電動拖拉機復合電源系統研究

劉靜　孫閆

摘要 針對單一電源電動拖拉機田間復雜作業工況適應性差的問題，提出了一種基于鋰離子電池-超級電容的復合電源電動拖拉機，并對該復合電源的拓撲結構、參數匹配及功率分配策略進行了研究。綜合考慮控制復雜程度、成本、效率等因素，選取了超級電容半主動式拓撲結構。對鋰離子電池串聯數目和超級電容的容量進行了匹配，以達到電動拖拉機作業的能耗需求。針對電動拖拉機不同作業工況，提出了不同的功率分配策略，對于各電源部件的優勢發揮、整機能耗的減小、能源利用效率的提高都具有重要意義。

關鍵詞 復合能源;電動拖拉機;參數匹配;功率分配

中圖分類號 S219.4文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2020）11-0213-03

Abstract In order to solve the problem of poor adaptability of singlepower electric tractor under complex working conditions in the field， a new type of electric tractor with composite power supply based on lithiumion battery and supercapacitor was proposed. The topological structure， parameter matching and power distribution strategy of the hybrid energy storage system were studied. Considering the complexity， cost and efficiency of control， the semiactive topology of super capacitor was selected. The number of lithiumion batteries in series and the capacity of super capacitor were matched， so as to meet the energy consumption demand of electric tractor. According to different working conditions of the electric tractor， different power distribution strategies were put forward， which were of great significance for the advantages of the power components， the reduction of the energy consumption of the whole machine and the improvement of the energy utilization efficiency.

Key words Composite energy;Electric tractor;Parameter matching;Power distribution

隨著全球能源危機以及環境污染等問題的日益凸顯，各行各業都在加快研發制造節能、高效、環保的產品來滿足社會發展需求。電動拖拉機作為新一代興起的農業動力機械，因其多功能、污染小以及能夠減輕勞動強度等諸多優點，而越來越受到廣大農民的青睞。

國內外相關科研機構已研制出不同結構的電動拖拉機，并在整機性能、驅動系統設計和匹配、主要部件性能等方面開展了理論和試驗研究。與電動汽車一樣，電動拖拉機的電源及其管理技術也是研究的重點。目前已研制的電動拖拉機能量來源單一，如鋰離子電池、鉛酸蓄電池或鎳氫電池等。電動拖拉機在田間作業時，經常會遇到突變載荷，單一電源無法短時間內提供足夠大的功率來滿足需求，或者過度放電導致不可逆的損壞或縮短了使用壽命。超級電容具有高比功率的特點，能夠提供短時大功率，能夠大電流快速充放電。因此，將電池和超級電容聯合使用構成復合電源結構是一種有效的方案[1-2]，復合電源要比單一電源更能適應電動拖拉機的復雜作業工況。

筆者對電動拖拉機在典型作業工況下，基于鋰離子電池-超級電容的復合電源拓撲結構方案的制訂、參數的匹配及功率分配策略進行了研究，旨在為后續復合電源電動拖拉機仿真模型的建立和整機作業性能研究奠定基礎。

1 復合電源系統拓撲結構

超級電容可以在短時間內較大電流充放電，充放電速度極快，充放電時端電壓變化也極快。超級電容的端電壓跟隨荷電狀態而變化，充放電速度較快時會導致其端電壓變化較大。鋰離子電池在充放電時，端電壓變化較慢，端電壓的變化范圍也較小。因此，電動拖拉機在采用鋰離子電池-超級電容的復合電源結構時，不能將鋰離子電池和超級電容直接相連，需要利用DC/DC變換器可以穩壓的特點來協調鋰離子電池和超級電容的端電壓。電動拖拉機上主要采用橋式雙向DC/DC變換器，如圖1所示。該變換器輸出功率大，轉換效率高，適用于大功率場合。因此，復合電源由鋰離子電池、超級電容、DC/DC變換器組成，它們之間的拓撲結構會對復合電源的總體性能產生較大的影響。電池、超級電容、DC/DC變換器三者之間的拓撲結構主要有被動式、半主動式和全主動式3類[3-4]。

被動式復合電源拓撲結構如圖2所示。這種拓撲結構沒有使用DC/DC轉換器，電池和超級電容直接并聯，結構簡單，控制復雜度最小，系統性能較差，系統效率較高。這種結構要求超級電容和電池輸出到總線的電壓保持一致，超級電容只能在電池迅速變化時才能輸出或吸收功率，超級電容的輸出與輸入被動控制，其優勢沒有得到發揮。

半主動式復合電源拓撲結構主要包括電池半主動式和超級電容半主動式2種類型，如圖3所示。電池半主動式是電池與DC/DC轉換器串聯后再與超級電容并聯的一種拓撲結構。該種拓撲結構通過監測超級電容電壓變化來控制電池組的輸入和輸出，使之與超級電容保持一致，使得電池輸出相對平穩，免受短時大功率的沖擊，但超級電容是被動控制，無法協調超級電容電壓[5-7]。超級電容半主動式是超級電容與DC/DC轉換器串聯后，再與電池并聯的一種拓撲結構。該種拓撲結構通過監測電池組電壓控制超級電容的電壓，使之與動力電池保持一致。由于電池組電壓變化平緩，這將有利于超級電容的控制和能量利用[5-7]。

全主動式復合電源拓撲結構目前常用的一種類型如圖4所示。這是一種電池與超級電容分別與DC/DC轉換器串聯之后再并聯的一種結構。由于超級電容和電池分別與DC/DC轉換器串聯，控制器可以通過負載需求單獨對2種電源進行控制，控制最為復雜，系統性能最優，但同時帶來成本高、系統效率低等問題。

綜合考慮復合電源系統結構和控制復雜程度、成本、效率、性能、體積、重量等因素，最終選擇了超級電容半主動式拓撲結構，因為該種結構能夠發揮超級電容工作電壓變化范圍大、充放電時間短的優勢。

2 復合電源系統參數匹配

復合電源系統參數匹配是否合理，會影響到電動拖拉機一次充滿電連續作業時間以及電池循環使用壽命。

2.1 鋰離子電池參數匹配

電池參數匹配主要包括單體電壓、串并聯數目等。匹配時，首先確定電池的類型和單體額定電壓，然后設計電池的連接方式。在該研究中選擇的是中航鋰離子電池，單體額定電壓為3.2 V，采用全串聯的連接方式。確定以上參數后，電池的串聯個數選取主要考慮與電機額定電壓、電機峰值功率及一次充滿電連續作業時間匹配。2.2 超級電容參數匹配

該研究采用的是超級電容與DC/DC轉換器串聯后再與電池并聯的一種拓撲結構，因此在超級電容參數匹配時不需要考慮電壓平衡問題，主要匹配的參數是容量。結合電動拖拉機作業實際，超級電容容量的確定主要考慮拖拉機起步加速功率需求以及在作業過程中克服突變載荷所需要的短時大功率需求。由于突變載荷功率需求無法準確預測，此處將用電機的峰值功率來替代。超級電容的容量約束條件如下：

3 復合電源系統控制策略

電動拖拉機在田間作業時主要包括田間運輸轉移、旋耕和犁耕3種典型作業工況。通過將這3種典型作業工況進行比較發現，田間運輸轉移作業時電動拖拉機負荷最輕，能耗最低，犁耕作業時的負荷最重，能耗最高。該研究以一款3擋位的電動拖拉機為例，其設計的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ擋分別用于犁耕、旋耕和田間運輸作業，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ擋作業速度范圍分別為2～4、3～5和6～8 km/h。采用的復合電源控制總體思路如下：由于田間運輸工況能耗需求小，該工況下由鋰離子電池單獨提供功率和能量;犁耕和旋耕工況下均由鋰離子電池和超級電容共同提供功率和能量。與電動汽車不同，電動拖拉機在田間作業速度不高，也不會頻繁制動，所以無論哪個工況下均不考慮制動能量回收。

在犁耕工況下，采用模糊邏輯控制策略來協調鋰離子電池和超級電容的功率和能量分配。設計成三輸入單輸出的模糊控制策略，即根據電機需求功率Pr、鋰離子電池的SOCbat、超級電容的SOCsc，經過模糊判斷后輸出鋰離子電池組輸出功率占復合電源系統提供的總功率的比例因子Kbat，而超級電容輸出功率比例因子Kuc為1-Kbat[8]。總體設計思路[9]如下：

①當電機需求功率Pr較小或者適中時，此時SOCbat較大或者適中，則由鋰離子電池組單獨提供功率，超級電容不參與工作;若此時SOCbat較小，SOCsc較大，則主要由超級電容提供功率，鋰離子電池輔助供能;若SOCbat較小，SOCsc適中或者較小，則主要由鋰離子電池提供功率，超級電容輔助供能。

②當電機需求功率Pr較大時，由鋰離子電池和超級電容協同工作，若此時SOCbat和SOCsc都較大或者適中，則由二者同時提供能量，鋰離子電池輸出平均功率，超級電容提供峰值功率;若SOCbat較小，SOCsc較大或者適中，則降低Kbat，提高Kuc。值得注意的是，不能長時間在大功率需求下連續作業。

③若SOCbat和SOCsc都較低時，應該中斷當前作業并緩慢行駛到充電處及時進行充電，如果此時必須要放電也應該優先讓超級電容放電，避免鋰離子電池因過度放電而造成不可逆的損壞。

在旋耕作業工況下，采用確定規則控制策略來協調鋰離子電池和超級電容的功率和能量分配。設電機需求功率為Pr，鋰離子電池組實際輸出功率為Pb，超級電容實際輸出功率為Psc，鋰離子電池組可提供的最小功率為Pbmin，超級電容可提供功率為Psc_dis，電機需求電壓為Ureq，超級電容端電壓為Usc。制定旋耕工況下的控制策略[10]如下：當Pr≥Pbmin時，由鋰離子電池和超級電容共同提供能源，如果Psc_dis≥Pr-Pbmin，超級電容提供功率Psc=Pr-Pbmin，鋰離子電池組提供功率Pb=Pbmin;如果Psac_disUreq，那么鋰離子電池組僅向電機提供功率;如果Usc

4 結語

該研究以電動拖拉機的基于鋰離子電池-超級電容的復合電源系統為研究對象，對該復合電源系統的拓撲結構選取、參數的匹配及功率分配策略進行了研究。綜合考慮復合電源系統結構和控制復雜程度、成本、效率、性能、重量等因素，選取了合適的拓撲結構。從電機的額定電壓、峰值功率及連續作業時間的約束對鋰離子電池的串聯個數進行了匹配，從超級電容克服峰值功率需求對其容量進行了匹配。最后，針對電動拖拉機不同作業工況，制定了不同的功率分配策略，用以提高整機能耗利用率，延長電池使用壽命。該研究結果為后續復合電源電動拖拉機仿真模型的建立和整機作業性能研究奠定了基礎。

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