机控制器；所述燃油发电系统、燃料电池发电系统和电池相互并联接入能量管理控制器；所述能量管理控制器通过电机控制器给驱动电机供电。有益效果：本发明可以提升拖拉机持续作业时间，采用燃料电池发电系统可以满足大棚作业的需求，采用燃油发电系统可以有效提升燃油效率并降低污染物排放；通过能量管理策略可以提升电池和燃料电池的使用寿命；通过散热管理系统可以有效降低燃料电池冷启动时间，减少燃料电池辅件能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种农用机械及控制方法，特别涉及一种油电混合双增程式电动拖拉机及控制方法，属于农用机械技术领域。
背景技术
随着石油等化石燃料过度使用，能源危机与环境污染日趋成为关系民生的重要难题，各国都在开始大力研究可替代的绿色能源。世界能源及经济结构开始了深度调整，能源正在向高效、清洁、多元化的方向加速转型，清洁能源已成为影响全球经济及生态环境的重要因素。当前全球主要发达国家都加快了低碳化乃至“去碳化”的能源转型步伐，近年来，我国也大力提倡在传统车辆上发展和应用新能源技术，并开始不遗余力的推进“碳中和”政策。在农业方面，也在大力发展“绿色农机”。我国是一个历史悠久的农业国家，虽然国家在不断加大现代化农业的投入，但是配套的基础农业机械研制还相对落后，机械化普及率与国外发达国家相比差距还较大。比如园艺、棚室、茶园劳动方式主要还是以人工劳动为主，这种作业方式不及机械作业工作效率高且劳动强度大。
拖拉机作为农业作业的主要工具，可以代替人工完成犁地、播种、收获等繁重劳作，现阶段市场上销售的拖拉机多采用内燃机作为动力源，内燃机技术成熟、可靠性高、寿命长，但内燃机工作时噪音大且会产生CO、NOx等严重威胁人身安全以及农作物品质的有害气体，因此传统燃油拖拉机无法在棚室内使用。纯电动拖拉机因其清洁无污染的优点可以工作在封闭、半封闭环境中，但电池工作时间短、充电速度慢是纯电动拖拉机的难以解决的一大难题。近年来氢燃料电池由于其发电效率高、无污染、比能量高、噪音低、燃料范围广等优点越来越受到人们的关注，但价格昂贵，使用寿命短，加氢设施不完善等也成为了限制其进一步推广的重要因素。但是氢气价格较高，燃料电池使用寿命也较短，长时间工作性能衰退严重。
发明内容
发明目的：为了解决背景技术中存在的不足，所以本发明提出了一种既能在田间作业又能在大棚中作业，且能够满足长时间作业需求的油电混合双增程式电动拖拉机及控制方法。
技术方案：一种油电混合双增程式电动拖拉机，包括行走系统、作业系统和动力系统，所述动力系统分别给行走系统和作业系统提供动力；所述动力系统包括燃油发电系统、燃料电池发电系统、电池、能量管理控制器、驱动电机和电机控制器；所述燃油发电系统、燃料电池发电系统和电池相互并联接入能量管理控制器；所述能量管理控制器通过电机控制器给驱动电机供电。
本发明采用燃油发电系统和燃料电池发电系统作为增程器大大提升了拖拉机持续作业时间，拖拉机采用燃料电池发电系统作为增程器作业时无污染物排放、噪音小，可以满足大棚作业的需求，拖拉机采用燃油发电系统作为增程器可以使燃油机工作在高效区，有效提升燃油效率并降低污染物排放；通过能量管理策略可以使系统按照需求稳定的输出，并且大大提升电池和燃料电池的使用寿命。
为了有效降低燃料电池冷启动时间，并且减少燃料电池辅件能耗，所述燃料电池发电系统与驱动电机之间设有散热管理系统，所述散热管理系统包括燃料电池冷却回路和电机冷却回路和散热控制器；
所述燃料电池冷却回路包括燃料电池水箱、燃料电池水泵、燃料电池中冷器、燃料电池冷却风扇、燃料电池内部温度传感器和燃料电池水箱温度传感器，所述燃料电池水泵从燃料电池水箱抽取冷却水经过燃料电池发电系统进行热交换，完成热交换的冷却水再经过燃料电池中冷器返回燃料电池水箱，所述燃料电池冷却风扇对燃料电池中冷器进行冷却处理，所述燃料电池内部温度传感器安装在燃料电池发电系统的燃料电池内，所述燃料电池水箱温度传感器安装在燃料电池水箱内，所述燃料电池冷却风扇、燃料电池内部温度传感器和燃料电池水箱温度传感器分别与散热控制器连接；
所述电机冷却回路包括电机水箱、电机水泵、电机中冷器、电机冷却风扇，所述电机水泵从电机水箱抽取冷却水对驱动电机进行冷却，经过驱动电机冷却水再经过电机中冷器返回电机水箱，电机冷却风扇对电机中冷器进行冷却处理，驱动电机与电机中冷器之间的回水管路上关联有旁通管，所述旁通管经过燃料电池水箱，所述旁通管与燃料电池水箱进行热交换，所述旁通管进水口和出水口分别设有流量分配阀和单向阀，所述驱动电机内设有电机温度传感器，所述电机冷却风扇、流量分配阀和电机温度传感器分别与散热控制器连接。
一种油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，根据工况不同分为电池驱动模式、发动机驱动模式和燃料电池驱动模式；
电池驱动模式：当电池电量充足时由电池单独给驱动电机供电；
发动机驱动模式：当电池的SOC＜60％，并且在户外作业时，燃油发电系统给驱动电机供电，同时给电池充电；
燃料电池驱动模式：当电池的SOC＜60％，并且在封闭环境时，燃料电池发电系统给驱动电机供电，同时给电池充电。
优选项，所述燃料电池驱动模式的控制方法如下：
步骤一、读取燃料电池发电系统和电池上一秒的输出功率分别记为Pfcl和Pbatl，估算并读取电池当前时刻的SOC状态，计算电池历史输出功率的平均值记为Pave；
步骤二、根据电池的SOC状态决定燃料电池发电系统的工作状态，若电池的SOC状态为15％＜SOC≤60％，则燃料电池发电系统进入增程状态；若电池的SOC状态为0＜SOC≤15％，则燃料电池发电系统进入快充状态；
步骤三、当燃料电池发电系统处于快充状态时，燃料电池发电系统将以最大功率值Pfcmax输出，一方面满足拖拉机作业及行走的功率需求，多余的电能给电池充电，该状态下电池不对外输出电能；
步骤四、当燃料电池发电系统处于增程状态时，电池对外输出电能，也吸收燃料电池发电系统释放的多余电能；
拖拉机制动时，燃料电池发电系统不停机而是维持上一秒的输出功率Pfcl继续输出电能，该部分电能除了满足拖拉机基本电能需求外，多余的电能给电池充电；
拖拉机驱动时，通过效用函数来决定燃料电池发电系统和电池的输出功率，具体为燃料电池发电系统输出功率变化越小，且维持在其最高效率点附近，其效用函数值越大；当电池输出功率变化值越小，且越接近其历史平均功率时，其效用函数越大；燃料电池发电系统和电池的效用函数如下：
式中，Ufc为燃料电池发电系统总效用函数；Ueco为燃料电池发电系统考虑经济性的效用函数；Udua为燃料电池发电系统考虑耐久性的效用函数；Pfc为燃料电池发电系统目标输出功率；ωeco、ωdua为权重系数；Pfctop、Pfcl、Pfcmax、Pmaxdif分别为燃料电池发电系统最高效率点的输出功率、上一秒的输出功率、最大可输出功率以及燃料电池功率最大变化率；c、d为系数用于约束Ueco和Udua小于等于0；
Ubat为电池(33)总效用函数；Uave为电池考虑输出功率偏离平均功率的效用函数；Udif为电池考虑功率波动的效用函数；Pbat为电池目标输出功率；ωave、ωdif为权重系数；Pave、Pbatl、Pbatmax分别为电池历史平均输出功率、上一秒的输出功率以及最大可输出功率；a、b为系数用于约束Uave和Udif小于等于0；
当燃料电池发电系统、电池效用函数最大时，燃料电池以及电池的经济型和耐久性得到最大程度保障；燃料电池发电系统和电池效用函数最大化形式如下：
采用加权和方法将该双目标函数最大化问题转化为单目标函数最小化问题，新目标函数改下为如下：
min f(Pfc，Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif
燃料电池发电系统和电池还需满足权重系数和为1，燃料电池发电系统输出功率与电池输出功率之和等于整车需求功率Pdem，且燃料电池发电系统和电池输出功率都在其自身最大范围内：
利用KKT条件(Karush-Kuhn-Tucker Conditions)和拉格朗日乘子法(LagrangeMultiplier)将等式约束和目标函数组合成为新函数，最终形式如下：
L(Pfc,Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif+h(Pfc+Pbat-Pdem)
令：
联立上式可得极值点：
Pbat＝Pdem-Pfc
上式中除了ωeco、ωdua、ωave、ωdif、Pbat、Pfc外其他均可视为常数，只要确定这四个权重系数即可确定燃料电池发电系统和电池最终目标输出功率Pfc和Pbat。
优选项，所述四个权重系数采用了离线仿真迭代寻优的方法确定权重值，主要方法如下：
构造多目标优化函数如下：
min g(k)＝{-s,Dfc,Dbat}
式中，s为一次补充能源车辆最远行驶距离，Dfc为燃料电池发电系统(32)性能衰退百分比，Dbat为电池(33)性能衰退百分比；
采用人工粒子群算法与Pareto解集相结合，通过迭代仿真获得ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解，具体流程如下：
步骤1.建立整车仿真模型，选择仿真工况，初始化算法参数如：优化对象ωeco、ωdua、ωave、ωdif，迭代次数，种群数量；
步骤2.将ωeco、ωdua、ωave、ωdif代入整车仿真模型，计算适应度值：-s、Dfc、Dbat，并保存记录；
步骤3.与历史适应度记录相对比，根据Pareto解集原理判断适应度是否存在支配情况，若是，用新适应度取代被支配的适应度后进入步骤4；若否，直接进入步骤4；
步骤4.根据粒子群算法逻辑更新ωeco、ωdua、ωave、ωdif；
步骤5.判断是否满足终止条件，若是进入步骤6；若否，返回步骤2；
步骤6.输出ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解。
所述发动机驱动模式的控制方法如下：
采用恒温控制策略，燃油发电系统根据电池的SOC值来决定是否工作；当电池SOC＜60％时燃油发电系统启动，柴油机带动发电机发电，当拖拉机需求功率大于燃油发电系统输出功率时，电池与燃油发电系统一起给拖拉机提供电能；当拖拉机需求功率小于等于燃油发电系统时，燃油发电系统输出的电能一部分输出给拖拉机满足其作业的功率需求，多余的部分给电池充电使电池SOC快速上升至90％，当电池SOC≥90％时燃油发电系统关闭，由电池给拖拉机单独供电；所述燃油发电系统一直工作将稳定工作在柴油机的高效区。
所述散热管理系统的控制方法如下：
所述散热控制器接收燃料电池内部温度传感器测量的燃料电池发电系统工作温度，当燃料电池发电系统工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器控制燃料电池冷却风扇开启给燃料电池冷却水进行快速降温；
所述散热控制器接收电机温度传感器测量的驱动电机工作温度，当燃料电池发电系统工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器控制电机冷却风扇开启给电机冷却水进行快速降温；当燃料电池发电系统工作温度小于等于其最佳工作温度时，散热控制器控制电机冷却风扇关闭；
所述流量分配阀用于实时分配进入燃料电池水箱中电机冷却水的流量，燃料电池水箱温度传感器测量燃料电池冷却水温度，当电池60％≤SOC≤65％时，散热控制器控制燃料电池水泵开启，将燃料电池冷却水在燃料电池发电系统内循环流动从而实现对燃料电池发电系统的快速预热，并且通过PI控制算法实现氢燃料电池预热精确控温；当电池容量SOC<60％，氢燃料电池完成预热并直接启动。
所述PI控制算法控制流量阀的开度的控制方法为：
燃料电池水箱温度传感器测量实际温度值为Tep℃，目标温度为Taim℃，PI控制输入为温度偏差(可正可负)：e(t)＝Taim-Tep(℃)，当前冷却液比例调节阀开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；PI控制输出为流量阀的实时开度增量(可正可负)u(t)，u(t)∈[0,100％]；
流量阀的目标开度为K(λ)+u(t)，并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
其中Kp，Ti为待确定的比例、积分系数；当电池SOC<60％时，燃料电池发电系统冷启动结束开始正常工作时，流量分配阀关闭电机冷却水进入燃料电池水箱的通道，电机冷却水将无法与燃料电池冷却水进行热交换。
有益效果：本发明采用燃油发电系统和燃料电池发电系统作为增程器大大提升了拖拉机持续作业时间，拖拉机采用燃料电池发电系统作为增程器作业时无污染物排放、噪音小，可以满足大棚作业的需求，拖拉机采用燃油发电系统作为增程器可以使燃油机工作在高效区，有效提升燃油效率并降低污染物排放；通过能量管理策略可以使系统按照需求稳定的输出，并且大大提升电池和燃料电池的使用寿命；通过散热管理系统可以有效降低燃料电池冷启动时间，并且无需电加热预热，大大减少燃料电池辅件能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本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本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明整车原理图；
图2为本发明散热管理系统原理图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，一种油电混合双增程式电动拖拉机，包括行走系统1、作业系统2和动力系统3，所述动力系统3分别给行走系统1和作业系统2提供动力；所述动力系统3包括燃油发电系统31、燃料电池发电系统32、电池33、能量管理控制器34、驱动电机35和电机控制器36；所述燃油发电系统31、燃料电池发电系统32和电池33相互并联接入能量管理控制器34；所述能量管理控制器34通过电机控制器36给驱动电机35供电。
本发明采用燃油发电系统31和燃料电池发电系统32作为增程器大大提升了拖拉机持续作业时间，拖拉机采用燃料电池发电系统32作为增程器作业时无污染物排放、噪音小，可以满足大棚作业的需求，拖拉机采用燃油发电系统31作为增程器可以使燃油机工作在高效区，有效提升燃油效率并降低污染物排放；通过能量管理策略可以使系统按照需求稳定的输出，并且大大提升电池和燃料电池的使用寿命。
一种油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，根据工况不同分为电池驱动模式、发动机驱动模式和燃料电池驱动模式；
电池驱动模式：当电池33电量充足时由电池33单独给驱动电机35供电；
发动机驱动模式：当电池33的SOC＜60％，并且在户外作业时，燃油发电系统31给驱动电机35供电，同时给电池33充电；
燃料电池驱动模式：当电池33的SOC＜60％，并且在封闭环境时，燃料电池发电系统32给驱动电机35供电，同时给电池33充电。
所述燃料电池驱动模式的控制方法如下：
步骤一、读取燃料电池发电系统32和电池33上一秒的输出功率分别记为Pfcl和Pbatl，估算并读取电池33当前时刻的SOC状态，计算电池33历史输出功率的平均值记为Pave；
步骤二、根据电池33的SOC状态决定燃料电池发电系统32的工作状态，若电池33的SOC状态为15％＜SOC≤60％，则燃料电池发电系统32进入增程状态；若电池33的SOC状态为0＜SOC≤15％，则燃料电池发电系统32进入快充状态；
步骤三、当燃料电池发电系统32处于快充状态时，燃料电池发电系统32将以最大功率值Pfcmax输出，一方面满足拖拉机作业及行走的功率需求，多余的电能给电池33充电，该状态下电池33不对外输出电能；
步骤四、当燃料电池发电系统32处于增程状态时，电池33对外输出电能，也吸收燃料电池发电系统32释放的多余电能；
拖拉机制动时，燃料电池发电系统32不停机而是维持上一秒的输出功率Pfcl继续输出电能，该部分电能除了满足拖拉机基本电能需求外，多余的电能给电池33充电；
拖拉机驱动时，通过效用函数来决定燃料电池发电系统32和电池33的输出功率，具体为燃料电池发电系统32输出功率变化越小，且维持在其最高效率点附近，其效用函数值越大；当电池33输出功率变化值越小，且越接近其历史平均功率时，其效用函数越大；燃料电池发电系统32和电池33的效用函数如下：
式中，Ufc为燃料电池发电系统32总效用函数；Ueco为燃料电池发电系统32考虑经济性的效用函数；Udua为燃料电池发电系统32考虑耐久性的效用函数；Pfc为燃料电池发电系统32目标输出功率；ωeco、ωdua为权重系数；Pfctop、Pfcl、Pfcmax、Pmaxdif分别为燃料电池发电系统32最高效率点的输出功率、上一秒的输出功率、最大可输出功率以及燃料电池功率最大变化率；c、d为系数用于约束Ueco和Udua小于等于0；
Ubat为电池33总效用函数；Uave为电池33考虑输出功率偏离平均功率的效用函数；Udif为电池33考虑功率波动的效用函数；Pbat为电池33目标输出功率；ωave、ωdif为权重系数；Pave、Pbatl、Pbatmax分别为电池33历史平均输出功率、上一秒的输出功率以及最大可输出功率；a、b为系数用于约束Uave和Udif小于等于0；
当燃料电池发电系统32、电池33效用函数最大时，燃料电池以及电池的经济型和耐久性得到最大程度保障；燃料电池发电系统32和电池33效用函数最大化形式如下：
为了简化控制器运算过程，采用加权和方法将该双目标函数最大化问题转化为单目标函数最小化问题，新目标函数改下为如下：
min f(Pfc，Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif
燃料电池发电系统32和电池33还需满足权重系数和为1，燃料电池发电系统32输出功率与电池33输出功率之和等于整车需求功率Pdem，且燃料电池发电系统32和电池33输出功率都在其自身最大范围内：
利用KKT条件(Karush-Kuhn-Tucker Conditions)和拉格朗日乘子法(LagrangeMultiplier)将等式约束和目标函数组合成为新函数，最终形式如下：
L(Pfc,Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif+h(Pfc+Pbat-Pdem)
令：
联立上式可得极值点：
Pbat＝Pdem-Pfc
上式中除了ωeco、ωdua、ωave、ωdif、Pbat、Pfc外其他均可视为常数，只要确定这四个权重系数即可确定燃料电池发电系统32和电池33最终目标输出功率Pfc和Pbat。
所述四个权重系数采用了离线仿真迭代寻优的方法确定权重值，主要方法如下：
构造多目标优化函数如下：
min g(k)＝{-s,Dfc,Dbat}
式中，s为一次补充能源车辆最远行驶距离，Dfc为燃料电池发电系统32性能衰退百分比，Dbat为电池33性能衰退百分比；
采用人工粒子群算法与Pareto解集相结合，通过迭代仿真获得ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解，具体流程如下：
步骤1.建立整车仿真模型，选择仿真工况，初始化算法参数如：优化对象ωeco、ωdua、ωave、ωdif，迭代次数，种群数量；
步骤2.将ωeco、ωdua、ωave、ωdif代入整车仿真模型，计算适应度值：-s、Dfc、Dbat，并保存记录；
步骤3.与历史适应度记录相对比，根据Pareto解集原理判断适应度是否存在支配情况，若是，用新适应度取代被支配的适应度后进入步骤4；若否，直接进入步骤4；
步骤4.根据粒子群算法逻辑更新ωeco、ωdua、ωave、ωdif；
步骤5.判断是否满足终止条件，若是进入步骤6；若否，返回步骤2；
步骤6.输出ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解。
所述发动机驱动模式的控制方法如下：
采用恒温控制策略，燃油发电系统31根据电池33的SOC值来决定是否工作；当电池SOC＜60％时燃油发电系统31启动，柴油机带动发电机发电，当拖拉机需求功率大于燃油发电系统31输出功率时，电池33与燃油发电系统31一起给拖拉机提供电能；当拖拉机需求功率小于等于燃油发电系统31时，燃油发电系统31输出的电能一部分输出给拖拉机满足其作业的功率需求，多余的部分给电池33充电使电池SOC快速上升至90％，当电池SOC≥90％时燃油发电系统31关闭，由电池33给拖拉机单独供电；所述燃油发电系统31一直工作将稳定工作在柴油机的高效区。
如图2所示，为了有效降低燃料电池冷启动时间，并且减少燃料电池辅件能耗，所述燃料电池发电系统32与驱动电机35之间设有散热管理系统4，所述散热管理系统4包括燃料电池冷却回路41和电机冷却回路42和散热控制器43；
所述燃料电池冷却回路41包括燃料电池水箱411、燃料电池水泵412、燃料电池中冷器413、燃料电池冷却风扇414、燃料电池内部温度传感器415和燃料电池水箱温度传感器416，所述燃料电池水泵412从燃料电池水箱411抽取冷却水经过燃料电池发电系统32进行热交换，完成热交换的冷却水再经过燃料电池中冷器413返回燃料电池水箱411，所述燃料电池冷却风扇414对燃料电池中冷器413进行冷却处理，所述燃料电池内部温度传感器415安装在燃料电池发电系统32的燃料电池内，所述燃料电池水箱温度传感器416安装在燃料电池水箱411内，所述燃料电池冷却风扇414、燃料电池内部温度传感器415和燃料电池水箱温度传感器416分别与散热控制器43连接；
所述电机冷却回路42包括电机水箱421、电机水泵422、电机中冷器423、电机冷却风扇424，所述电机水泵422从电机水箱421抽取冷却水对驱动电机35进行冷却，经过驱动电机35冷却水再经过电机中冷器423返回电机水箱421，电机冷却风扇424对电机中冷器423进行冷却处理，驱动电机35与电机中冷器423之间的回水管路上关联有旁通管425，所述旁通管425经过燃料电池水箱411，所述旁通管425与燃料电池水箱411进行热交换，所述旁通管425进水口和出水口分别设有流量分配阀426和单向阀427，所述驱动电机35内设有电机温度传感器428，所述电机冷却风扇424、流量分配阀426和电机温度传感器428分别与散热控制器43连接。
所述散热管理系统4的控制方法如下：
所述散热控制器43接收燃料电池内部温度传感器415测量的燃料电池发电系统32工作温度，当燃料电池发电系统32工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器43控制燃料电池冷却风扇414开启给燃料电池冷却水进行快速降温；
所述散热控制器43接收电机温度传感器428测量的驱动电机35工作温度，当燃料电池发电系统32工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器43控制电机冷却风扇424开启给电机冷却水进行快速降温；当燃料电池发电系统32工作温度小于等于其最佳工作温度时，散热控制器43控制电机冷却风扇424关闭；
所述流量分配阀426用于实时分配进入燃料电池水箱411中电机冷却水的流量，燃料电池水箱温度传感器416测量燃料电池冷却水温度，当电池60％≤SOC≤65％时，散热控制器43控制燃料电池水泵412开启，将燃料电池冷却水在燃料电池发电系统32内循环流动从而实现对燃料电池发电系统32的快速预热，并且通过PI控制算法实现氢燃料电池预热精确控温；当电池容量SOC<60％，氢燃料电池完成预热并直接启动。
所述PI控制算法控制流量阀的开度的控制方法为：
燃料电池水箱温度传感器416测量实际温度值为Tep℃，目标温度为Taim℃，PI控制输入为温度偏差(可正可负)：e(t)＝Taim-Tep℃，当前冷却液比例调节阀开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；PI控制输出为流量阀的实时开度增量(可正可负)u(t)，u(t)∈[0,100％]；
流量阀的目标开度为K(λ)+u(t)，并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
其中Kp，Ti为待确定的比例、积分系数；当电池SOC<60％时，燃料电池发电系统32冷启动结束开始正常工作时，流量分配阀426关闭电机冷却水进入燃料电池水箱411的通道，电机冷却水将无法与燃料电池冷却水进行热交换。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，其特征在于：电动拖拉机包括行走系统(1)、作业系统(2)和动力系统(3)，所述动力系统(3)分别给行走系统(1)和作业系统(2)提供动力；所述动力系统(3)包括燃油发电系统(31)、燃料电池发电系统(32)、电池(33)、能量管理控制器(34)、驱动电机(35)和电机控制器(36)；所述燃油发电系统(31)、燃料电池发电系统(32)和电池(33)相互并联接入能量管理控制器(34)；所述能量管理控制器(34)通过电机控制器(36)给驱动电机(35)供电；
所述燃料电池发电系统(32)与驱动电机(35)之间设有散热管理系统(4)，所述散热管理系统(4)包括燃料电池冷却回路(41)和电机冷却回路(42)和散热控制器(43)；
所述燃料电池冷却回路(41)包括燃料电池水箱(411)、燃料电池水泵(412)、燃料电池中冷器(413)、燃料电池冷却风扇(414)、燃料电池内部温度传感器(415)和燃料电池水箱温度传感器(416)，所述燃料电池水泵(412)从燃料电池水箱(411)抽取冷却水经过燃料电池发电系统(32)进行热交换，完成热交换的冷却水再经过燃料电池中冷器(413)返回燃料电池水箱(411)，所述燃料电池冷却风扇(414)对燃料电池中冷器(413)进行冷却处理，所述燃料电池内部温度传感器(415)安装在燃料电池发电系统(32)的燃料电池内，所述燃料电池水箱温度传感器(416)安装在燃料电池水箱(411)内，所述燃料电池冷却风扇(414)、燃料电池内部温度传感器(415)和燃料电池水箱温度传感器(416)分别与散热控制器(43)连接；
所述电机冷却回路(42)包括电机水箱(421)、电机水泵(422)、电机中冷器(423)、电机冷却风扇(424)，所述电机水泵(422)从电机水箱(421)抽取冷却水对驱动电机(35)进行冷却，经过驱动电机(35)冷却水再经过电机中冷器(423)返回电机水箱(421)，电机冷却风扇(424)对电机中冷器(423)进行冷却处理，驱动电机(35)与电机中冷器(423)之间的回水管路上关联有旁通管(425)，所述旁通管(425)经过燃料电池水箱(411)，所述旁通管(425)与燃料电池水箱(411)进行热交换，所述旁通管(425)进水口和出水口分别设有流量分配阀(426)和单向阀(427)，所述驱动电机(35)内设有电机温度传感器(428)，所述电机冷却风扇(424)、流量分配阀(426)和电机温度传感器(428)分别与散热控制器(43)连接；
根据工况不同分为电池驱动模式、发动机驱动模式和燃料电池驱动模式；
电池驱动模式：当电池(33)电量充足时由电池(33)单独给驱动电机(35)供电；
发动机驱动模式：当电池(33)的SOC＜60％，并且在户外作业时，燃油发电系统(31)给驱动电机(35)供电，同时给电池(33)充电；
燃料电池驱动模式：当电池(33)的SOC＜60％，并且在封闭环境时，燃料电池发电系统(32)给驱动电机(35)供电，同时给电池(33)充电；
所述燃料电池驱动模式的控制方法如下：
步骤一、读取燃料电池发电系统(32)和电池(33)上一秒的输出功率分别记为Pfcl和Pbatl，估算并读取电池(33)当前时刻的SOC状态，计算电池(33)历史输出功率的平均值记为Pave；
步骤二、根据电池(33)的SOC状态决定燃料电池发电系统(32)的工作状态，若电池(33)的SOC状态为15％＜SOC≤60％，则燃料电池发电系统(32)进入增程状态；若电池(33)的SOC状态为0＜SOC≤15％，则燃料电池发电系统(32)进入快充状态；
步骤三、当燃料电池发电系统(32)处于快充状态时，燃料电池发电系统(32)将以最大功率值Pfcmax输出，一方面满足拖拉机作业及行走的功率需求，多余的电能给电池(33)充电，该状态下电池(33)不对外输出电能；
步骤四、当燃料电池发电系统(32)处于增程状态时，电池(33)对外输出电能，也吸收燃料电池发电系统(32)释放的多余电能；
拖拉机制动时，燃料电池发电系统(32)不停机而是维持上一秒的输出功率Pfcl继续输出电能，该部分电能除了满足拖拉机基本电能需求外，多余的电能给电池(33)充电；
拖拉机驱动时，通过效用函数来决定燃料电池发电系统(32)和电池(33)的输出功率，具体为燃料电池发电系统(32)输出功率变化越小，且维持在其最高效率点附近，其效用函数值越大；当电池(33)输出功率变化值越小，且越接近其历史平均功率时，其效用函数越大；燃料电池发电系统(32)和电池(33)的效用函数如下：
式中，Ufc为燃料电池发电系统(32)总效用函数；Ueco为燃料电池发电系统(32)考虑经济性的效用函数；Udua为燃料电池发电系统(32)考虑耐久性的效用函数；Pfc为燃料电池发电系统(32)目标输出功率；ωeco、ωdua为权重系数；Pfctop、Pfcl、Pfcmax、Pmaxdif分别为燃料电池发电系统(32)最高效率点的输出功率、上一秒的输出功率、最大可输出功率以及燃料电池功率最大变化率；c、d为系数用于约束Ueco和Udua小于等于0；
Ubat为电池(33)总效用函数；Uave为电池(33)考虑输出功率偏离平均功率的效用函数；Udif为电池(33)考虑功率波动的效用函数；Pbat为电池(33)目标输出功率；ωave、ωdif为权重系数；Pave、Pbatl、Pbatmax分别为电池(33)历史平均输出功率、上一秒的输出功率以及最大可输出功率；a、b为系数用于约束Uave和Udif小于等于0；
当燃料电池发电系统(32)、电池(33)效用函数最大时，燃料电池以及电池的经济型和耐久性得到最大程度保障；燃料电池发电系统(32)和电池(33)效用函数最大化形式如下：
采用加权和方法将该双目标函数最大化问题转化为单目标函数最小化问题，新目标函数改下为如下：
min f(Pfc，Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif
燃料电池发电系统(32)和电池(33)还需满足权重系数和为1，燃料电池发电系统(32)输出功率与电池(33)输出功率之和等于整车需求功率Pdem，且燃料电池发电系统(32)和电池(33)输出功率都在其自身最大范围内：
利用KKT条件(Karush-Kuhn-Tucker Conditions)和拉格朗日乘子法(LagrangeMultiplier)将等式约束和目标函数组合成为新函数，最终形式如下：
L(Pfc,Pbat)＝-weco·Ueco-wdua·Udua-wave·Uave-wdif·Udif+h(Pfc+Pbat-Pdem)
令：
联立上式可得极值点：
Pbat＝Pdem-Pfc
上式中除了ωeco、ωdua、ωave、ωdif、Pbat、Pfc外其他均可视为常数，只要确定这四个权重系数即可确定燃料电池发电系统(32)和电池(33)最终目标输出功率Pfc和Pbat；
所述四个权重系数采用了离线仿真迭代寻优的方法确定权重值，主要方法如下：
构造多目标优化函数如下：
min g(k)＝{-s,Dfc,Dbat}
式中，s为一次补充能源车辆最远行驶距离，Dfc为燃料电池发电系统(32)性能衰退百分比，Dbat为电池(33)性能衰退百分比；
采用人工粒子群算法与Pareto解集相结合，通过迭代仿真获得ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解，具体流程如下：
步骤1.建立整车仿真模型，选择仿真工况，初始化算法参数如：优化对象ωeco、ωdua、ωave、ωdif，迭代次数，种群数量；
步骤2.将ωeco、ωdua、ωave、ωdif代入整车仿真模型，计算适应度值：-s、Dfc、Dbat，并保存记录；
步骤3.与历史适应度记录相对比，根据Pareto解集原理判断适应度是否存在支配情况，若是，用新适应度取代被支配的适应度后进入步骤4；若否，直接进入步骤4；
步骤4.根据粒子群算法逻辑更新ωeco、ωdua、ωave、ωdif；
步骤5.判断是否满足终止条件，若是进入步骤6；若否，返回步骤2；
步骤6.输出ωeco、ωdua、ωave、ωdif的最优解。
2.根据权利要求1所述的油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，其特征在于，所述发动机驱动模式的控制方法如下：
采用恒温控制策略，燃油发电系统(31)根据电池(33)的SOC值来决定是否工作；当电池SOC＜60％时燃油发电系统(31)启动，柴油机带动发电机发电，当拖拉机需求功率大于燃油发电系统(31)输出功率时，电池(33)与燃油发电系统(31)一起给拖拉机提供电能；当拖拉机需求功率小于等于燃油发电系统(31)时，燃油发电系统(31)输出的电能一部分输出给拖拉机满足其作业的功率需求，多余的部分给电池(33)充电使电池SOC快速上升至90％，当电池SOC≥90％时燃油发电系统(31)关闭，由电池(33)给拖拉机单独供电；所述燃油发电系统(31)一直工作将稳定工作在柴油机的高效区。
3.根据权利要求1所述的油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，其特征在于，所述散热管理系统(4)的控制方法如下：
所述散热控制器(43)接收燃料电池内部温度传感器(415)测量的燃料电池发电系统(32)工作温度，当燃料电池发电系统(32)工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器(43)控制燃料电池冷却风扇(414)开启给燃料电池冷却水进行快速降温；
所述散热控制器(43)接收电机温度传感器(428)测量的驱动电机(35)工作温度，当燃料电池发电系统(32)工作温度大于其最佳工作温度时，散热控制器(43)控制电机冷却风扇(424)开启给电机冷却水进行快速降温；当燃料电池发电系统(32)工作温度小于等于其最佳工作温度时，散热控制器(43)控制电机冷却风扇(424)关闭；
所述流量分配阀(426)用于实时分配进入燃料电池水箱(411)中电机冷却水的流量，燃料电池水箱温度传感器(416)测量燃料电池冷却水温度，当电池60％≤SOC≤65％时，散热控制器(43)控制燃料电池水泵(412)开启，将燃料电池冷却水在燃料电池发电系统(32)内循环流动从而实现对燃料电池发电系统(32)的快速预热，并且通过PI控制算法实现氢燃料电池预热精确控温；当电池容量SOC<60％，氢燃料电池完成预热并直接启动。
4.根据权利要求3所述的油电混合双增程式电动拖拉机的控制方法，其特征在于，所述PI控制算法控制流量阀的开度的控制方法为：
燃料电池水箱温度传感器(416)测量实际温度值为Tep℃，目标温度为Taim℃，PI控制输入为温度偏差(可正可负)：e(t)＝Taim-Tep(℃)，当前冷却液比例调节阀开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；PI控制输出为流量阀的实时开度增量(可正可负)u(t)，u(t)∈[0,100％]；
流量阀的目标开度为K(λ)+u(t)，并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
其中Kp，Ti为待确定的比例、积分系数；当电池SOC<60％时，燃料电池发电系统(32)冷启动结束开始正常工作时，流量分配阀(426)关闭电机冷却水进入燃料电池水箱(411)的通道，电机冷却水将无法与燃料电池冷却水进行热交换。
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| CN106515497A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-03-22 | 青岛理工大学 | 一种燃料电池叉车的混合动力系统及其控制方法 |
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2021
- 2021-12-02 CN CN202111462855.2A patent/CN114394001B/zh active Active
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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