《电动拖拉机复合电源系统》
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摘 要 针对单一电源电动拖拉机田间复杂作业工况适应性差的问题,提出了一种基于锂离子电池-超级电容的复合电源电动拖拉机,并对该复合电源的拓扑结构、参数匹配及功率分配策略进行了研究.综合考虑控制复杂程度、成本、效率等因素,选取了超级电容半主动式拓扑结构.对锂离子电池串联数目和超级电容的容量进行了匹配,以达到电动拖拉机作业的能耗需求.针对电动拖拉机不同作业工况,提出了不同的功率分配策略,对于各电源部件的优势发挥、整机能耗的减小、能源利用效率的提高都具有重要意义.
关键词 复合能源;电动拖拉机;参数匹配;功率分配
中图分类号 S219.4文献标识码 A文章编号 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
隨着全球能源危机以及环境污染等问题的日益凸显,各行各业都在加快研发制造节能、高效、环保的产品来满足社会发展需求.电动拖拉机作为新一代兴起的农业动力机械,因其多功能、污染小以及能够减轻劳动强度等诸多优点,而越来越受到广大农民的青睐.
国内外相关科研机构已研制出不同结构的电动拖拉机,并在整机性能、驱动系统设计和匹配、主要部件性能等方面开展了理论和试验研究.与电动汽车一样,电动拖拉机的电源及其管理技术也是研究的重点.目前已研制的电动拖拉机能量来源单一,如锂离子电池、铅酸蓄电池或镍氢电池等.电动拖拉机在田间作业时,经常会遇到突变载荷,单一电源无法短时间内提供足够大的功率来满足需求,或者过度放电导致不可逆的损坏或缩短了使用寿命.超级电容具有高比功率的特点,能够提供短时大功率,能够大电流快速充放电.因此,将电池和超级电容联合使用构成复合电源结构是一种有效的方案[1-2],复合电源要比单一电源更能适应电动拖拉机的复杂作业工况.
笔者对电动拖拉机在典型作业工况下,基于锂离子电池-超级电容的复合电源拓扑结构方案的制订、参数的匹配及功率分配策略进行了研究,旨在为后续复合电源电动拖拉机仿真模型的建立和整机作业性能研究奠定基础.
1 复合电源系统拓扑结构
超级电容可以在短时间内较大电流充放电,充放电速度极快,充放电时端电压变化也极快.超级电容的端电压跟随荷电状态而变化,充放电速度较快时会导致其端电压变化较大.锂离子电池在充放电时,端电压变化较慢,端电压的变化范围也较小.因此,电动拖拉机在采用锂离子电池-超级电容的复合电源结构时,不能将锂离子电池和超级电容直接相连,需要利用DC/DC变换器可以稳压的特点来协调锂离子电池和超级电容的端电压.电动拖拉机上主要采用桥式双向DC/DC变换器,如图1所示.该变换器输出功率大,转换效率高,适用于大功率场合.因此,复合电源由锂离子电池、超级电容、DC/DC变换器组成,它们之间的拓扑结构会对复合电源的总体性能产生较大的影响.电池、超级电容、DC/DC变换器三者之间的拓扑结构主要有被动式、半主动式和全主动式3类[3-4].
被动式复合电源拓扑结构如图2所示.这种拓扑结构没有使用DC/DC转换器,电池和超级电容直接并联,结构简单,控制复杂度最小,系统性能较差,系统效率较高.这种结构要求超级电容和电池输出到总线的电压保持一致,超级电容只能在电池迅速变化时才能输出或吸收功率,超级电容的输出与输入被动控制,其优势没有得到发挥.
半主动式复合电源拓扑结构主要包括电池半主动式和超级电容半主动式2种类型,如图3所示.电池半主动式是电池与DC/DC转换器串联后再与超级电容并联的一种拓扑结构.该种拓扑结构通过监测超级电容电压变化来控制电池组的输入和输出,使之与超级电容保持一致,使得电池输出相对平稳,免受短时大功率的冲击,但超级电容是被动控制,无法协调超级电容电压[5-7].超级电容半主动式是超级电容与DC/DC转换器串联后,再与电池并联的一种拓扑结构.该种拓扑结构通过监测电池组电压控制超级电容的电压,使之与动力电池保持一致.由于电池组电压变化平缓,这将有利于超级电容的控制和能量利用[5-7].
全主动式复合电源拓扑结构目前常用的一种类型如图4所示.这是一种电池与超级电容分别与DC/DC转换器串联之后再并联的一种结构.由于超级电容和电池分别与DC/DC转换器串联,控制器可以通过负载需求单独对2种电源进行控制,控制最为复杂,系统性能最优,但同时带来成本高、系统效率低等问题.
综合考虑复合电源系统结构和控制复杂程度、成本、效率、性能、体积、重量等因素,最终选择了超级电容半主动式拓扑结构,因为该种结构能够发挥超级电容工作电压变化范围大、充放电时间短的优势.
2 复合电源系统参数匹配
复合电源系统参数匹配是否合理,会影响到电动拖拉机一次充满电连续作业时间以及电池循环使用寿命.
2.1 锂离子电池参数匹配
电池参数匹配主要包括单体电压、串并联数目等.匹配时,首先确定电池的类型和单体额定电压,然后设计电池的连接方式.在该研究中选择的是中航锂离子电池,单体额定电压为3.2 V,采用全串联的连接方式.确定以上参数后,电池的串联个数选取主要考虑与电机额定电压、电机峰值功率及一次充满电连续作业时间匹配.2.2 超级电容参数匹配
该研究采用的是超级电容与DC/DC转换器串联后再与电池并联的一种拓扑结构,因此在超级电容参数匹配时不需要考虑电压平衡问题,主要匹配的参数是容量.结合电动拖拉机作业实际,超级电容容量的確定主要考虑拖拉机起步加速功率需求以及在作业过程中克服突变载荷所需要的短时大功率需求.由于突变载荷功率需求无法准确预测,此处将用电机的峰值功率来替代.超级电容的容量约束条件如下：
3 复合电源系统控制策略
电动拖拉机在田间作业时主要包括田间运输转移、旋耕和犁耕3种典型作业工况.通过将这3种典型作业工况进行比较发现,田间运输转移作业时电动拖拉机负荷最轻,能耗最低,犁耕作业时的负荷最重,能耗最高.该研究以一款3挡位的电动拖拉机为例,其设计的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ挡分别用于犁耕、旋耕和田间运输作业,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ挡作业速度范围分别为2～4、3～5和6～8 km/h.采用的复合电源控制总体思路如下：由于田间运输工况能耗需求小,该工况下由锂离子电池单独提供功率和能量;犁耕和旋耕工况下均由锂离子电池和超级电容共同提供功率和能量.与电动汽车不同,电动拖拉机在田间作业速度不高,也不会频繁制动,所以无论哪个工况下均不考虑制动能量回收.
在犁耕工况下,采用模糊逻辑控制策略来协调锂离子电池和超级电容的功率和能量分配.设计成三输入单输出的模糊控制策略,即根据电机需求功率Pr、锂离子电池的SOCbat、超级电容的SOCsc,经过模糊判断后输出锂离子电池组输出功率占复合电源系统提供的总功率的比例因子Kbat,而超级电容输出功率比例因子Kuc为1-Kbat[8].总体设计思路[9]如下：
①当电机需求功率Pr较小或者适中时,此时SOCbat较大或者适中,则由锂离子电池组单独提供功率,超级电容不参与工作;若此时SOCbat较小,SOCsc较大,则主要由超级电容提供功率,锂离子电池辅助供能;若SOCbat较小,SOCsc适中或者较小,则主要由锂离子电池提供功率,超级电容辅助供能.
②当电机需求功率Pr较大时,由锂离子电池和超级电容协同工作,若此时SOCbat和SOCsc都较大或者适中,则由二者同时提供能量,锂离子电池输出平均功率,超级电容提供峰值功率;若SOCbat较小,SOCsc较大或者适中,则降低Kbat,提高Kuc.值得注意的是,不能长时间在大功率需求下连续作业.
③若SOCbat和SOCsc都较低时,应该中断当前作业并缓慢行驶到充电处及时进行充电,如果此时必须要放电也应该优先让超级电容放电,避免锂离子电池因过度放电而造成不可逆的损坏.
在旋耕作业工况下,采用确定规则控制策略来协调锂离子电池和超级电容的功率和能量分配.设电机需求功率为Pr,锂离子电池组实际输出功率为Pb,超级电容实际输出功率为Psc,锂离子电池组可提供的最小功率为Pbmin,超级电容可提供功率为Psc_dis,电机需求电压为Ureq,超级电容端电压为Usc.制定旋耕工况下的控制策略[10]如下：当Pr≥Pbmin时,由锂离子电池和超级电容共同提供能源,如果Psc_dis≥Pr-Pbmin,超级电容提供功率Psc等于Pr-Pbmin,锂离子电池组提供功率Pb等于Pbmin;如果Psac_dis<Pr-Pbmin,那么超级电容提供功率Psc等于Psc_dis,锂离子电池组提供功率Pb等于Pr-Psc_dis.当Pr<Pbmin时,则由锂离子电池组单独提供能源,如果Usc>Ureq,那么锂离子电池组仅向电机提供功率;如果Usc<Ureq,那么锂离子电池组不仅向电机提供功率,而且还向超级电容提供功率,给超级电容充电.
4 结语
该研究以电动拖拉机的基于锂离子电池-超级电容的复合电源系统为研究对象,对该复合电源系统的拓扑结构选取、参数的匹配及功率分配策略进行了研究.综合考虑复合电源系统结构和控制复杂程度、成本、效率、性能、重量等因素,选取了合适的拓扑结构.从电机的额定电压、峰值功率及连续作业时间的约束对锂离子电池的串联个数进行了匹配,从超级电容克服峰值功率需求对其容量进行了匹配.最后,针对电动拖拉机不同作业工况,制定了不同的功率分配策略,用以提高整机能耗利用率,延长电池使用寿命.该研究结果为后续复合电源电动拖拉机仿真模型的建立和整机作业性能研究奠定了基础.
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