雙能源電動拖拉機電源部件的模型研究

劉靜， 孫閆

（1.南京交通職業技術學院 汽車工程學院，南京211188；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013）

0 引 言

小型電動拖拉機具有能源使用效率高、噪聲低、對農作物生長環境無污染、靈活方便等優點，是現代農業機械的新一代重要動力裝備。從20世紀70年代開始，美國、加拿大、英國、日本和意大利等國就紛紛開展車載電源電動拖拉機的研制[1-4]。國內對電動拖拉機的研究相對起步較晚，近幾年也有高校和科研院所針對溫室用的小型電動拖拉機開展研究[5-7]。

由于受到土壤含水量、容重、密度及可塑性等特性的影響，電動拖拉機在田間作業時的負載特性具有較大的隨機性和不可預測性。鑒于此，采用鋰離子電池-超級電容的雙能源結構是一個不錯的選擇。本文主要對采用雙能源電動拖拉機的主要電源部件，即鋰離子電池和超級電容的等效電路模型、參數辨識及仿真模型開展了相應的研究。

1 鋰離子電池模型研究

1.1 鋰離子電池等效電路模型

鋰離子電池常用的等效電路模型有Rint 模型、Theveini模型、PNGV模型及GNL模型等。越復雜、精度越好的模型運行也越復雜，對硬件的要求也越高。因此，根據實際需要，本文選擇Theveini模型。Theveini模型也稱為一階RC模型，含1個電壓源、1個串聯內阻和1個RC并聯電路，如圖1所示。

圖1 Theveini模型

1.2 鋰離子電池等效電路模型參數辨識

鋰離子電池等效電路模型中Voc、R0、R1和C1等參數隨電池溫度T和荷電狀態SOC變化而變化，很難用數學模型精確表達，對試驗數據進行曲線擬合或者插值的方法來獲得。圖2所示為某公司100 A·h、3.2 V的磷酸鐵鋰離子電池各參數在不同溫度下隨SOC變化的曲線。

1.3 鋰離子電池仿真模型

在Matlab/Simulink中建立基于Theveini等效電路的鋰離子電池仿真模型。該仿真模型包括鋰離子電池組的開路電壓和內阻計算子模塊、功率限制子模塊、SOC估算子模塊、工作電壓和電流計算子模塊及結束停止模塊等，如圖3所示。

1.3.1 開路電壓和內阻計算子模塊

圖13 超級電容SOC估算子模塊

3 結 語

圖15 超級電容內阻仿真模型

圖16 超級電容工作電流和電壓子模塊

本文以雙能源電動拖拉機的鋰離子電池與超級電容為研究對象。根據電動拖拉機的實際作業工況，選擇適當精度的鋰離子電池和超級電容等效電路模型，并對等效電路模型中的各參數進行了辨識。最后，在MATLAB/Simulink中將鋰離子電池和超級電容的數學模型轉換為仿真模型，為下一步電動拖拉機的雙能源結構方案制訂及能量管理策略研究打下基礎。