![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究.pdf
《基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 4 卷 第 3 期2023 年 8 月Vol.4 No.3August,2023智能化农业装备学报(中英文)Journal of Intelligent Agricultural Mechanization基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究余强1,李雪妍1,潘信佳1,何雄林1,范文涛2,王芳2,王玉2(1.中国农业大学信息与电气工程学院,北京市,100083;2.国网黑龙江省电力有限公司,黑龙江哈尔滨,150000)摘要:针对目前电动拖拉机续航能力不足、电源系统能耗高等问题,提出了一种基于蓄电池加超级电容辅能的复合电源系统能量优化控制策略。通过分析电动拖拉机复合电源系统的
2、拓扑结构以及电动拖拉机多种作业工况阻力特性,选择了一种适合电动拖拉机的复合电源系统结构方案并设计了一种适合电动拖拉机的待测试工况,同时确定了该待测试工况下电动拖拉机驱动电机的功率需求。根据电动拖拉机复合电源系统主要动力组成部件的充放电特性,建立其相关数学模型,并在 Simulink中搭建了电动拖拉机复合电源系统的仿真模型。另外,根据电动拖拉机在待测试工况下的负荷需求及复合电源系统的放电特性制定了复合电源系统能量控制模糊策略,并以蓄电池最大功率放电时的电流最低为优化目标,利用改进的遗传算法对模糊控制参数进行了优化,分别搭建了采用单电源、逻辑门限值控制策略等不同情况下复合电源系统的模型进行了对比仿
3、真。结果表明:与采用单电源、逻辑门限值控制策略、模糊控制策略对比,利用改进遗传算法优化的模糊控制策略的蓄电池最大电流分别降低了 63%、62.9%及 43.9%;平均电流分别降低了 24.8%、3.2%及 8.5%,证明了该控制策略在降低蓄电池大电流放电、延长蓄电池使用寿命上的有效性。关键词:电动拖拉机;复合电源;模糊控制策略;遗传算法中图分类号:S219.4 文献标识码:A 文章编号:2096-7217(2023)03-0014-10余强,李雪妍,潘信佳,何雄林,范文涛,王芳,王玉.基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究 J.智能化农业装备学报(中英文),2023,4(3):1
4、423YU Qiang,LI Xueyan,PAN Xinjia,HE Xionglin,FAN Wentao,WANG Fang,WANG Yu.Research on the energy control optimized strategy of electric tractor composite power supply based on improved genetic algorithmJ.Journal of Intelligent Agricultural Mechanization,2023,4(3):14230引言2020 年 9 月,我国正式向全世界承诺 2030 年实
5、现碳达峰、2060 年实现碳中和目标1。随着国家“双碳”战略目标的提出,降碳成为社会各个行业面临的新挑战。作为农业大国,长期以来我国传统农业机械大多采用内燃机作为动力源。截至 2021年底,我国农机总动力达 1.078109 kW,柴油发动机动力占比 77%2,高比例的传统农机的投入使用在伴随大量石油消耗的同时也产生了大量的碳排放,给环境造成了严重污染,在碳达峰、碳中和大背景下,农机“减碳”,电动化势在必行。相比于传统农用机械,电动农业机械不仅具有控制灵活、结构简洁、工作噪音小和维护成本低等优点,而且能量利用率要远高于传统农机,且符合绿色环保、低碳经济发展的要求,是全球农业机械未来的发展方向3
6、。然而现阶段电动农机在技术上也存在一些急需解决的问题,其中,电动农机的动力来源主要来自于配备的蓄电池,但目前研发制造的蓄电池比功率和比能量难以满足电动农用机械复杂的作业要求4,例如约翰迪尔公司开发的 SESAM 电动拖拉机,其最大功率为 265 kW,但仅可持续工作 4 h,大大降低了其工作效率5。除此以外,相比于电动汽车相对稳定的功率输出,电动农机运行工况复杂多变,常常伴随大电流的输出,这严重影响了蓄电池的寿命6。在此背景下,在研发高比功率电池的同时,挑选一种储能装置来承担电动农机瞬时过载、大电流等特殊工况,来保证整个储能系统的安全稳定运行成为当下需要解决的重点问题。在所有储能装置中,超级电
7、容功率密度大,且循环DOI:10.12398/j.issn.2096-7217.2023.03.002收稿日期:2023-01-03 修回日期:2023-05-23基金项目:国网黑龙江省电力有限公司科学技术项目(SGHL0000YXJS2310165);中央高校基本科研业务费专项资金项目(No.15053346)第一作者:余强,男,1984年生,湖南岳阳人,博士,教授,博导;研究方向为农村配电网运行控制、电动农机及优化控制。E-mail:yuqiang_第 3 期余强 等:基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究使用寿命长,因此将超级电容器应用到电动拖拉机上跟蓄电池组成复合电源系统
8、成为当前电动农机的一种解决方案7。针对蓄电池和超级电容器组成的复合电源,提出高效的能量管理策略逐渐成为当前的研究重点。现阶段国内外针对电动拖拉机复合电源能量管理方法的研究通常可以分为基于规则和基于优化两种方法,刘孟楠等8针对采用超级电容器作为辅助电源的电动拖拉机,制定了基于功率分配的能量管理策略,将蓄电池电功率抑制在载荷波动基频附近并平衡峰值功率。李银平等9采用动态规划方法,对由超级电容器和蓄电池组成的拖拉机复合电源的控制策略进行了优化,有 效 降 低 了 系 统 的 能 量 消 耗。TRITSCHLER等10基于采用燃料电池作为辅助动力源的电动拖拉机复合电源系统,制定了 3种能量管理策略(基
9、于规则策略、滑翔平均策略、等效最小氢耗策略),仿真结果表明3种能量管理策略均能有效提高氢气利用效率,其中等效最小氢耗策略的效果更为显著。BARTHEL等11以混合动力电动拖拉机燃料最低消耗为研究目标,设计了一种基于优化内燃机负载点偏移的能量管理策略,有效提高了运输工况时的能量利用效率。尽管以上研究均通过制定电源能量管理策略有效降低了系统的能量消耗,但大多均未考虑抑制电动拖拉机作业过程中蓄电池的大电流放电,从而延长蓄电池的使用寿命。本文以基于超级电容辅能的复合电源电动拖拉机为研究对象,根据电动拖拉机负荷特性及复合电源放电特性制定模糊控制策略,并以蓄电池峰值电流最低为优化目标,采用改进遗传算法对模
10、糊控制参数进行优化,最后通过仿真试验验证能量控制策略的有效性。1电动拖拉机电源结构及作业工况1.1复合电源拓扑结构及对比电动拖拉机电源系统在作业工况发生变换时会切换运行模式导致蓄电池产生瞬时大电流,从而影响电池的使用寿命。由超级电容器和蓄电池构成的复合电源系统可以利用超级电容瞬时充放电的特性降低在大功率输出和能量回收时蓄电池受到的大电流冲击,延长蓄电池的使用寿命。复合电源系统的拓扑结构决定了蓄电池和超级电容的充放电形式,能够在很大程度上影响电源系统的整体性能,因此首先确定复合电源系统的拓扑结构。依据蓄电池、超级电容和 DC/DC 变换器的连接方式,复合电源系统的拓扑结构可分为 4种12,如图
11、1所示。其中蓄电池与超级电容直接并联的拓扑结构较为简单,能够保证蓄电池和超级电容输出到总线的电压一致,但削弱了超级电容均衡负载的主动性;蓄电池与超级电容分别与 DC/DC 变换器串联再进行并联的拓扑结构主动性强、灵活性高,但结构复杂且成本较高,同时会大大增加控制策略的设计难度;而蓄电池串联DC/DC 变换器再与超级电容并联的拓扑结构可以实现蓄电池的主动控制,但无法调节超级电容的电压从而均衡负载;超级电容串联 DC/DC变换器再与蓄电池并联的拓扑结构能够充分发挥超级电容的主动性,保证蓄电池与超级电容的电压一致13。综合考虑电动拖拉机控制策略的难度与精度、超级电容器的负载均衡力以及结构成本等因素,
12、本文选择超级电容串联 DC/DC 变换器再与蓄电池并联的拓扑结构。1.2电动拖拉机作业工况拖拉机通过配置不同的农机具可以进行包含运输、旋耕、犁耕等在内的多种作业。不同的作业工况下电动拖拉机需求功率的大小不同。其中运输工况的需求功率计算如式(1)所示14。P1=V1()Fa1+Fb13 600+P+PFa1=fmagFb1=madudt(1)式中:P1拖拉机运输工况下的需求功率,kW;V1拖拉机行驶速度,km/h;Fa1拖拉机行驶时的土壤摩擦阻力,N;(a)动力电池与超级电容直接并联(b)动力电池与超级电容分别串联 DC/DC变换器后再并联(c)动力电池串联 DC/DC变换器后与超级电容并联(d
13、)超级电容串联 DC/DC变换器后与动力电池并联图 1复合电源拓扑结构Figure 1Topology of dual-source energy storage system152023 年智能化农业装备学报(中英文)Fb1拖拉机加速时的土壤摩擦阻力,N;P驱动轮滑转时的功率损失,kW;P机械传动损失,kW;f驱动轮的滚动阻力系数;ma电动拖拉机运输时的整车质量,kg;g重力加速度,N/kg;电动拖拉机旋转质量换算系数;dudt电动拖拉机动力加速度,m/s2。旋耕工况的需求功率计算如式(2)所示15。P2=Fa2V2 Fb23 600+P+PFa2=fmbgFb2=175KK1V2(2)式中
14、:P2拖拉机旋耕工况下的需求功率,kW;Fa2拖拉机旋耕工况下的土壤摩擦阻力,N;V2拖拉机旋耕作业速度,km/h;Fb2旋耕牵引阻力,N;旋耕作业的深度,cm;旋耕作业的耕宽,cm;K比例系数;K1旋耕作业时的比阻,N/m2;mb拖拉机旋耕作业时的整备质量,kg。犁耕工况的需求功率计算如式(3)所示16。Fa3=G+K2cd+cdV23P3=()Fb3+Fa33 600V3+P+PFb3=fmcg(3)式中:P3拖拉机犁耕工况下的需求功率,kW;Fa3电动拖拉机犁具牵引阻力,N;拖拉机犁耕作业时的阻力系数;G犁体重力,N;K2静态阻力系数,N/cm2;c单犁体耕深,cm;d单犁体耕宽,cm;
15、动态阻力系数;V3拖拉机犁耕作业速度,km/h;mc拖拉机犁耕作业时的整备质量,kg。由于目前拖拉机暂未具备标准的测试工况,考虑到丘陵山地作业拖拉机需多次上下坡,速度变化较为频繁,制动踏板时产生能量回收,同时为了测试复合电源能量控制策略处理峰值电流的能力,因此考虑从目前常用的电动汽车标准测试工况中选择速度变化频繁且急剧的 NEDC 工况进行降速处理,使其满足电动拖拉机实际作业情况,最后根据以上公式得到作业时间内电机需求功率变化区间,本文设定待测试工况需求功率变化曲线如图 2所示。2复合电源模型电动拖拉机复合电源系统主要由蓄电池、超级电容器和 DC/DC变换器组成,根据电动拖拉机作业特性需要搭建
16、合适的复合电源模型,从而保证能量控制策略的有效性。2.1蓄电池模型蓄电池模型属于一种复杂的非线性系统,包括电路模型、电化学模型、热力学模型等,为了便于建立电池模型,采用 Rint模型17。电流计算模块计算公式如式(4)。Iout=Voc-V2oc-4RP2RIin=Voc-VmaxRIave=1T0T|ibat(t)dtVmax=ess_max_volts ess_module_num(4)式中:Iout蓄电池放电电流,A;Voc蓄电池开路电压,V;R蓄电池内阻,;P电池输出功率,kW;Vmax蓄电池最大电压,V;Iin蓄电池充电电流,A;Iave蓄电池平均电流,可表征蓄电池在工作时间内充放电
17、电流的整体大小情况,A;ibat蓄电池实时电流,当其为正时,蓄电池放电,为负时蓄电池充电,A;T待测试工况运行时间,s;ess_max_volts蓄电池单体最大电压,V;ess_module_num蓄电池单体个数。图 2待测试工况Figure 2Working condition to be tested16第 3 期余强 等:基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究SOC估算模块计算公式如式(5)。Ah_used=13 6000ti(t)dt+(1-SOCinit)max_capSOCbat=max_cap-Ah_usedmax_cap(5)式中:max_cap蓄电池最大容量,A
18、h;Ah_used蓄电池已使用电量,Ah;SOCinit蓄电池初始荷电状态;SOCbat蓄电池实时荷电状态。2.2超级电容模型本文采用超级电容 RC 模型18,该种模型能够在保证精度要求的同时便于计算,其主要计算公式如式(6)、式(7)。开路电压计算公式 USC=QSCCQSC=0tISCdt(6)式中:USC超级电容开路电压,V;QSC超级电容存储容量,C;C超级电容理想电容,F;ISC超级电容电流,A。SOC估算模块SOCSC=(USC-USC min)C(USCmax-USC min)C=USC-USC minUSCmax-USC min(7)式中:SOCSC超级电容荷电状态;USCma
19、x超级电容最大电压,V;USC min超级电容最小电压,V。2.3DC/DC变换器模型DC/DC 变换器目前主要分为电气模型和效率模型两种,由于电气模型的搭建较为复杂,为了便于计算,本文采用文献 19 中已经经过验证的效率模型,并通过二维插值表来表示电压比值、超级电容功率与DC/DC变换器转换效率的关系。2.4温度模型蓄电池的产热、散热过程是一个典型的有时变内热源的非稳态导热过程,目前已有较多成熟的模型发表,本文采用仿真软件 ADVISOR 中自带的温度变化模型20,模型内部结构如图 3所示。基于 1.1节中复合电源拓扑结构及上述建模思想在仿真软件中建立起复合电源仿真模型。3复合电源控制策略3
20、.1模糊控制策略本文采用的模糊控制策略无需建立控制系统的数学模型,能够实现对电动拖拉机复合电源系统的非线性控制,具备良好的适应性和容错性,其基本原理如图4所示。本文设计的模糊控制器采用 3 个输入(蓄电池SOC、超级电容 SOC、电机需求功率),1个输出的结构(超级电容输出功率在复合电源可提供功率中的占比),模糊控制器推理方法采用 Mamdani推理方法21,蓄电池和超级电容之间的功率分配关系如式(8)。Pbat=PreqKbatPuc=PreqKucKbat+Kuc=1(8)式中:Preq电机需求功率,kW;Pbat蓄电池应提供功率,kW;Puc超级电容应提供功率,kW;Kbat蓄电池功率分
21、配因子;Kuc超级电容功率分配因子。为了兼顾控制系统的稳定性和灵敏度,本文采用正态分布型隶属函数以及三角型隶属函数作为模糊控制器的隶属度函数。正态分布型隶属函数f(x,h)=e-(x-h)222(9)三角型隶属函数图 3温度模型Figure 3Temperature model图 4模糊控制基本原理图Figure 4Basic schematic diagram of fuzzy controller172023 年智能化农业装备学报(中英文)f(x,a,b,h,i)=0,x ax-ab-a,a x bi-xi-h,h 0时。若电机需求功率小于待测试工况平均需求功率,即Preq Pave(15
22、)该情况下电动拖拉机一般处于启动或犁耕等工况,电机对复合电源系统的需求功率较高,此时根据超级电容 SOC值分为两种情况。当超级电容 SOC 大于 0.2 时,此时超级电容具备提供峰值功率的能力,可以辅助蓄电池进行功率输出,所以此时需求功率由蓄电池和超级电容共同提供,即Pbat=PavePuc=Preq-Pave(16)当超级电容 SOC 小于 0.2 时,说明超级电容能量储存不足以提供峰值功率,此时需求功率完全由蓄电池承担,即Pbat=Preq(17)2)当Preq 0时。此时电动拖拉机正处于能量回收工况,此时根据超级电容 SOC存在两种分配方式。当超级电容 SOC 小于 1 时,由超级电容吸
23、收这部分能量,从而保证足够的电量辅助蓄电池提供峰值需求功率。即Puc=Preq(18)当超级电容 SOC 等于 1 时,超级电容能量已经充足,将回收能量分配给蓄电池吸收。Pbat=Preq(19)具 体 的 逻 辑 门 限 值 控 制 策 略 原 理,如 图 7所 示。4仿真结果分析为进一步验证基于遗传算法优化的电动拖拉机复合电源控制策略的优势,本节对以上控制策略分别仿真,试验结果如图 8图 10及表 2所示。由图 8、图 9 可以看出,在仿真刚开始阶段曲线变化基本一致,这是由于此时电机需求功率较小、蓄电池电量充足可以单独供能,复合电源并未投入工作;仿真后期阶段,曲线开始有明显区别,这是因为电
24、机需求功率逐渐增大且蓄电池电量有所降低,复合电源开始投入 工 作,体 现 出 各 控 制 策 略 的 性 能 差 异。可 以 看图 7逻辑门限值控制策略原理图Figure 7Schematic of the logic threshold control strategy图 8蓄电池温度变化曲线Figure 8Variation curve of battery temperature图 9蓄电池 SOC变化曲线Figure 9Variation curve of battery SOC20第 3 期余强 等:基于改进遗传算法的电动拖拉机复合电源优化控制策略研究到 1 100s 前采用逻辑门限
25、控制策略的蓄电池温度及SOC 表现均优于其他 3种策略,但 1 100s后,采用改进遗传算法优化的控制策略的蓄电池温度逐渐降至最低、蓄电池 SOC 逐渐高于其他 3 种控制策略。这是由于逻辑门限控制策略下的超级电容在前期过度放电,后期电机最大需求功率出现时超级电容储能已经不足、难以继续辅助供能,导致蓄电池在大电流放电的同时温度上升、SOC 下降,曲线出现明显拐点;不难发现,相较于优化前的模糊控制策略,采用改进遗传算法优化的模糊控制策略在性能上有明显提升。综上所述,以上两种曲线的一致性可以反应出基于改进遗传算法优化的模糊控制策略在分配复合电源需求功率上具有更强的灵活性,且对于电动拖拉机变化复杂的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 改进 遗传 算法 电动 拖拉机 复合 电源 优化 控制 策略 研究
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。