基于超級(jí)電容輔能的電動(dòng)微耕機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)研究與試驗(yàn)

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(dòng)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(dòng)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(duì)環(huán)境要求較高的農(nóng)業(yè)作業(yè)中,電動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)的核心部件,現(xiàn)有鋰電池電動(dòng)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(huì)使電動(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)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(huì)使電池?zé)o法滿足電動(dòng)微耕機(jī)的瞬時(shí)大功率需求,造成農(nóng)機(jī)裝備動(dòng)力性變差,對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)電動(dòng)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(duì)于以復(fù)合電源為動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)使用中電池組的安全性,將比功率高的超級(jí)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(dòng)力源,匹配高效的能量管理控制策略,以此提高電動(dòng)微耕機(jī)的續(xù)航能力、 安全性和工作效率,推動(dòng)電動(dòng)微耕機(jī)在丘陵山區(qū)的推廣應(yīng)用和我國電動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)主要由磷酸鐵鋰電池組、 超級(jí)電容器、 電動(dòng)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(dòng)方式是錐齒輪傳動(dòng).本機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型為半主動(dòng)式構(gòu)型,即超級(jí)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(dòng)微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,復(fù)合電源電動(dòng)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(dòng)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(jí)電容器； 15. 調(diào)速旋鈕．圖1 復(fù)合電源電動(dòng)微耕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

表1 復(fù)合電源電動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)進(jìn)入田間工作后,主控制器對(duì)電流傳感器采集的工況信號(hào)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(jí)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(dòng)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(jí)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(jí)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(jí)電容器輸出功率,Usc表示超級(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)額定功率,kW；K為電動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)；Pf為電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)所需功率,kW；ηT為電動(dòng)微耕機(jī)傳動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)作業(yè)的耕地深度,取H=15 cm；B為電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)的耕寬,取B=0.6 m；v為電動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,取電動(dòng)機(jī)的功率儲(chǔ)備系數(shù)K=1.1,因?yàn)閭鲃?dòng)采用錐齒輪傳動(dòng)方式,精度與傳動(dòng)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(dòng)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(duì)于鋰電池組的數(shù)量,主要由在作業(yè)過程中電動(dòng)機(jī)需輸出的最大功率和電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)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(jí)電容的充放電特性差異較大,兩者組合使用將會(huì)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(duì)磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào),同時(shí)對(duì)超級(jí)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(dòng)方向卻可以改變,從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),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(jí)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(jí)電容選型及參數(shù)匹配

超級(jí)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(chǔ)能量,故單獨(dú)使用受到一定限制.超級(jí)電容的充放電特性和容量特性決定了超級(jí)電容器在大電流放電時(shí)容量并沒有減小,超級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)電容越能更好發(fā)揮作用,故超級(jí)電容模組額定電壓定為48 V.超級(jí)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(jí)電容模組釋放能量,J；Nsc為超級(jí)電容模組中單體超級(jí)電容串聯(lián)數(shù)量；Csc為單體超級(jí)電容額定容量,F；Usc，max為單體超級(jí)電容的最大工作電壓,V；Usc，min為單體超級(jí)電容的最小工作電壓,V.由公式(7)可以看出,當(dāng)超級(jí)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(jí)電容模組的充放電效率會(huì)大大降低,因此為保護(hù)超級(jí)電容和延長其循環(huán)使用壽命,取超級(jí)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(duì)超級(jí)電容特性分析,設(shè)定單體超級(jí)電容的工作電壓范圍為(0.5～1)Usc之間,則所需要單體超級(jí)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(jí)電容額定電壓,V；Usc，max為單體超級(jí)電容最大工作電壓,V,取Usc，max=Usc；Umin為單體超級(jí)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(jí)電容(額定電壓2.67 V,額定容量3 000 F)串聯(lián)組成的型號(hào)為BMOD0165P048C01Maxwell超級(jí)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(hào)為FX-BY35-100B2D,量程為0～100 A,精度±1%,輸出信號(hào)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(jí)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(hào)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(duì)輸入的信號(hào)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(jí)電容則提供波動(dòng)部分的需求功率,從而將超級(jí)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(jí)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(jí)電容荷電狀態(tài)[14-15],由前文可知超級(jí)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(jí)電容SOC的工作區(qū)間為[0.25,1],即超級(jí)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(dòng)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(dòng)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(jí)電容聯(lián)合提供給微耕機(jī)需求功率.若超級(jí)電容SOC值高于SOC放電下限值(Soc，sc>Soc，sc，min),表示超級(jí)電容有能力輔助電池放電,則磷酸鐵鋰電池組和超級(jí)電容共同提供需求電流,同時(shí)為防止超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)電容充電,會(huì)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(jí)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(dòng)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(hào)地土壤平均含水率為16.23%,B號(hào)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(hào)地土壤0～150 mm平均堅(jiān)實(shí)度為0.643 Mpa,B號(hào)地為0.471 Mpa．

將約150 m2表面平整的A號(hào)地分成24塊,每塊長為6 m,寬為1 m,并依次進(jìn)行編號(hào).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(duì)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(jí)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(duì)照試驗(yàn)電池起始溫度一致,田間試驗(yàn)中對(duì)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(hào)地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在2，4，6號(hào)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(hào)地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在8，10，12號(hào)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(hào)地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在14，16，18號(hào)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(hào)地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在20，22，24號(hào)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(hào)地分成6塊,每塊長為35 m,寬為1 m,并依次進(jìn)行編號(hào).在1，3，5號(hào)地中,采用鋰電池單獨(dú)供電,在2，4，6號(hào)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(jí)電容端電壓變化以及超級(jí)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,電池平均放電功率、 電池電流波動(dòng)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(duì)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(jí)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(hào)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(dòng)范圍分別縮減14.37，13.07，14.3，15.23A,B號(hào)地縮減13.77A； A號(hào)地平均峰值功率分別下降了43.6%，75. 2%，77.4%，76.4%,B號(hào)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(jí)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(hào)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(hào)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(huì)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(duì)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(duì)單一鋰電池電動(dòng)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(jí)電容器組成復(fù)合電源系統(tǒng)作為電動(dòng)微耕機(jī)的動(dòng)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(jí)電容輔能的復(fù)合電源電動(dòng)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?jí)電容和鋰電池組的能量進(jìn)行合理分配,超級(jí)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(dòng)范圍,使電池的輸出電流更加平滑,減少了短時(shí)大電流對(duì)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)．