质量与位置不确定性下燃料电池拖拉机的参数设计方法

《World Electric Vehicle Journal》：Parameter Design Method for Fuel Cell Tractors Under Uncertainty of Mass and Position

　　

在初始设计阶段，拖拉机各部件（component）的质量与位置未知，导致无法准确获取参数。为解决该问题，研究人员提出了一种质量与位置协同优化方法（mass and position co-optimization method）。首先，采用配重设计方法（counterweight design method）确保拖拉机的牵引性能与作业稳定性。其次，在满足功率需求的前提下，应用动力部件设计方法（power component design method）匹配燃料电池（fuel cell）与电机（motor）。然后，采用储能部件设计方法（energy storage component design method）计算所需的氢罐（hydrogen tank）与电池（battery）。最后，利用遗传算法（genetic algorithm）集成上述三种方法，形成质量与位置协同优化方法。为验证该方法的合理性，研究人员在犁耕工况（plowing conditions）下进行了仿真验证。结果表明：与规则设计方法（rule design method）相比，采用该方法后，燃料电池拖拉机的使用质量（using mass）与等效氢耗（equivalent hydrogen consumption）分别降低了4.37%和3.59%，质心（centroid）向后移动了0.1 m。该方法避免了因质量与位置未知导致的参数设计不合理。

论文解读：

传统柴油拖拉机在农业生产中存在高能耗、严重废气污染及噪声大等问题，威胁环境与生态健康。氢能作为丰富可回收的零碳燃料，正成为替代化石能源的关键载体，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高能量密度、高效率及近零排放等优势，在交通运输领域备受关注。然而，燃料电池拖拉机的开发与应用仍面临成本与关键技术挑战。与柴油拖拉机相比，燃料电池动力系统拖拉机具有高效、低污染、运行平稳及低噪声等优点，但设计初期各部件质量与空间位置未知，导致参数获取困难。现有研究虽涉及拖拉机质量优化（如最小使用质量设计、配重调整）及部件位置优化（如电池位置对稳定性的影响），但多忽略质量与位置的协同作用，且缺乏对燃料电池拖拉机动力系统整体参数设计的系统方法。因此，研究人员开展本研究旨在填补质量与位置不确定性下燃料电池拖拉机动力系统参数设计的空白，通过协同优化降低使用质量并提升经济性。论文发表在《World Electric Vehicle Journal》。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：（1）配重设计方法，通过迭代计算前轴载荷分布系数和驱动轮滑转率，确定前后配重质量，在最小化配重下保证牵引性能与稳定性；（2）储能部件设计方法，基于瞬时优化算法分配双电机转矩，以能量消耗为目标函数优化氢罐和电池容量，得到最小等效氢耗；（3）动力部件设计方法，根据犁耕工况下的功率指标约束，通过功率密度计算电机与燃料电池质量；（4）遗传算法，集成上述三种方法，生成包含氢罐、电池、燃料电池和电机位置及初始质量的种群，经迭代优化输出最终参数。仿真基于Matlab 2024a平台，采用犁耕工况（平均阻力9.43 kN，平均速度7.11 km/h，仿真时间600 s），参考模型为潍坊海钦拓普机械有限公司的HQ2204拖拉机底盘布局与参数。

研究结果如下：

（1）**双电机输出功率与效率**：通过仿真对比，质量与位置协同优化方法（以下简称优化方法）下双电机平均输出功率为12.92 kW和15.34 kW，效率分别为91.81%和92.12%；规则设计方法（以下简称规则方法）下双电机平均输出功率为14.32 kW，效率为91.62%。优化方法使双电机总功率降低1.33%，效率分别提高0.50%和0.19%。该结论基于对能量存储部件、动力部件及配重的优化，使使用质量更合理，并通过位置设计降低驱动轮滑转率。

（2）**燃料电池与电池输出功率**：优化方法下燃料电池与电池平均输出功率分别为29.64 kW和1.02 kW，规则方法下分别为30.14 kW和1.07 kW。优化方法使燃料电池与电池平均输出功率分别降低1.66%和4.67%。

（3）**燃料电池效率**：优化方法下平均燃料电池效率为49.19%，规则方法为48.24%。优化方法通过降低各部件质量并提升牵引性能，使燃料电池在高效区运行，效率提高0.95%。

（4）**滑转率**：优化方法下拖拉机滑转率为16.57%，规则方法为17.04%。优化方法通过后移部件质心（提高后轴载荷），使滑转率降低0.47%。该结论源于部件位置优化后后轴载荷增加。

（5）**能量损失**：优化方法下传动能量损失、滑转能量损失和滚动能量损失分别为13.57 kWh、14.18 kWh和12.81 kWh；规则方法对应值为13.75 kWh、14.87 kWh和13.49 kWh。优化方法通过优化各部件质量与位置，使三种能量损失分别降低1.31%、4.64%和5.04%。

（6）**等效氢耗**：优化方法下拖拉机等效氢耗为307.38 g，规则方法为318.84 g。优化方法降低氢耗3.59%。

（7）**部件质量与位置**：优化方法下使用质量、电池质量、电机质量、燃料电池质量、氢罐质量、前配重和后配重分别为2593.55 kg、21.95 kg、33.36 kg、68.93 kg、272.61 kg、50.01 kg和146.68 kg；规则方法对应值为2712.15 kg、23.07 kg、33.58 kg、69.38 kg、282.71 kg、92.29 kg和211.13 kg。优化方法使使用质量降低4.37%，各部件质量分别降低4.85%、0.66%、0.66%、3.57%、45.81%和30.53%。电池、电机、燃料电池和氢罐的纵向坐标分别后移0.34 m、0.02 m、0.25 m和0.32 m，拖拉机质心后移0.10 m。

总结讨论：规则方法基于经验添加较大配重，未优化部件质量与位置，导致使用质量增大，轴载转移无法使驱动轮发挥足够牵引性能，滚动、滑转和传动能量损失显著增加。优化方法使拖拉机在提供足够牵引性能的同时，实现更低的总质量及更靠后的质心位置，有效提升能量利用效率。

结论部分翻译：为在设计燃料电池拖拉机参数时考虑质量与空间位置未知情况下的使用质量与经济性，本文提出了一种质量与位置协同优化方法。该方法有效集成了配重设计方法、储能部件设计方法、动力部件设计方法与遗传算法。配重设计方法解决了以最小配重保证拖拉机牵引性能与作业稳定性的问题；储能部件设计方法计算了特定工况下燃料电池拖拉机所需氢罐与电池参数；动力部件设计方法在满足功率需求的同时匹配了相应的燃料电池与电机参数；遗传算法优化了各部件的空间位置并集成上述方法。该方法实现了动力部件、储能部件与配重的协同优化，避免了因质量与空间位置未知导致的参数设计不合理。使用质量的降低直接转化为更低的作业能量消耗和燃油成本，同时前后配重的大幅减少缓解了轮胎的高负荷负担，降低了维护费用。较低的使用质量与配重有利于保持农田土壤的透气性与保水性，减轻对深层土壤结构的不利影响。此外，拖拉机轻量化与燃料电池高效运行的结合从源头减少了作业过程的碳排放，符合绿色农业与碳中和的长期发展目标。为验证所提方法的有效性，研究人员开发了规则设计方法作为对照，并通过仿真进行了比较。主要结果如下：（1）与规则方法相比，优化方法使拖拉机使用质量降低4.37%，电池、电机、燃料电池、氢罐、前配重和后配重质量分别降低4.85%、0.66%、0.66%、3.57%、45.81%和30.53%。（2）电池、电机、燃料电池和氢罐的纵向坐标分别后移0.34 m、0.02 m、0.25 m和0.32 m，拖拉机质心后移0.10 m。（3）燃料电池和电机输出功率分别降低1.66%和1.33%，驱动轮滑转率降低0.47%。因此，拖拉机的传动能量损失、滑转能量损失和滚动能量损失分别降低1.31%、4.64%和5.04%，最终等效氢耗降低3.59%，提高了拖拉机能效。本文的优化设计是在燃料电池初始健康状态下进行的，但实际长期运行中燃料电池难免发生性能退化。未来研究计划将明确纳入燃料电池退化动力学到设计框架中，并优先开展拖拉机测试。同时，后轴土壤压实是需要独立评估的指标，未来原型验证将将其与拖拉机整体质量和前轴压实一同纳入综合评价体系。