CN114771261A - 一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，涉及新能源车辆控制技术领域，本发明设置与电源功率波动比相关的逻辑门限判断控制策略，以主要供给能源的输出功率及其波动比为控制目标，通过调整协同辅助能源的输出功率对主要供给能源的输出功率进行调整，利用协同辅助能源的补偿作用，使主要供给能源各功率段内的功率增长波动比保持在标定区间(λ_tur∈[0，0.15])，根据电源需求功率及其波动比，电动拖拉机有单电池供电模式(M1)、多电源协同作业模式(M2)和峰值放电模式(M3)三种运行模式，本发明可以有效提高电动拖拉机的电池寿命、经济性能及续驶里程等。

Description

一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法

技术领域

本发明涉及新能源车辆控制技术领域，具体涉及一种基于功率波动比 的复合式电动拖拉机能量管理方法。

背景技术

已知的，我国是农业大国，农业发展现代化、智能化是大势所趋。当 前，我国轮式拖拉机的保有量逐年攀升。近几年来，面对能源紧缺和环境 污染等问题，轮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。其中纯电动式拖拉机(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 化的控制策略和基于作业面积或作业距离的控制策略。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未考虑其工况激变导致的电源波动比 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 驶里程等，因此，如何提供一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量 管理方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于功率波动比的 复合式电动拖拉机能量管理方法，本发明可以改善当前能量管理过程中未 考虑功率波动比导致电源输出功率激增从而影响电池系统的问题，以提高 整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里程等。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述管理方 法具体包括如下步骤：

第一步、采集拖拉机的当前状态信息；

第二步、整车控制器VCU根据行驶消耗功率、载具消耗功率、PTO 消耗功率确定整车总需求功率；

第三步、根据实时的整车总需求功率及对应波段的波动比对拖拉机整 机进行模式选择；

第四步、根据主要供给能源的状态以及实时的整车总需求功率波动比 对协同辅助能源的输出状态进行调控；

第五步、根据功率消耗情况及波动比计算出主要供给能源的理论实时 功率比作为逻辑门限值目标并选择电动拖拉机的运行模式。

所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述第一 步中拖拉机的当前状态信息包括主要供给能源及协同辅助能源的SOC、 电池充放电状态、行驶消耗功率、载具消耗功率、PTO消耗功率、行驶 速度、犁耕深度和电动机转速。

所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述主要 供给能源为磷酸锂铁电池，所述协同辅助能源为磷酸锂铁电池加超级电 容。

所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述第五 步中选择电动拖拉机的运行模式时，利用PTO消耗功率、载具消耗功率、 行驶消耗功率情况以及电池充放电状态计算出电池理论输出功率P_req作为 优化限制目标变更不同的模式输出P_req1、P_req2，设定主要供给能源需求功 率P_req及其功率波动比上限λ_lim作为逻辑门限值目标，使电动拖拉机有单电 池供电模式M1、多电源协同作业模式M2和峰值放电模式M3三种运行 模式。

所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述利用 PTO消耗功率、载具消耗功率、行驶消耗功率情况以及电池充放电状态 计算出电池理论输出功率及其波动比的数学模型为：

P_req＝P_Treq+P_δ

P_tur＝P_Ttur+P_δ

式中：λ_tur为功率波动比，P_req为电动机需求功率/电池需求功率；P_Treq为电动机转矩需求功率；P_tur为电动机实际功率/电池实际功率；P_Ttur为电 动机转矩实际功率；P_δ为滑转损失功率。

所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，所述第五 步中逻辑门限值目标的控制参数如下：

当前电池功率P_ture，电池需求功率P_req，开启多能量系统的功率阈值 P_lim，多能量系统可提供最高功率P_max，功率波动比λ_tur，功率波动比上限 λ_lim；

判断条件设置：P_ture＞P_lim时能量分配模型开启，“P_req≤P_max”为N1； “P_req＞P_max”为N2；“λ_tur1≤λ_lim1”为N3；“λ_tur1＞λ_lim1”为N4；“λ_tur2≤λ_lim2”为N5； “λ_tur2＞λ_lim2”为N6，则电动拖拉机能量管理逻辑规则为：

式中，R为判断规则。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明首先通过控制策略主动控制主要供给能源的功率输出状态，将 载具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，然后通过控制策略使主要供给能源的预测模型的输出功率 波动比达到其逻辑门限阈值时协同辅助能源开始补偿工作，避免了所有时 刻单电池输出电流、功率的大幅度波动情况的发生，通过控制策略使在在 主要供给能源的预测模型达到逻辑门限值时且协同辅助能源无法完全补 偿时二者都以所允许的最大功率进行输出，可以改善当前能量管理过程中 未考虑功率波动比导致电源输出功率激增从而影响电池系统的问题，以提 高整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里程等，适合大范围的推广 和应用。

附图说明

图1是本发明电动拖拉机能量管理方法的流程图；

图2是本发明中多电源复合式电动拖拉机动力传递系统结构示意图；

图3是拖拉机犁耕受力分析简图；

图4、图5是本发明中不同模式的能量传递简图；

图6是本发明的基于逻辑门限值的能量管理控制流程图。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面 的实施例；

结合附图1～6，本发明所述的一种基于功率波动比的复合式电动拖 拉机能量管理方法，所述管理方法具体包括如下步骤：

第一步、采集拖拉机的当前状态信息；实施时，所述拖拉机的当前状 态信息包括主要供给能源及协同辅助能源的SOC、电池充放电状态、行 驶消耗功率、载具消耗功率、PTO消耗功率、行驶速度、犁耕深度和电 动机转速；所述主要供给能源为磷酸锂铁电池，所述协同辅助能源为磷酸 锂铁电池加超级电容；

第二步、整车控制器VCU根据行驶消耗功率、载具消耗功率、PTO 消耗功率确定整车总需求功率；

第三步、根据实时的整车总需求功率及对应波段的波动比对拖拉机整 机进行模式选择；

第四步、根据主要供给能源的状态以及实时的整车总需求功率波动比 对协同辅助能源的输出状态进行调控；

第五步、根据功率消耗情况及波动比计算出主要供给能源的理论实时 功率比作为逻辑门限值目标并选择电动拖拉机的运行模式。

具体实施时，所述第五步中选择电动拖拉机的运行模式时，利用PTO 消耗功率、载具消耗功率、行驶消耗功率情况以及电池充放电状态计算出 电池理论输出功率P_req作为优化限制目标变更不同的模式输出P_req1、P_req2， 设定主要供给能源需求功率P_req及其功率波动比上限λ_lim作为逻辑门限值 目标，使电动拖拉机有单电池供电模式M1、多电源协同作业模式M2和 峰值放电模式M3三种运行模式。实施时，所述利用PTO消耗功率、载 具消耗功率、行驶消耗功率情况以及电池充放电状态计算出电池理论输出 功率及其波动比的数学模型为：

P_req＝P_Treq+P_δ

P_tur＝P_Ttur+P_δ

式中：λ_tur为功率波动比，P_req为电动机需求功率/电池需求功率；P_Treq为电动机转矩需求功率；P_tur为电动机实际功率/电池实际功率；P_Ttur为电 动机转矩实际功率；P_δ为滑转损失功率。

进一步，所述第五步中逻辑门限值目标的控制参数如下：

当前电池功率P_ture，电池需求功率P_req，开启多能量系统的功率阈值 P_lim，多能量系统可提供最高功率P_max，功率波动比λ_tur，功率波动比上限 λ_lim；

判断条件设置：P_ture＞P_lim时能量分配模型开启，“P_req≤P_max”为N1； “P_req＞P_max”为N2；“λ_tur1≤λ_lim1”为N3；“λ_tur1＞λ_lim1”为N4；“λ_tur2≤λ_lim2”为N5； “λ_tur2＞λ_lim2”为N6，则电动拖拉机能量管理逻辑规则为：

式中，R为判断规则。

本发明在具体实施时，其能源部分由主要供给能源(磷酸锂铁电池) 和协同辅助能源(磷酸锂铁电池+超级电容)组成。通过更变配适的工作 模式来调整电源输入情况，以有效的控制主要供给能源的输出功率波动， 进而实现其输出电流大幅波动时的“削峰”、“缓峰”，利用高能量比的锂电 池与高功率比的超级电容协同作业，避免了单电池突变放电的发生，进而 可以使电池状态(SOC)的估值变得更加准确，延长了电池寿命。

利用协同辅助能源的补偿作用，使主要供给能源的功率波动λ_tur始终 小于λ_lim，电池功率P_ture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。

1、首先采用三电源混联式的电源结构，如图1所示，利用高能量比 的锂电池与高功率比的超级电容对电动机进行协同供电，从而实现能源的 传递。多电源电动拖拉机的能量系统以第一电池组(锂电池)为主要供给 能源，以第二电池组(锂电池)与超级电容、DC/DC串联的模块作为协 同辅助能源，后者通过并联与前者共同构成多电源能量储存系统。其中协 同辅助能源利用DC/DC转换器调节超级电容与第一、第二电池组的电压 关系，这种结构不仅可以良好的利用超级电容的输出电压与电流，还使超 级电容的储能得到了后续补充，解决了超级电容储电能力弱的缺点。

2、其次，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，整车控制器VCU采集不同工 况下的整机需求功率，其包括行驶所需功率与载具所需功率。能量管理系 统MBS采集此时的主要供给能源与协同辅助能源的状态信息，其包括两 电池组的SOC与实际功率P_true的情况。BMS与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阈值调整主要供给能源与协同 辅助能源的功率输出情况。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的模式。

(2)多电源系统根据不同作业环境下所需的电动机、电池功率调整能 量管理系统的不同模式。结合本文研究的能量管理内容及拖拉机作业特点 将能量系统的工作模式划分为：单电池供电模式(M1)、多电源协同作业 模式(M2)、峰值放电模式(M3)。多电源系统供电的能量传递简图如图 3、图4所示。图4为电动拖拉机单电源供电模式。当拖拉机作业实时功 率较小或工况稳定，无遇突变载荷时，电动机及电池需求功率波动较小， 电流输出平稳。此时只有主要供给能源进行电能供给。图5为电动拖拉机 多电源协同供电模式。当拖拉机作业工况波动大，电动机及电池需求功率 波动较大且实时功率超过设定阈值时。此时，在限制主要供给能源功率波 动的同时协同辅助能源进行介入，利用超级电容高功率比的特点进行功率 补偿。

(3)根据拖拉机使用的动力模型建立了电池消耗功率模型：

拖拉机犁耕作业时与行驶作业有很大区别，电动拖拉机处于犁耕作业 模式时，具有负荷大且波动大、速度恒定且速度低的特点。因此忽略其空 气阻力、加速阻力和坡道阻力，增加由其犁耕所带来的犁耕牵引阻力，其 受力分析简图如图5所示：

其运动学模型如下：

F_q＝F_f+F_X

F_f＝fm₁g

F_X＝λm₂g+K_lHB+γHBV³

式中：F_q为驱动力，N；f为滚动阻力系数，N；F_X为拖拉机牵引阻 力，N；m₁为拖拉机整机质量，kg；λ为犁耕阻力系数，N；m₂为犁耕载具 质量，kg；K_l为土壤变形系数，kg；H为犁耕深度，cm；B为犁耕宽度， cm；γ为犁耕抛土系数；V为拖拉机作业速度，m/s；T为电动机需求转矩， N·m；r为驱动轮驱动半径，m；i_g为当前传动系传动比；η_t为传动系传动效 率。

由于拖拉机作业时突变载荷多且频繁，λ、K_l、H等变化较大，因此 引入土壤随机阻力F_ran，将λ、K_l、H等量化为常数，由此得到新的牵引力 方程如下：

F_Xtur＝λm₂g+K_lHB+γHBV³

F_Xreq＝λm₂g+K_lHB+γHBV³+F_ran

式中：F_Xtur为实际牵引力，N；F_Xreq为需求牵引力，N；F_ran为土壤随机 阻力，N。

犁耕时所需电动机输出转矩、功率计算如下：

P_req＝P_Treq+P_δ

P_tur＝P_Ttur+P_δ

式中：P_req为电动机需求功率(电池需求功率)，kW；P_Treq为电动机转 矩需求功率，kW；P_tur为电动机实际功率(电池实际功率)，kW；P_Ttur为 电动机转矩实际功率，kW；P_δ为滑转损失功率，kW。

犁耕时电动机需求转速计算如下：

3.确定能量分配，采用基于确定规则的逻辑门限阈值控制的能量分配 模型对电池需求功率进行分配。对功率突变的情况下的锂电池功率输出加 以限制。

设置门限值控制参数如下：当前电池功率P_tur，电池需求功率P_req，开 启多能量系统的功率阈值P_lim，多能量系统可提供最高功率P_max，功率波动 比λ_tur，功率波动比上限λ_lim。

式中：λ_tur为功率波动比。

判断条件设置：P_tur＞P_lim时能量分配模型开启，“P_req≤P_max”为N1； “P_req＞P_max”为N2；“λ_tur1≤λ_lim1”为N3；“λ_tur1＞λ_lim1”为N4；“λ_tur2≤λ_lim2”为N5； “λ_tur2＞λ_lim2”为N6。则电动拖拉机能量管理逻辑规则为

式中，R为判断规则。其逻辑门限规则图如图6所示。可以看出，当 遇功率突增情况时，如果需求功率波动比在允许的阈值内时，由主要供给 能源进行全部功率的输出；当需求功率波动比超出允许的阈值内时，主要 供给能源只进行波动比阈值内的功率输出，超出阈值的部分由协同辅助能 源进行提供。

通过上述过程，设置了主要供给能源及协同辅助能源及其放电策略， 利用协同辅助能源的补偿作用，以及基于逻辑门限值的模式选择，使主要 供给能源的功率波动比始终小于设置的功率波动比上限，即λ_tur1≤λ_lim1，使 得其功率波动平稳，在满足整车动力性的基础上实现锂电池功率输出的 “削峰”、“缓峰”，使锂电池以比较平缓稳定的工作状态输出电功率。

本发明具有以下技术效果：

(1)通过控制策略主动控制主要供给能源的功率输出状态，将载具消 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。

(2)通过控制策略使主要供给能源的预测模型的输出功率波动比达 到其逻辑门限阈值时协同辅助能源开始补偿工作，避免了所有时刻单电池 输出电流、功率的大幅度波动情况的发生。

(3)通过控制策略使在在主要供给能源的预测模型达到逻辑门限值 时且协同辅助能源无法完全补偿时二者都以所允许的最大功率进行输出。

以上技术效果均可提高整机驱动性能、电池寿命、经济性能及续驶里 程。实现电池功率的“削峰”、“缓峰”。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适 宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内 的实施例的所有变化和改进。

Claims (6)

1.一种基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述管理方法具体包括如下步骤：

第一步、采集拖拉机的当前状态信息；

第二步、整车控制器VCU根据行驶消耗功率、载具消耗功率、PTO消耗功率确定整车总需求功率；

第三步、根据实时的整车总需求功率及对应波段的波动比对拖拉机整机进行模式选择；

第四步、根据主要供给能源的状态以及实时的整车总需求功率波动比对协同辅助能源的输出状态进行调控；

第五步、根据功率消耗情况及波动比计算出主要供给能源的理论实时功率比作为逻辑门限值目标并选择电动拖拉机的运行模式。

2.根据权利要求1所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述第一步中拖拉机的当前状态信息包括主要供给能源及协同辅助能源的SOC、电池充放电状态、行驶消耗功率、载具消耗功率、PTO消耗功率、行驶速度、犁耕深度和电动机转速。

3.根据权利要求2所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述主要供给能源为磷酸锂铁电池，所述协同辅助能源为磷酸锂铁电池加超级电容。

4.根据权利要求1所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述第五步中选择电动拖拉机的运行模式时，利用PTO消耗功率、载具消耗功率、行驶消耗功率情况以及电池充放电状态计算出电池理论输出功率P_req作为优化限制目标变更不同的模式输出P_req1、P_req2，设定主要供给能源需求功率P_req及其功率波动比上限λ_lim作为逻辑门限值目标，使电动拖拉机有单电池供电模式M1、多电源协同作业模式M2和峰值放电模式M3三种运行模式。

5.根据权利要求4所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述利用PTO消耗功率、载具消耗功率、行驶消耗功率情况以及电池充放电状态计算出电池理论输出功率及其波动比的数学模型为：

P_req＝P_Treq+P_δ

P_tur＝P_Ttur+P_δ

式中：λ_tur为功率波动比，P_req为电动机需求功率/电池需求功率；P_Treq为电动机转矩需求功率；P_tur为电动机实际功率/电池实际功率；P_Ttur为电动机转矩实际功率；P_δ为滑转损失功率。

6.根据权利要求1所述的基于功率波动比的复合式电动拖拉机能量管理方法，其特征是：所述第五步中逻辑门限值目标的控制参数如下：

当前电池功率P_ture，电池需求功率P_req，开启多能量系统的功率阈值P_lim，多能量系统可提供最高功率P_max，功率波动比λ_tur，功率波动比上限λ_lim；

判断条件设置：P_ture＞P_lim时能量分配模型开启，“P_req≤P_max”为N1；“P_req＞P_max”为N2；“λ_tur1≤λ_lim1”为N3；“λ_tur1＞λ_lim1”为N4；“λ_tur2≤λ_lim2”为N5；“λ_tur2＞λ_lim2”为N6，则电动拖拉机能量管理逻辑规则为：

式中，R为判断规则。

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