混合动力拖拉机动力电池系统设计.pdf

混合动力拖拉机动力电池系统设计薛占坡，赵心，王炜，刘孟楠，彭书广（智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ；洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 ；第一拖拉机股份有限公司大拖公司，河南 洛阳 ）摘要：基于一款拖拉机的高压动力系统，设计开发一种混合动力拖拉机动力电池系统。主要从整机能量需求、动力电池类型选择、高压安全性可靠性、电池能量管理与分配、系统使用验证等方面进行了阐述，通过最终试验验证，系统设计满足各项性能要求。关键词：动力电源；新能源；拖拉机中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；能源危机和环境危机是当前人类社会面临的两大挑战，汽车电动化具有节能、环保等特点，是当前汽车发展的方向。国内新能源汽车行业蓬勃发展，新能源成为各类道路车辆、农机、工程机械等众多行业竞相发展的赛道，农机企业纷纷在新能源领域开展研发和生产。根据当前新能源发展水平及关键部件性能限制的客观因素（如电池能量密度相对传统汽柴油低等），经过多年的摸索，在新能源农机发展模式上达成主要发展混合动力拖拉机的主流路线。而在该机型中，电源系统是整个能源系统的重要环节和技术关键点，也是整机研发的三大核心技术之一，其特性优劣决定了整车动力性及经济型的好坏。本文基于某新能源拖拉机能源系统的动力电源，从整机功能、能量管理、电气安全和结构可靠性等方面入手，设计动力电池总成。整机需求和系统设计动力电池系统的设计应当以满足拖拉机的整机性能要求为前提，综合考虑电池系统的性能、成本、安全性 、可靠性和可维护性等因素，进行电气和结构设计，动力电池系统设计流程（见图 ）包括：整机需求分析、系统功率设计、系统容量设计、策略设计、生产集成和试验验证改进等。整机需求主要分析电池系统在整机需求的定位，按照该款拖拉机的设计目标，电池系统作为高压驱动系统的辅助电源使用，即轻混蓄电用。整机 的功率，系统电量设定为约 ，整机驱动系额定工作电压平台为 ，整机设计参数需求如下（见表 ）。表 系统需求表 项目整机需求内容要求电池系统内容要求整机环境温度 工作温度 存储温度 存储温度 综合工况续航里程要求辅助额定容量（）能量密度（）防护等级 设计寿命 循环寿命 次 发电机控制器电压范围 电压范围 额定功率 额定电流 峰值功率 峰值电流 电机控制器电压范围 额定功率 峰值功率 收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，图 系统设计流程 动力电池系统主要包括电池包和高压配电箱（），电池包主要由电芯、模组、电池管理系统（）从控及采集装置、导电装置等部分组成。高压配电箱（）主要由继电器、熔断器、导电端子、传感器、电池管理系统（）主控及分流排等器件组成。图 高压箱（）控制原理 整机工作架构原理如图 所示，动力电池电源系统电气原理如图 所示。动力电池系统包括三个部分，分别为电池包（动力电池组和电池管理系统）、高压配电箱（）和负载，电池包为负载提供最终的能量源，完成能量的汇流和功率耦合，发电机和电机等作为负载。和电池包设计效果如图 和图 所示。图 整机工作架构原理 图 总成 图 电池包总成 动力电池系统传统的集成过程一般分为三步（见图 ），即为单体电芯（）分选、模组（薛占坡等：混合动力拖拉机动力电池系统设计 ）集成和系统（或 ）集成。当前较为先进技术如 （）或 （）则是在保证电池性能一致性和安全等设计可靠性的前提下，采取的集成技术。（）或 （）要求整机的结构布局较为成熟，开发成本较高，本方案作为前期研发方案，采用传统方式。其中，单体电芯（）构成动力电池模块的最小单元，一般由正极、负极、电解质、隔膜、外壳及端子（极端）等组合而成，可实现电能与化学能之间的直接转换。电池模组 模块（）即为单体电池通过串联和并联在物理结构和电路上连接起来构成动力电池包或最小分组，可作为一个单元替换。电池包（或 ）作为能量存储装置，包括单体或模块，通常还包括电池电子部件、高压电路、过流保护装置、电池箱以及其他外部系统（如冷却、高压、辅助低压和通讯等）的接口。图 电池集成过程 系统电气参数设计 系统参数设计通过对电源系统的整体需求和电池型号的匹配选型，系统选用充放电倍率较高的三元锂电池，单体电池容量为 ，采用 并 串（）配置，其他关键电气设计参数如表 所示。表 电池系统电气参数 项目技术指标电池类型三元锂电池单体标称容量 单体标称电压 系统可用能量（）串并联 系统标称容量 系统标称电压 系统电压范围 循环寿命 次 环境温度范围 持续充电电流 持续放电电流 峰值放电电流 加热低温加热 单体电池测试单体电芯常温倍率充电测试结果如图 所示，常温条件下，电池分别在 （）、（）、（）等不同充电倍率下，充电容量不低于标称容量的 。图 单体电芯倍率充电 单体电芯倍率放电测试结果如图 所示，常温条件下，电池分别在 （）、（）、（）、（）、（）等不同放电倍率下，放电容量满足不低于标称容量的 。图 单体电芯倍率放电 单体电芯循环测试 结果如图 所示，常温条件下，电池分别在 （）和 （）充电和放电倍率下，循环 次，容量保持率不低于标称容量的 。图 单体电芯循环测试 电池 曲线表征单体电芯在不同的电量（）百分比下对应的静态开路电压值，用于进行 电量校准，测试结果如图 所示。系统结构设计系统结构主要从以下方面进行设计。（）通用要求 ：系统要具有维护的方便性，在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施；电池箱应留拖拉机与农用运输车第 期 年 月有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础；所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。图 单体电池 曲线 （）机械强度系统要耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。（）安全要求电池箱防护等级不低于 ，人员触电防护应符合相关要求。电池管理系统设计 电池管理系统（）基本功能 的基本功能架构如图 所示，主要包括电池状态监测、电池状态分析、开关控制、能量管理、电池安全保护、通信管理、充电管理等功能。上述功能的实现依赖模块中的电池管理系统，通过电池单体电压监测、电池总电压监测、充放电电流监测、电池温度监测和其他信号监测，分析电池 （剩余电量）、（健康指数）和 （功率状态）等，结合既定的安全保护策略，控制充放电继电器或 管，实现充、放电管理，与充电机进行充电管理，为行走控制模块、割草控制模块提供能源。整个过程中，管理系统中 通信管理模块与整机的其他模块进行信息的交互与反馈。图 系统功能架构 基本性能要求 的性能满足电池系统的使用功能的同时，必须保证可靠性、准确性等要求，主要内容包括工作电压范围、使用和存储温度、单体采集精度、估算精度等，本项目选型 系统性能参数如表 所示。表 性能要求 项目性能要求工作电压范围 ，充电支持 唤醒工作温度范围 搁置温度范围 静态电流 单体电压采样精度 总电压采样精度 总电压检测范围 电流采样精度 ，电流检测范围 ）温度采样精度 （），（其他）估算精度 温度检测范围 产品试验验证及分析 系统试验产品分别进行了传动系及高压系统台架试验和整车牵引测试、热平衡测试、整机耕作试验等，如图 、图 所示。通过试验测试，电池系统在试验过程中充电、放电和加热等功能调试正常，满足设计要求。图 电源系统台架试验 图 整机耕地测试 薛占坡等：混合动力拖拉机动力电池系统设计 数据分析（）系统实时监控界面 上位机实时监控如图 所示，显示当前时刻系统总电压为 、瞬时电流为 、电池 为 ，最高电压 ，最低电压 等信息。图 系统上电界面 （）系统充电末端数据分析电池系统充电末端电压分布如图 所示，单体最高电压 ，最低电压 ，整体压差小于 ，低于设计要求中的 。同时，单体电压分布如图 所示，电压分布较为集中于中值 附近，电压分布较为集中，符合正态分布特性，一致性较好。图 充电末端电压分布 图 电压分布直方图 （）系统启动过程系统启动过程如图 所示，“”点时刻，预充继电器吸合，电池输出电压开始抬升（曲线“”），负载输入电压跟随抬升（曲线“”），“”点时刻，放电继电器吸合，到达“”后，系统电压抬升至额定 后，预充继电器断开，至此完成系统上电。图 启动过程 （）系统电流分析整机上电后如图 所示，根据控制策略，电池伴随负载及发电机变化处于充电、放电交替状态，随图 系统电流 （下转第 页）拖拉机与农用运输车第 期 年 月 结语（）利用 和 构建了压蔗辊 土壤 甘蔗模型，为进一步分析甘蔗收获机底部切割器切割甘蔗时对甘蔗产生的影响提供了数值模拟条件。（）利用所构建的模型，分别在采用压蔗辊和不采用压蔗辊的条件下进行了动力学仿真。通过有限元法对切割过程中的甘蔗进行受力分析，表明了在使用压蔗辊的情况下，切割过程中甘蔗的失效主要发生在切割区，其最大应力为 ，而甘蔗土壤界面产生的最大应力应为 ，减少了甘蔗在切割过程中在土壤界面折断的可能性。在切割时由于压蔗辊齿的分离作用减少了甘蔗间的接触，降低了由于甘蔗间的碰撞而导致的甘蔗折断的可能性，在切割后由于压蔗辊对甘蔗的限制进一步减少了甘蔗的旋转，减少了甘蔗的复合运动，降低了甘蔗的破坏和损失，说明压蔗辊对降低甘蔗破头率具有一定成效。参考文献：，：，（）：，：，（）：，：，（）：杨望，杨坚，刘增汉，等 入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验 农业工程学报，（）：，（），：，：（编辑张晓超檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷）（上接第 页）机截取整机工作 数据分析，电池系统平均电流 ，放电峰值电流 ，充电峰值电流 ，充电电流集中在 附近，放电电流集中在 附近，系统设计容量满足充放电电流需求。分析结论通过上述各阶段试验验证及数据分析，动力电源系统从整机功能、能量管理、系统电气和结构安全和可靠性等方面具能够满足设计要求，系统状态良好。结束语作为拖拉机的能源系统，整车电气性能和动力性能的好坏与电源系统密切相关，在项目开发中，进行电源系统深入的探究具备较高的借鉴价值和实际意义。本文将蓄电池作为整机的能源系统，在系统中主要用于启动，加速、爬坡和能量制动回收，实现整机能量常规使用及续航要求，故而电源的结构及电气控制设计具有较大的实用意义。参考文献：电动汽车安全要求第 部分：车载储能装置国家标准 北京：中国标准出版社，电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法 北京：中国标准出版社，电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法 北京：中国标准出版社，（编辑张晓超）作者简介：薛占坡（），男，主要从事方向为新能源拖拉机及电气控制研发设计研究。唐永治等：基于 的甘蔗收获机压蔗辊影响研究