劉靜　孫閆

摘要 針對單一電源電動拖拉機(jī)田間復(fù)雜作業(yè)工況適應(yīng)性差的問題，提出了一種基于鋰離子電池-超級電容的復(fù)合電源電動拖拉機(jī)，并對該復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配及功率分配策略進(jìn)行了研究。綜合考慮控制復(fù)雜程度、成本、效率等因素，選取了超級電容半主動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對鋰離子電池串聯(lián)數(shù)目和超級電容的容量進(jìn)行了匹配，以達(dá)到電動拖拉機(jī)作業(yè)的能耗需求。針對電動拖拉機(jī)不同作業(yè)工況，提出了不同的功率分配策略，對于各電源部件的優(yōu)勢發(fā)揮、整機(jī)能耗的減小、能源利用效率的提高都具有重要意義。

關(guān)鍵詞 復(fù)合能源;電動拖拉機(jī);參數(shù)匹配;功率分配

中圖分類號 S219.4文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)以及環(huán)境污染等問題的日益凸顯，各行各業(yè)都在加快研發(fā)制造節(jié)能、高效、環(huán)保的產(chǎn)品來滿足社會發(fā)展需求。電動拖拉機(jī)作為新一代興起的農(nóng)業(yè)動力機(jī)械，因其多功能、污染小以及能夠減輕勞動強(qiáng)度等諸多優(yōu)點，而越來越受到廣大農(nóng)民的青睞。

國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已研制出不同結(jié)構(gòu)的電動拖拉機(jī)，并在整機(jī)性能、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(jī)的電源及其管理技術(shù)也是研究的重點。目前已研制的電動拖拉機(jī)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(jī)在田間作業(yè)時，經(jīng)常會遇到突變載荷，單一電源無法短時間內(nèi)提供足夠大的功率來滿足需求，或者過度放電導(dǎo)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(lián)合使用構(gòu)成復(fù)合電源結(jié)構(gòu)是一種有效的方案[1-2]，復(fù)合電源要比單一電源更能適應(yīng)電動拖拉機(jī)的復(fù)雜作業(yè)工況。

筆者對電動拖拉機(jī)在典型作業(yè)工況下，基于鋰離子電池-超級電容的復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案的制訂、參數(shù)的匹配及功率分配策略進(jìn)行了研究，旨在為后續(xù)復(fù)合電源電動拖拉機(jī)仿真模型的建立和整機(jī)作業(yè)性能研究奠定基礎(chǔ)。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超級電容可以在短時間內(nèi)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(tài)而變化，充放電速度較快時會導(dǎo)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(jī)在采用鋰離子電池-超級電容的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)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(wěn)壓的特點來協(xié)調(diào)鋰離子電池和超級電容的端電壓。電動拖拉機(jī)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(zhuǎn)換效率高，適用于大功率場合。因此，復(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)會對復(fù)合電源的總體性能產(chǎn)生較大的影響。電池、超級電容、DC/DC變換器三者之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有被動式、半主動式和全主動式3類[3-4]。

被動式復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有使用DC/DC轉(zhuǎn)換器，電池和超級電容直接并聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單，控制復(fù)雜度最小，系統(tǒng)性能較差，系統(tǒng)效率較高。這種結(jié)構(gòu)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(yōu)勢沒有得到發(fā)揮。

半主動式復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與超級電容并聯(lián)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過監(jiān)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(wěn)，免受短時大功率的沖擊，但超級電容是被動控制，無法協(xié)調(diào)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(zhuǎn)換器串聯(lián)后，再與電池并聯(lián)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過監(jiān)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(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器串聯(lián)之后再并聯(lián)的一種結(jié)構(gòu)。由于超級電容和電池分別與DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，控制器可以通過負(fù)載需求單獨對2種電源進(jìn)行控制，控制最為復(fù)雜，系統(tǒng)性能最優(yōu)，但同時帶來成本高、系統(tǒng)效率低等問題。

綜合考慮復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為該種結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮超級電容工作電壓變化范圍大、充放電時間短的優(yōu)勢。

2 復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配

復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配是否合理，會影響到電動拖拉機(jī)一次充滿電連續(xù)作業(yè)時間以及電池循環(huán)使用壽命。

2.1 鋰離子電池參數(shù)匹配

電池參數(shù)匹配主要包括單體電壓、串并聯(lián)數(shù)目等。匹配時，首先確定電池的類型和單體額定電壓，然后設(shè)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(lián)的連接方式。確定以上參數(shù)后，電池的串聯(lián)個數(shù)選取主要考慮與電機(jī)額定電壓、電機(jī)峰值功率及一次充滿電連續(xù)作業(yè)時間匹配。2.2 超級電容參數(shù)匹配

該研究采用的是超級電容與DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與電池并聯(lián)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此在超級電容參數(shù)匹配時不需要考慮電壓平衡問題，主要匹配的參數(shù)是容量。結(jié)合電動拖拉機(jī)作業(yè)實際，超級電容容量的確定主要考慮拖拉機(jī)起步加速功率需求以及在作業(yè)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(zhǔn)確預(yù)測，此處將用電機(jī)的峰值功率來替代。超級電容的容量約束條件如下：

3 復(fù)合電源系統(tǒng)控制策略

電動拖拉機(jī)在田間作業(yè)時主要包括田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、旋耕和犁耕3種典型作業(yè)工況。通過將這3種典型作業(yè)工況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，田間運(yùn)輸轉(zhuǎn)移作業(yè)時電動拖拉機(jī)負(fù)荷最輕，能耗最低，犁耕作業(yè)時的負(fù)荷最重，能耗最高。該研究以一款3擋位的電動拖拉機(jī)為例，其設(shè)計的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ擋分別用于犁耕、旋耕和田間運(yùn)輸作業(yè)，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ擋作業(yè)速度范圍分別為2～4、3～5和6～8 km/h。采用的復(fù)合電源控制總體思路如下：由于田間運(yùn)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(jī)在田間作業(yè)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(xié)調(diào)鋰離子電池和超級電容的功率和能量分配。設(shè)計成三輸入單輸出的模糊控制策略，即根據(jù)電機(jī)需求功率Pr、鋰離子電池的SOCbat、超級電容的SOCsc，經(jīng)過模糊判斷后輸出鋰離子電池組輸出功率占復(fù)合電源系統(tǒng)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]?？傮w設(shè)計思路[9]如下：

①當(dāng)電機(jī)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(dāng)電機(jī)需求功率Pr較大時，由鋰離子電池和超級電容協(xié)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(xù)作業(yè)。

③若SOCbat和SOCsc都較低時，應(yīng)該中斷當(dāng)前作業(yè)并緩慢行駛到充電處及時進(jìn)行充電，如果此時必須要放電也應(yīng)該優(yōu)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(yè)工況下，采用確定規(guī)則控制策略來協(xié)調(diào)鋰離子電池和超級電容的功率和能量分配。設(shè)電機(jī)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(jī)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(dāng)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(jī)提供功率;如果Usc

4 結(jié)語

該研究以電動拖拉機(jī)的基于鋰離子電池-超級電容的復(fù)合電源系統(tǒng)為研究對象，對該復(fù)合電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取、參數(shù)的匹配及功率分配策略進(jìn)行了研究。綜合考慮復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜程度、成本、效率、性能、重量等因素，選取了合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從電機(jī)的額定電壓、峰值功率及連續(xù)作業(yè)時間的約束對鋰離子電池的串聯(lián)個數(shù)進(jìn)行了匹配，從超級電容克服峰值功率需求對其容量進(jìn)行了匹配。最后，針對電動拖拉機(jī)不同作業(yè)工況，制定了不同的功率分配策略，用以提高整機(jī)能耗利用率，延長電池使用壽命。該研究結(jié)果為后續(xù)復(fù)合電源電動拖拉機(jī)仿真模型的建立和整機(jī)作業(yè)性能研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秋娜.多動力源混合起重機(jī)系統(tǒng)仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[2] 周開文.電動汽車復(fù)合電源關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 王琪，孫玉坤，陳坤華，等.半主動式結(jié)構(gòu)的蓄電池-超級電容器復(fù)合電源[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（4）：428-433.

[4] 尚彤，崔學(xué)深，徐明榮，等.蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)放電控制策略[J].電源技術(shù)，2017，41（4）：595-597，637.

[5] 高建平，趙金寶，葛堅，等.插電式混合動力汽車車載復(fù)合電源功率分配策略研究[J].圖學(xué)學(xué)報，2015，36（4）：603-608.

[6] 楊培剛，周育才，劉志強(qiáng)，等.基于ADVISOR的純電動汽車復(fù)合電源建模與仿真[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2015，30（3）：66-71.

[7] 吳曉剛，侯維祥，帥志斌，等.電動汽車復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率分配優(yōu)化研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2017，21（11）：110-120.

[8] 夏長高，孫閆，周雯雯.雙電源電動拖拉機(jī)能量管理仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019，41（1）：234-240.

[9] 孫閆.基于超級電容輔能的純電動拖拉機(jī)能量管理的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[10] 馬超群，曹喜生.電動汽車復(fù)合電源的能量控制系統(tǒng)研究[J].自動化與儀表，2017，32（10）：31-35.