薛劭帥， 蔡宗平， 李慶， 楊崇山， 劉威， 李光林

西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715

我國丘陵山地占全國耕地總面積的2/3以上,地塊狹小且分散,不能滿足大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)和轉(zhuǎn)移的條件,微耕機(jī)是現(xiàn)階段不可或缺的農(nóng)業(yè)機(jī)械[1-2].電動微耕機(jī)是一種新型農(nóng)用作業(yè)機(jī)具,具有體積小、 質(zhì)量輕、 好操作、 輕便靈活、 作業(yè)過程振動小、 噪聲低、 無廢氣排放、 維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)難度較低等優(yōu)點(diǎn),是解決設(shè)施農(nóng)業(yè)、 園藝、 果園與茶園中傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械所造成的能源和環(huán)保問題的有效途徑之一.同時(shí),在對環(huán)境要求較高的農(nóng)業(yè)作業(yè)中,電動微耕機(jī)相比內(nèi)燃機(jī)微耕機(jī)具有更廣闊的應(yīng)用前景,是未來農(nóng)業(yè)機(jī)械“綠色化”研究的重要方向[3]．

鋰電池組是電動微耕機(jī)的核心部件,現(xiàn)有鋰電池電動微耕機(jī)在田間旋耕作業(yè)時(shí),由于不同地理位置土壤的含水量、 容重、 密度等特性存在差異,土壤堅(jiān)硬松軟程度不同,土壤中還存在石塊、 根莖等工況會使電動微耕機(jī)作業(yè)時(shí)受力不均勻、 扭矩變化大,作業(yè)時(shí)的負(fù)載特性具有較大的隨機(jī)性和不可預(yù)測性．

在南方丘陵山區(qū),農(nóng)忙時(shí)期環(huán)境溫度高于35 ℃很常見,溫室大棚等封閉環(huán)境溫度更高,電動微耕機(jī)鋰電池組發(fā)熱最高溫度可達(dá)70 ℃以上,遠(yuǎn)超鋰離子電池適宜工作溫度上限(40 ℃)[4].大電流放電會引起電池本體化學(xué)反應(yīng)熱、 極化反應(yīng)熱、 焦耳熱增加,電池溫度也會增加,如果不及時(shí)控制電池組電流輸出大小,很容易引起電池組內(nèi)部的熱量堆積、 單體電池間不一致性增大、 熱失控等問題,導(dǎo)致電動微耕機(jī)鋰電池組壽命下降、 容量衰減過快、 安全性降低,甚至威脅到使用人員安全[5].而且,電池迅速老化會使電池?zé)o法滿足電動微耕機(jī)的瞬時(shí)大功率需求,造成農(nóng)機(jī)裝備動力性變差,對電動微耕機(jī)生產(chǎn)效率造成不利的影響.同時(shí),電池組壽命衰減使電動微耕機(jī)在其使用周期內(nèi)需要多次更換鋰電池,導(dǎo)致了使用成本大幅增加,制約了電動微耕機(jī)的普及和發(fā)展,因此電池的充放電特性為復(fù)合電源系統(tǒng)的提出和使用奠定了理論基礎(chǔ)[6-9]．

我國對電動微耕機(jī)的研究已經(jīng)超過20年,但研究多集中在整機(jī)布局、 結(jié)構(gòu)分析和作業(yè)功能拓展等方面,對于以復(fù)合電源為動力的微耕機(jī)相關(guān)研究報(bào)道還極為少見[1-3]．

在上述背景下,為了減小電池組的功率負(fù)擔(dān)、 延長其使用壽命、 提高電動微耕機(jī)使用中電池組的安全性,將比功率高的超級電容與比能量高的磷酸鐵鋰電池結(jié)合作為微耕機(jī)的動力源,匹配高效的能量管理控制策略,以此提高電動微耕機(jī)的續(xù)航能力、 安全性和工作效率,推動電動微耕機(jī)在丘陵山區(qū)的推廣應(yīng)用和我國電動微耕機(jī)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展．

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源電動微耕機(jī)主要由磷酸鐵鋰電池組、 超級電容器、 電動機(jī)、 電機(jī)控制器、 減速器、 機(jī)架、 旋耕裝置、 限深桿及控制系統(tǒng)組成.控制系統(tǒng)包括STM32F103ZET6單片機(jī)、 雙向DC/DC變換器、 霍爾電流傳感器、 電壓傳感器、 庫侖計(jì)等.電機(jī)采用永磁無刷直流電機(jī),傳動方式是錐齒輪傳動.本機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型為半主動式構(gòu)型,即超級電容器與雙向DC/DC變換器串聯(lián)再與磷酸鐵鋰電池組并聯(lián)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu).復(fù)合電源電動微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,復(fù)合電源電動微耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1．

1. 電源開關(guān)； 2. 磷酸鐵鋰電池組； 3. 限深桿； 4. 電機(jī)控制器； 5. 雙向DC/DC變換器； 6. 電流傳感器； 7. 擋泥板； 8. 旋耕刀； 9. 支撐架； 10. 減速器； 11. 無刷直流電動機(jī)； 12. 控制模塊(內(nèi)含單片機(jī)、 電壓傳感器、 庫侖計(jì)、 降壓模塊等)； 13. 報(bào)警燈； 14. 超級電容器； 15. 調(diào)速旋鈕．圖1 復(fù)合電源電動微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

表1 復(fù)合電源電動微耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

復(fù)合電源電動微耕機(jī)進(jìn)入田間工作后,主控制器對電流傳感器采集的工況信號進(jìn)行處理,判斷電機(jī)需求電流Im和設(shè)定電流閾值Ih的大小關(guān)系,同時(shí)結(jié)合電壓傳感器和庫侖計(jì)采集到的狀態(tài)參數(shù)綜合判斷磷酸鐵鋰電池組和超級電容模組兩者的能量狀態(tài),然后按照邏輯門限控制策略合理分配二者的能量輸出,實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池組基本平穩(wěn)放電,達(dá)到保護(hù)鋰電池的目的.電動微耕機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)控制原理如圖2所示．

圖中Soc，sc，Soc，bat分別表示超級電容器荷電狀態(tài),電池荷電狀態(tài)； Ibat表示電池輸出電流,Im表示電機(jī)需求電流,Isc表示超級電容器輸出電流,Pbat表示電池輸出功率,Pm表示電機(jī)需求功率,Psc表示超級電容器輸出功率,Usc表示超級電容器電壓,RS485表示485通訊．圖2 復(fù)合電源系統(tǒng)控制原理圖

2 主要部件選型與參數(shù)匹配

2.1 電機(jī)選型及參數(shù)計(jì)算

根據(jù)電動微耕機(jī)作業(yè)環(huán)境及自身特點(diǎn),選用以電子換向取代傳統(tǒng)機(jī)械換向的無刷直流電機(jī),其使用壽命較長、 負(fù)荷效率較高、 轉(zhuǎn)動慣量較低、 工作噪聲較小、 控制性能較好,電機(jī)功率大小根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[10]：

(1)

其中PN為電動機(jī)額定功率,kW；K為電動機(jī)功率儲備系數(shù)；Pf為電動微耕機(jī)作業(yè)時(shí)所需功率,kW；ηT為電動微耕機(jī)傳動效率； 旋耕刀切削土壤所消耗的功率可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[10]：

Pf=0.1KλHBv

(2)

其中H為電動微耕機(jī)作業(yè)的耕地深度,取H=15 cm；B為電動微耕機(jī)作業(yè)的耕寬,取B=0.6 m；v為電動微耕機(jī)耕作時(shí)的前進(jìn)速度,取v=0.3 m/s；Kλ為旋耕比阻,N/cm2．

Kλ=KgK1K2K3K4

(3)

其中Kg為旋耕比阻修正系數(shù),K1為耕深修正系數(shù),K2為土壤含水率修正系數(shù),K3為殘茬植被修正系數(shù),K4為作業(yè)方式修正系數(shù).根據(jù)丘陵山區(qū)耕作條件,查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[10],可取K1=0.8,K2=0.95,K3=0. 8,K4=0.66,Kg=10 N/cm2,帶入式(3)中,計(jì)算可得Kλ=4 N/cm2,將Kλ，H，B，v的值帶入式(2)中可計(jì)算得到Pf=1.08 kW,考慮到電動微耕機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,取電動機(jī)的功率儲備系數(shù)K=1.1,因?yàn)閭鲃硬捎缅F齒輪傳動方式,精度與傳動效率較高,取ηT=0.8,代入式(1)中可得：PN≥1.485 kW.因此,選擇尤奈特BM1424ZXF永磁無刷直流電機(jī),額定功率為1.5 kW,額定電壓為48 V．

2.2 電池選型及參數(shù)計(jì)算

本文選用磷酸鐵鋰電池組作為整機(jī)動力來源,其優(yōu)點(diǎn)是比普通鉛酸電池有更高的能量密度,熱穩(wěn)定性和安全性優(yōu)于三元鋰電池.對于鋰電池組的數(shù)量,主要由在作業(yè)過程中電動機(jī)需輸出的最大功率和電動微耕機(jī)連續(xù)作業(yè)的時(shí)間來確定,磷酸鐵鋰電池組所需的數(shù)量最小為[11-13]：

n=max(n1,n2)

(4)

其中：n1為在作業(yè)過程中電動機(jī)輸出最大功率時(shí)所需的鋰電池?cái)?shù)量；n2為整機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間所需的鋰電池?cái)?shù)量．

(5)

其中：PN，max為電動機(jī)需輸出的最大功率,本文取3 kW；Pb，max為單個(gè)鋰電池所能提供的最大功率,kW；ηmc為電機(jī)及控制器正常工作時(shí)的整體效率,本文取為90%．

(6)

其中：Tmin為整機(jī)作業(yè)持續(xù)時(shí)間,按照一次作業(yè)時(shí)間取3 h；PN為電動機(jī)額定功率,kW；W為單個(gè)鋰電池組所需釋放的電能,kW·h．

根據(jù)上式,選擇兩塊能量型磷酸鐵鋰電池模塊串聯(lián)而成的電池包作為動力源,每塊電池額定電壓24 V,額定能量2.4 kW·h,額定容量100 Ah．

2.3 雙向DC/DC選型

在復(fù)合電源系統(tǒng)中,超級電容和磷酸鐵鋰電池分別發(fā)揮高比功率和高比能量的優(yōu)勢,但磷酸鐵鋰電池和超級電容的充放電特性差異較大,兩者組合使用將會出現(xiàn)電壓不匹配等問題.在復(fù)合電源系統(tǒng)中引入雙向DC/DC變換器,利用其對磷酸鐵鋰電池和超級電容的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào),同時(shí)對超級電容的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制.雙向DC/DC變換器的兩端輸入輸出電壓極性不變,但電流的流動方向卻可以改變,從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動,相當(dāng)于將兩個(gè)單向變換器并聯(lián)運(yùn)行,大大減少了系統(tǒng)的體積和成本.本文選用清馳科技全數(shù)字雙向DC/DC變換器,該變換器采用非隔離式雙向Buck/Boost雙象限結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)化效率高,輸出電壓可根據(jù)用戶需求靈活可調(diào),輸入側(cè)兼容超級電容及磷酸鐵鋰電池組,通過標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議的RS485 接口實(shí)現(xiàn)與主控制器通信．

2.4 超級電容選型及參數(shù)匹配

超級電容具有電容量大、 比功率高、 工作溫度范圍廣、 可進(jìn)行大電流充放電、 充電時(shí)間短、 壽命長等優(yōu)點(diǎn),但由于其能量密度較小,無法大量存儲能量,故單獨(dú)使用受到一定限制.超級電容的充放電特性和容量特性決定了超級電容器在大電流放電時(shí)容量并沒有減小,超級電容作為復(fù)合電源系統(tǒng)的輔助能量源,可在工程機(jī)械大功率負(fù)載時(shí)提供峰值功率,對鋰電池進(jìn)行保護(hù),使鋰電池盡量工作在較理想的放電狀態(tài).當(dāng)超級電容與鋰電池的端電壓比值越接近時(shí),雙向DC/DC變換器越容易達(dá)到更高的交換效率,且當(dāng)兩者端電壓值越接近時(shí),超級電容越能更好發(fā)揮作用,故超級電容模組額定電壓定為48 V.超級電容模組工作時(shí)能量隨模組電壓變化如下式：

(7)

其中Esc為超級電容模組釋放能量,J；Nsc為超級電容模組中單體超級電容串聯(lián)數(shù)量；Csc為單體超級電容額定容量,F；Usc，max為單體超級電容的最大工作電壓,V；Usc，min為單體超級電容的最小工作電壓,V.由公式(7)可以看出,當(dāng)超級電容模組的電壓下降為最大電壓的1/2時(shí),其能量利用率為75%,此后超級電容模組的充放電效率會大大降低,因此為保護(hù)超級電容和延長其循環(huán)使用壽命,取超級電容模組工作的最小電壓為正常工作額定電壓的1/2,即Usc，min=Usc/2.依據(jù)前文對超級電容特性分析,設(shè)定單體超級電容的工作電壓范圍為(0.5～1)Usc之間,則所需要單體超級電容數(shù)量和容量分別為

(8)

(9)

(10)

其中η1為DC/DC變換器的效率,取96%；Usc為單體超級電容額定電壓,V；Usc，max為單體超級電容最大工作電壓,V,取Usc，max=Usc；Umin為單體超級電容最小工作電壓,V,取Usc，min=Usc/2；Pt，max為微耕機(jī)旋耕時(shí)最大峰值功率,取2.8 kW；Pb為磷酸鐵鋰電池輸出功率,依據(jù)以往研究人員測得微耕機(jī)田間作業(yè)功率的平均值,取0.528 kW；t1為微耕機(jī)保持最大峰值功率時(shí)間,取60 s； 經(jīng)過計(jì)算,選用由18塊單體超級電容(額定電壓2.67 V,額定容量3 000 F)串聯(lián)組成的型號為BMOD0165P048C01Maxwell超級電容器,其額定電壓為48 V,額定容量為165 F,最大放電電流1 900 A．

2.5 其他器件

電流采樣模塊選用了霍爾閉環(huán)直流電流傳感器,型號為FX-BY35-100B2D,量程為0～100 A,精度±1%,輸出信號為0～3 V； 選用經(jīng)久耐用、 絕緣性好的ZP100A螺紋整流二極管防止超級電容給電池反向充電； 電壓采樣模塊采用中霍CHVS-ASV系列霍爾直流電壓傳感器,量程為0～60 V,精度±0.5%,輸出信號為0～5 V； 荷電狀態(tài)(SOC)采樣模塊選用綠深VAC9010H庫侖計(jì)與VAC9610S庫侖計(jì),主要對輸入的信號經(jīng)過CPU運(yùn)算處理后,輸出當(dāng)前設(shè)備電量以及能量,實(shí)時(shí)顯示容量、 能量、 運(yùn)行時(shí)間等多種物理參數(shù),通過RS485和主控制器STM32F103ZET6實(shí)現(xiàn)通訊,串口參數(shù)為： 波特率4 800,數(shù)據(jù)位8,無校驗(yàn)位,停止位1； 選用正源電子生產(chǎn)的工業(yè)級降壓模塊,參數(shù)分別為輸入28～80 V轉(zhuǎn)輸出12 V和輸入8～58 V轉(zhuǎn)輸出5 V,磷酸鐵鋰電池組通過降壓模塊給電壓傳感器、 電流傳感器、 庫侖計(jì)、 stm32主控制器以及調(diào)速電位器供電； 測量轉(zhuǎn)速采用優(yōu)利德非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)UT372測量電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速,可測的轉(zhuǎn)速范圍為10～99 999 r/min,精度為±0.04%,通過USB與電腦端連接記錄數(shù)據(jù)； 溫度傳感器采用NTC熱敏電阻,標(biāo)稱阻值(25 ℃)為10 kΩ,阻值允許公差為±1%,熱敏電阻材料常數(shù)(B值)為3 950,溫度量程為-30～150 ℃； 基于Arduino Due微控制器制作電池溫度監(jiān)測界面,使用Arduino硬件的Simulink支持包可以在Arduino板上創(chuàng)建和運(yùn)行Simulink模型,可以交互式地監(jiān)視和調(diào)優(yōu)在Simulink中開發(fā)的算法,通過USB連接線實(shí)現(xiàn)電腦端Simulink與Arduino Due通信,可以有效實(shí)時(shí)監(jiān)測磷酸鐵鋰電池組體表溫度．

3 能量管理控制策略

根據(jù)電動微耕機(jī)的實(shí)際工作需求,設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯門限控制策略.電動微耕機(jī)作業(yè)時(shí),電機(jī)需要的平均功率由鋰電池供應(yīng),超級電容則提供波動部分的需求功率,從而將超級電容比功率高和磷酸鐵鋰電池比能量高的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來,同時(shí)為了避免超級電容和磷酸鐵鋰電池過充過放等危險(xiǎn)狀況,荷電狀態(tài)和電壓也被相應(yīng)設(shè)置為閾值．

3.1 邏輯門限控制策略參數(shù)選擇

本文選擇從能量角度定義超級電容荷電狀態(tài)[14-15],由前文可知超級電容開路電壓達(dá)到其額定電壓的一半時(shí)已經(jīng)放出75%的能量,故設(shè)定超級電容SOC的工作區(qū)間為[0.25,1],即超級電容SOC充電上限閾值為Soc，sc，max=1,放電下限閾值為Soc，sc，min=0.25.綜合考慮廠家提供的磷酸鐵鋰電池相關(guān)數(shù)據(jù),磷酸鐵鋰電池的SOC工作區(qū)間選在[0.2,1],即磷酸鐵鋰電池充電上限閾值為Soc，b，max=1,放電下限閾值為Soc，b，min=0.2.綜合考慮以往研究人員采集的微耕機(jī)功率譜平均值與磷酸鐵鋰電池容量衰減規(guī)律[16-19],選定Ih=11A作為電流閾值．

3.2 邏輯門限控制流程圖(圖3)

圖3 邏輯門限控制流程圖

3.3 邏輯門限控制策略

在機(jī)器工作之前,確保主能量源磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)良好(Soc，b，max>Soc，b>Soc，b，min),工作過程中一旦發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池即將過放時(shí)(Soc，b≤Soc，b，min),報(bào)警燈亮．

低負(fù)荷工況時(shí),電動微耕機(jī)工作需求功率Pm較小即電機(jī)所需電流Im較小時(shí)(Im

突變大負(fù)荷及持續(xù)大負(fù)荷工況時(shí),電動微耕機(jī)工作需求功率Pm較大,即電機(jī)所需電流Im較大(Im>Ih)時(shí),磷酸鐵鋰電池組和超級電容聯(lián)合提供給微耕機(jī)需求功率.若超級電容SOC值高于SOC放電下限值(Soc，sc>Soc，sc，min),表示超級電容有能力輔助電池放電,則磷酸鐵鋰電池組和超級電容共同提供需求電流,同時(shí)為防止超級電容欠壓工作,Usc低于Usc，min=24 V時(shí),雙向DC/DC變換器立刻處于待機(jī)狀態(tài),超級電容停止放電,電流(能量功率)流向如圖4(c)所示,此時(shí)Pm=Pbat+Psc，Im=Ibat+Isc； 若檢測到超級電容SOC值一旦低于或等于放電下限值時(shí)(Soc，sc≤Soc，sc，min),超級電容已經(jīng)沒有能力輔助電池放電,同時(shí)磷酸鐵鋰電池組已經(jīng)大電流放電,如果再給超級電容充電,會導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池組電流進(jìn)一步加大,所以此時(shí)不宜給超級電容充電,雙向DC/DC變換器立刻處于待機(jī)狀態(tài).電流(能量功率)流向如圖4(d)所示,此時(shí)Pbat=Pm，Ibat=Im，Isc=0．

圖4 4種工作模式簡圖

4 田間試驗(yàn)

2021年11月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑桔研究所進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)器材主要有復(fù)合電源電動微耕機(jī)樣機(jī)、 卷尺、 高精度電子秤(量程3 kg,精度0.1 g)、 直尺、 UT372轉(zhuǎn)速測量儀(10～99 999 r/min,精度為±0.04%)、 環(huán)刀、 SC900土壤堅(jiān)實(shí)度儀(量程0～45 cm，0～7 000 kPa,精度±1.25 cm,103 kPa)、 華盛昌DT-83溫度測量儀(量程-20～60 ℃,精度±0.1 ℃)等．

在進(jìn)行旋耕試驗(yàn)之前,依據(jù)GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》測定土壤含水率與堅(jiān)實(shí)度.在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)用五點(diǎn)法定位并用環(huán)刀取樣,烘干法測含水率,測得A號地土壤平均含水率為16.23%,B號地為22.81%； 采用SC900土壤堅(jiān)實(shí)度儀用五點(diǎn)法定位并測量,測得A號地土壤0～150 mm平均堅(jiān)實(shí)度為0.643 Mpa,B號地為0.471 Mpa．

將約150 m2表面平整的A號地分成24塊,每塊長為6 m,寬為1 m,并依次進(jìn)行編號.試驗(yàn)按照GB/T5668-2017《旋耕機(jī)》、 JB/T10266-2013《微型耕耘機(jī)》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,總共進(jìn)行24次耕作試驗(yàn)即12組對照試驗(yàn),每次耕作前記錄環(huán)境溫度、 電池溫度(溫度傳感器監(jiān)測)和超級電容工作前后端電壓.電池溫升是一項(xiàng)重要指標(biāo),需要保證同轉(zhuǎn)速下每組對照試驗(yàn)電池起始溫度一致,田間試驗(yàn)中對照試驗(yàn)部分過程中采取自然冷卻來保證電池起始工作時(shí)溫度基本一致,即做完單一電源試驗(yàn)之后,打開電池箱蓋進(jìn)行散熱,通過在PC端溫度監(jiān)測界面實(shí)時(shí)監(jiān)測電池溫度變化,待電池溫度恢復(fù)到試驗(yàn)起始溫度時(shí)關(guān)閉電池箱蓋,然后進(jìn)行復(fù)合電源試驗(yàn)．

(1) 在1，3，5號地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在2，4，6號地中,采用復(fù)合電源供電,在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),耕深約為15 cm,耕作長度5 m,耕寬0.6 m,記錄電池參數(shù)變化．

(2) 在7，9，11號地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在8，10，12號地中,采用復(fù)合電源供電,在2 700 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),耕深約為15 cm,耕作長度5 m,耕寬0.6 m,記錄電池參數(shù)變化．

(3) 在13，15，17號地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在14，16，18號地中,采用復(fù)合電源供電,在2 800 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),耕深約為15 cm,耕作長度5 m,耕寬0.6 m,記錄電池參數(shù)變化．

(4) 在19，21，23號地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在20，22，24號地中,采用復(fù)合電源供電,在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),耕深約為15 cm,耕作長度5 m,耕寬0.6 m,記錄電池參數(shù)變化．

將約400 m2表面平整的B號地分成6塊,每塊長為35 m,寬為1 m,并依次進(jìn)行編號.在1，3，5號地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在2，4，6號地中,采用復(fù)合電源供電,在 3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn),耕深約為15 cm,耕作長度30 m,耕寬0.6 m,記錄電池參數(shù)變化.試驗(yàn)通過APN1211E-U功率分析儀記錄電池相關(guān)數(shù)據(jù)(包括功率、 電壓、 電流、 Wh和Ah等),通過USB接口數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),操作界面如圖5所示.采用優(yōu)利德非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)UT372測量電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速,通過USB接口數(shù)據(jù)線與試驗(yàn)計(jì)算機(jī)連接,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),采樣界面如圖6所示.通過電池內(nèi)置NTC熱敏電阻溫度傳感器記錄電池溫度變化,通過ADC采集的熱敏電阻兩端的電壓數(shù)值計(jì)算出熱敏電阻的阻值,再通過Simulink LookupTable模塊查表即可得到此時(shí)測量的磷酸鐵鋰電池溫度,磷酸鐵鋰電池Simulink溫度采樣記錄界面如圖7所示； Arduino Due實(shí)物圖與Simulink溫度測量模型分別如圖8和圖9所示.通過雙向DC/DC變換器與庫侖計(jì)顯示面板記錄超級電容端電壓變化以及超級電容放電量變化.田間試驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示．

圖5 功率分析儀采樣界面

圖6 轉(zhuǎn)速計(jì)測量界面

圖7 Simulink電池溫度監(jiān)測界面

圖8 Arduino Due實(shí)物圖

圖9 Simulink溫度測量模型

圖10 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)中單一電源與復(fù)合電源電池部分參數(shù)變化如圖11所示.采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)后并求平均值,最大限度降低不同地塊條件對試驗(yàn)結(jié)果的影響,電池平均放電功率、 電池電流波動最大范圍與電池峰值功率等數(shù)據(jù)如表2所示,單一電源和復(fù)合電源電池放電量變化如表3,單一電源和復(fù)合電源電池溫升變化如表4：

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 單一電源與復(fù)合電源電池部分參數(shù)變化

表3 單一電源和復(fù)合電源電池放電量變化對比

與單一鋰電池電源給電機(jī)供電相比,復(fù)合電源系統(tǒng)中超級電容的所有能量都來自于電池,復(fù)合電源系統(tǒng)工作過程中增加了雙向DC/DC變換器轉(zhuǎn)換這個(gè)能耗過程.因此,復(fù)合電源雖然降低了電池的放電倍率,卻增加了電池的累計(jì)放電量,與表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)論保持一致．

結(jié)合圖11和表2分析得到,在A號地4種不同電機(jī)轉(zhuǎn)速作業(yè)下,相較于單一電池供電,復(fù)合電源系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池組放電電流平均最大波動范圍分別縮減14.37，13.07，14.3，15.23A,B號地縮減13.77A； A號地平均峰值功率分別下降了43.6%，75. 2%，77.4%，76.4%,B號地下降了60.3%.磷酸鐵鋰電池放電電流大幅度降低,超出閾值部分的大電流由超級電容提供,使磷酸鐵鋰電池組免受突變大電流的沖擊.由表4計(jì)算得到,A號地復(fù)合電源系統(tǒng)電池組平均溫升相較于單一電源電池組分別下降0.13 ℃，1.48 ℃，1.67 ℃，2.26 ℃,B號地下降3.45 ℃； 結(jié)合圖11和表3分析得到,復(fù)合電源系統(tǒng)工作過程中,電池的電流和輸出功率變化變得相對平緩,但電池所需要累計(jì)放電量變大．

根據(jù)美國休斯研究中心John等人[17-19]的大量實(shí)驗(yàn)表明,對于因充放電造成的電池容量衰退,在環(huán)境溫度一定的前提下,其衰退速率與電池放電電流瞬時(shí)值大小Irate和電池累計(jì)放電電量Qthrough密切相關(guān).在復(fù)合電源系統(tǒng)中電池電流減小有助于減小電池容量衰退速率,但是電池所需要累計(jì)放電量變大會促使電池容量衰退,因此我們需要分析這兩種因素綜合影響下的電池容量衰退變化.鋰電池因充放電導(dǎo)致衰退的經(jīng)驗(yàn)公式如下[17-19]：

QLOSS，%=(a·T2+b·T+c)exp[(d·T+e)·Irate]×Qthrough

(11)

其中,a=8.61E-6,單位為1/(Ah·K2)；b=-5.13E-3,單位為1/(Ah·K)；c=7.63E-1,單位為1/Ah；d=-6.7E-3,單位為1/(K·C)；e=2.35,單位為1/C；Irate是電流的放電倍率,單位為C；T是絕對溫度,單位為K；Qthrough表示鋰電池累計(jì)放電量,單位為Ah.通過公式(11)分別計(jì)算得到單一電源和復(fù)合電源的電池衰退率如表5所示．

在A號地塊4種不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下,相較于單一電池電源,復(fù)合電源中鋰電池組平均容量衰減速率分別下降2.1%，9.1%，9.7%，9.2%,B號地塊電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min下降4.4%； 結(jié)合圖11、 表3和表5分析得到,相較于單一電源,復(fù)合電源中電池放電電流減小,電池所需要放電累計(jì)電量會變大,但最終電池容量衰退速率減小,說明電池放電倍率要比電池放出的累計(jì)電量對電池容量衰退速率的影響更大．

表5 單一電源和復(fù)合電源電池衰退率變化

5 結(jié)論

針對單一鋰電池電動微耕機(jī)在田間作業(yè)大倍率放電導(dǎo)致鋰電池組使用安全性變差和循環(huán)壽命變短的問題,本文采用鋰電池組和超級電容器組成復(fù)合電源系統(tǒng)作為電動微耕機(jī)的動力來源,采用合理的能量管理控制策略來減小核心部件鋰電池的衰退速率．

1) 基于超級電容輔能的復(fù)合電源電動微耕機(jī)能夠穩(wěn)定工作,工作模式切換迅速,能夠滿足丘陵山地耕作需求．

2) 所制定的控制策略能夠?qū)Τ夒娙莺弯囯姵亟M的能量進(jìn)行合理分配,超級電容的高比功率能夠更加充分地發(fā)揮其優(yōu)勢,降低鋰電池輸出電流與輸出功率波動范圍,使電池的輸出電流更加平滑,減少了短時(shí)大電流對鋰電池的沖擊,有效改善鋰電池的放電狀態(tài),降低了電池放電倍率,使得電池容量衰退率減小,達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)．