增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)設計

趙靜慧，徐立友，劉恩澤，劉孟楠，孟 濤

0 引言

傳統(tǒng)拖拉機作業(yè)油耗和排放較高，難以滿足未來農業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)和農機發(fā)展新要求[1-2]。電動拖拉機能夠實現(xiàn)零污染、零排放，然而，采用單一能量系統(tǒng)的電動拖拉機，其續(xù)航能力難以滿足較大功率拖拉機的持續(xù)作業(yè)要求。因此，可以采用柴電增程器來改善電動拖拉機的續(xù)航能力，并通過對能量系統(tǒng)施加主動控制策略，降低整機的燃油消耗率。

目前可實現(xiàn)電動拖拉機增程的研究成果主要有：南京農業(yè)大學的張超等針對太陽能園藝拖拉機驅動系統(tǒng)進行了匹配設計與性能分析[3]；河南科技大學的徐立友等針對串聯(lián)式混合動力拖拉機驅動系進行了設計研究[4]；Florentsev等針對農用拖拉機機電傳動系統(tǒng)進行了相關研究[5]。然而，采用太陽能和串聯(lián)式混合能量系統(tǒng)依然存在能量供給不穩(wěn)定和混合度較低的可能性。

本文以東方紅132.3kW拖拉機為研究對象，提出了一種增程式電動拖拉機(ERET)設計方法，以期為研究較大功率段電動拖拉機提供一定的理論參考。

1 增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)功率流

圖1為增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)結構方案。由圖1可知：動力電池、柴油機-發(fā)電機、驅動電機、變速器、主減速器、差速器及輪邊減速器構成了車輛動力系統(tǒng)的基本組件，動力電池、柴油機-發(fā)電機、驅動電機之間為電功率交互，驅動電機、變速器、主減速器、差速器、輪邊減速器之間采用機械連接。

圖1 ERET驅動系統(tǒng)方案Fig.1 Scheme of ERET drive systems

ERET能量系統(tǒng)存在雙能量源，分別為動力電池和由發(fā)動機/發(fā)電機組成的增程器。其驅動系統(tǒng)存在3種工作模式，分別為純電動模式、增程模式及停車充電模式。不同工作模式下的功率流情況如圖2所示。

當動力電池荷電狀態(tài)(SOC)較高時，ERET工作于純電動模式僅由動力電池為驅動電機提供電能，其功率流如圖2(a)所示；當蓄電池SOC低于SOC下閾時，ERET工作于增程模式，發(fā)動機-發(fā)電機啟動向蓄電池提供電能；能量流如圖2(b)所示，當ERET蓄電池SOC較低且停止作業(yè)時，可以為蓄電池充電，此時為停車充電模式，僅由蓄電池獲得電能，其功率流如圖2(c)所示。

(a) 純電動模式

(b) 增程模式

(c) 停車充電模式圖2 ERET動力系統(tǒng)功率流Fig.2 Power flow of ERET drive systems

2 驅動系統(tǒng)設計

通常以拖拉機主要配套農機具在常用工況條件下的平均牽引阻力來確定額定牽引力FTM，考慮工況條件及農機具性能變化所引起的阻力變化因素，應該留有10%～20%的儲備。在農業(yè)生產中，犁耕工況是拖拉機最基本且負載較大的工況，額定牽引力的確定應首先滿足犁耕工況的要求，即

FTM=(1.1～1.2)·Fgx

(1)

Fgx=nk·b1·hk·k

(2)

其中，F(xiàn)TM為拖拉機的額定牽引力(kN)；Fgx為拖拉機犁耕工況下的平均阻力(kN)；nk為犁鏵數(shù)；b1為單個犁鏵寬度(cm)；hk為耕深(cm)；k為土壤比阻(kN/cm2)。

增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)要滿足拖拉機不同作業(yè)項目的功率需求，首先應滿足額定牽引力的要求，利用牽引電機在低速范圍內具有恒轉矩的特性，以拖拉機進行犁耕作業(yè)時最大設定速度作為確定額定功率的依據，計算牽引電機機功率PT，即

(3)

其中，PT為牽引電機額定功率(kW)；V1為犁耕作業(yè)的最大速度(km/h)；ηt為牽引效率。

根據相應功率段傳統(tǒng)拖拉機進行犁耕作業(yè)時對應擋位下柴油機最高轉速確定增程式電動拖拉機牽引電機額定轉速ne。本文以東方紅1804拖拉機為實例，采用其III擋或IV擋以最大速度進行犁耕作業(yè)時的柴油機最大轉速確定牽引電機額定轉速，即

(4)

(5)

其中，ne3為柴油機在拖拉機處于III擋時的轉速(rad/s)；ig3為東方紅1804拖拉機變速器III擋傳動比；i0為東方紅1804拖拉機主減速器傳動比；iL為東方紅1804拖拉機輪邊減速器傳動比；rq為東方紅1804拖拉機驅動輪半徑。ne4為柴油機在拖拉機處于IV擋時的轉速(rad/s)；ig4為東方紅1804拖拉機變速器IV擋傳動比。

牽引電機的額定轉矩Te為

(6)

采用前期研究中提出的電動拖拉機變速器設計方法計算增程式電動拖拉機各擋傳動比[4]。根據拖拉機工作特點將其分為作業(yè)模式和行駛模式：作業(yè)模式應根據電動機低速大轉矩的特點來進行設定變速器速比，這里按其負荷率來確定，設置3個檔位，負荷率分別為100%(重載)、85%(中載)、70%(輕載)；行駛模式應工作在電動機的高轉速恒功率區(qū)，設定其負荷率為55%，重載時，牽引電機應有較高的效率，故在進行變速器速比選擇時，應使電動機工作在額定轉速附近。增程式電動拖拉機變速器傳動比為

(7)

in=ζni1

(8)

其中，i1為Ⅰ 擋傳動比；in為各擋傳動比；ζn代表各擋負荷率，分別取ζ2=0.85，ζ3=0.7；ζ4=0.55。

3 能量系統(tǒng)設計

動力電池作為REET的主能量源，既要保證車輛的動力性，又要提供一定的純電動續(xù)駛里程。需滿足

(9)

其中，Cp為由功率確定的動力電池容量(A·h)；h為最大放電率(h-1)；Um為動力系統(tǒng)直流母線電壓(V)；ηmc為牽引電機效率與控制器效率的乘積；PA為拖拉機附件消耗功率(kW)。

動力電池要保證REET以V1勻速行駛的純電動續(xù)駛里程d1，需滿足

(10)

其中，CE為由能量要求確定動力電池容量(A·h)；DOD為動力電池的放電深度；ηc為拖拉機總傳動效率；ηb為動力電池放電效率；ηa為拖拉機附件能量消耗比例系數(shù)；δ為驅動輪滑轉率；d1為拖拉機純電續(xù)駛里程(km)。

根據式(9)、式(10)制定動力電池容量取值規(guī)則為

C=min{max[Cp(h),CE(h)]}

(11)

其中，h為放電率(h-1)；C為動力電池容量(A·h)。

柴油機和發(fā)電機組成的增程系統(tǒng)應在動力電池出現(xiàn)故障不能工作時，保證拖拉機以一較低速度進行犁耕作業(yè)。增程系統(tǒng)的標定輸出功率為

(12)

其中，PRE為增程器的標定功率(kW)；vmin為犁耕工況行駛速度的下限。

4 結構參數(shù)計算

最大使用重力應滿足拖拉機工作在所屬工況時，在滑轉率不超過規(guī)定值的情況下能夠發(fā)揮出額定牽引力，即

(13)

其中，Mmax為拖拉機最大使用質量(kg)；φσ為滑轉率為規(guī)定值時的土壤附著系數(shù)；λqN為驅動輪的載荷系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)。

重心位置即重心到驅動輪軸的水平距離為

a=0.2L+0.4hT+0.01Rf+0.04Rr

(14)

其中，L為ERET軸距(m)；hT為掛鉤高度(m)；Rf為前輪半徑(m)；Rr為后輪半徑(m)。

基于以上理論，參照實例機型，設計增程式電動拖拉機的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 ERET主要技術參數(shù)Table 1 Main parameters of ERET

5 仿真分析

設置仿真工況如圖3所示。其中，0～447s為犁耕工況，447～650s為行駛工況。

圖3 仿真工況Fig.3 Work condition used in the simulation

為驗證所設計的拖拉機的動力性，基于前期開發(fā)的增程式電動拖拉機仿真平臺[6]，對ERET的動力性、經濟性和牽引特性進行仿真驗證，并與傳統(tǒng)拖拉機進行對照分析。

圖4為增程式電動拖拉機爬坡性能；圖5為主要作業(yè)擋位下東方紅132.3kW拖拉機爬坡性能。對比可知：ERET最大爬坡度為39.69%，傳統(tǒng)機型最大爬坡度為37.4%，其動力性有所提升。

圖4 增程式電動拖拉機爬坡性能Fig.4 Climbing performance curves of ERET

圖5 東方紅180馬力拖拉機爬坡性能Fig.5 Climbing performance curves of YTO-180hp tractor

圖6為增程式電動拖拉機不同檔位牽引特性曲線；圖7為東方紅180馬力拖拉機主要作業(yè)擋位牽引特性曲線。對比可知：ERET的最大牽引力為60.9kN，東方紅1804的最大牽引力為58.4kN，其最大牽引力提高了4.3%。

圖6 增程式電動拖拉機牽引特性Fig.6 Traction performance of ERET

圖7 東方紅180馬力拖拉機牽引特性Fig.7 Traction performance of YTO-180hp tractor

為了驗證拖拉機的燃油經濟性，采用發(fā)動機啟停+定點能量管理策略對增程式電動拖拉機的燃油消耗率進行仿真驗證。其中，發(fā)動機啟?？刂茷椋寒斝铍姵豐OC低于蓄電池的下限SOCL時，發(fā)動機啟動；當蓄電池SOC高于蓄電池的上閾SOCH時，發(fā)動機關閉；當動力SOC介于蓄電池上閾與下閾之間時，發(fā)動機保持原來的狀態(tài)。發(fā)動機啟停控制策略如圖8所示。

圖8 發(fā)動機啟?？刂撇呗訤ig.8 Engine start-stop control strategy

定點能量管理策略為：當發(fā)動機啟動時，發(fā)動機以恒功率工作。仿真結果如圖9所示。

圖9 燃油消耗率對比情況Fig.9 Comparison of the fuel consumption rate

由圖9可知：在圖3設定工況下，增程式電動拖拉機的綜合油耗為2.99L/km，東方紅1804拖拉機的綜合油耗為3.16L/km，其經濟性可提升5.37%。

6 結論

1)制定了增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)方案，提出了驅動系統(tǒng)主要部件參數(shù)的設計方法。

2)以東方紅1804為實例，通過計算其整機參數(shù)、牽引電動機參數(shù)、增程式能量系統(tǒng)參數(shù)、結構參數(shù)及傳動系統(tǒng)參數(shù)，設計了增程式電動拖拉機驅動系統(tǒng)。

3)基于AVL CRUISE平臺，采用定點能量管理策略，對照傳統(tǒng)機型，分析了增程式電動拖拉機主要性能。其中，最大爬坡度提高6.12%，最大牽引力提高4.3%，經濟性提高了5.37%。