基于CRUISE的設(shè)施農(nóng)業(yè)電動(dòng)拖拉機(jī)仿真分析

宋心宇 劉元義 牛國棟 張悅 宋昕烔 邴坤

摘要：利用CRUISE軟件建立面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)仿真模型并對仿真模型各組成部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置電動(dòng)拖拉機(jī)最大牽引力、最大爬坡度、最高車速及加速時(shí)間仿真任務(wù)，并通過分析電動(dòng)拖拉機(jī)仿真工況繪制電池組SOC曲線計(jì)算整車?yán)m(xù)航時(shí)間。仿真結(jié)果對項(xiàng)目后期樣車生產(chǎn)具有理論指導(dǎo)作用，對設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行了參數(shù)匹配，證明其具有可行性，并通過對電動(dòng)拖拉機(jī)仿真結(jié)果的分析可以看出所設(shè)計(jì)的整車參數(shù)及各部件的參數(shù)匹配均合理正確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；電動(dòng)拖拉機(jī)；CRUISE；仿真分析

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2018YF005）。

引言

塑料大棚、日光溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)已逐步成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要模式，它有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作環(huán)境。溫室大棚屬于比較密閉的環(huán)境，其中農(nóng)作物對于環(huán)境質(zhì)量要求尤為嚴(yán)格［1］，我國農(nóng)機(jī)制造企業(yè)針對溫室大棚空間狹小的特點(diǎn)生產(chǎn)了各種大棚拖拉機(jī)機(jī)型，但大部分大棚機(jī)型的動(dòng)力系統(tǒng)仍然采用內(nèi)燃機(jī)，無法避免尾氣對設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部環(huán)境的影響。

國內(nèi)外的學(xué)者在電動(dòng)拖拉機(jī)上都有設(shè)計(jì)和開發(fā)，但是我國現(xiàn)階段因設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展相對滯后，目前對于面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)研究相對較少。研制適合設(shè)施農(nóng)業(yè)用的電動(dòng)拖拉機(jī)具有零污染，高效率的諸多優(yōu)點(diǎn)，是解決目前環(huán)境污染、能源短缺等問題的有效途徑之一。研制適合設(shè)施農(nóng)業(yè)工作環(huán)境下使用的設(shè)施農(nóng)業(yè)電動(dòng)拖拉機(jī)，對于推動(dòng)中國設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境和操作者舒適度具有重要的意義［2］。

近些年來，新能源汽車飛速發(fā)展，AVL公司的CRUISE軟件逐漸成為必要的科研軟件之一，其主要功能包括分析車輛和傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)、通過分析動(dòng)力性優(yōu)化車輛以及分析車輛熱管理系統(tǒng)等，特別適合用來評估純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車等新能源汽車。與一眾仿真軟件如ADAMS、CarSim比較，CRUISE被運(yùn)用于電動(dòng)汽車仿真領(lǐng)域的頻率更高，而且可以通過與Simulink或者與dSPACE進(jìn)行聯(lián)合仿真將設(shè)計(jì)的邏輯相集成［3］。

一、仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

（一）電動(dòng)拖拉機(jī)整車模型的搭建

本項(xiàng)研究基于CRUISE軟件，以項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)的面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的小型電動(dòng)拖拉機(jī)為研究對象展開工作，電動(dòng)拖拉機(jī)概念圖如圖1所示。

電動(dòng)拖拉機(jī)的牽引電機(jī)為永磁無刷電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力電池組使用磷酸鐵鋰電池，電動(dòng)拖拉機(jī)的基本參數(shù)如表1所示，各擋位傳動(dòng)比如表2所示。

使用CRUISE軟件建立電動(dòng)拖拉機(jī)的仿真模型，首先生成電動(dòng)拖拉機(jī)項(xiàng)目，然后建立拖拉機(jī)模型。拖拉機(jī)模型的總框架如圖2所示，在拖拉機(jī)模型中再分別建立子模塊，包括整車模塊、動(dòng)力模塊、變速箱模塊、差速器模塊、主減速器模塊、輪胎模塊、遙控模塊和VCU控制模塊等。

子模塊建立后通過插入能量鏈接的形式將機(jī)械部件相連接，動(dòng)力由電機(jī)輸出，分別通過離合器、變速箱、后橋和制動(dòng)器模塊傳遞到輪胎完成扭矩的傳遞。完成能量鏈接插入后最重要的便是在子模塊中分別輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，在整車模塊中，考慮到拖拉機(jī)的作業(yè)速度和設(shè)施農(nóng)業(yè)的工作環(huán)境，可以忽略風(fēng)阻對拖拉機(jī)的影響，在設(shè)置拖拉機(jī)整備質(zhì)量和實(shí)際質(zhì)量參數(shù)時(shí)，因本項(xiàng)目中的電動(dòng)拖拉機(jī)為遙控駕駛，無需考慮駕駛員質(zhì)量，所以實(shí)際質(zhì)量為拖拉機(jī)整備質(zhì)量、農(nóng)機(jī)具質(zhì)量和其它附件質(zhì)量之和；動(dòng)力電池組模塊為牽引電機(jī)提供能量，需要設(shè)置相關(guān)的電池參數(shù)；牽引電機(jī)模塊需設(shè)置額定電壓、功率、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)；離合器模塊中需要定義傳動(dòng)扭矩；變速箱模塊中的主要參數(shù)為各檔位傳動(dòng)比；后橋包括主減速器模塊和差速器模塊，需要定義主減速器傳動(dòng)比等參數(shù)；行走機(jī)構(gòu)中包括制動(dòng)器模塊和輪胎模塊，需在輪胎模塊中定義輪胎的滾動(dòng)半徑和滾阻系數(shù)等參數(shù)；VCU控制模塊中的控制邏輯使用Simulink軟件完成，然后通過編譯成DLL格式文件嵌入CRUISE的仿真模型中。

完成各子模塊數(shù)據(jù)輸入后，通過插入信息鏈接來完成信號傳遞，對子模塊的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行配置之后便完成了電動(dòng)拖拉機(jī)整車模型的搭建。

（二）仿真模型各子模塊詳細(xì)參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行電動(dòng)拖拉機(jī)整車模型的搭建中，子模塊參數(shù)和信息鏈接的設(shè)置尤為重要，本文將詳細(xì)闡述主要包括整車、能源、動(dòng)力、傳動(dòng)和行走機(jī)構(gòu)等模塊的參數(shù)設(shè)置。其中整備質(zhì)量為900kg，實(shí)際質(zhì)量為1150kg，軸距為1000mm。動(dòng)力電池模塊是電動(dòng)拖拉機(jī)的重要能量來源，首先設(shè)置單體電池的容量為6.5Ah，單體電池的額定電壓為3.2V，單體電池45個(gè)串聯(lián)、34個(gè)并聯(lián)組成動(dòng)力電池組；設(shè)置該電池的充放電特性曲線，定義電池在不同的SOC荷電狀態(tài)下的電壓。牽引電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置中，選擇電機(jī)型號為PSM電機(jī)，設(shè)定額定電壓為144V，最大轉(zhuǎn)速為3800rpm，設(shè)置電機(jī)的外特性曲線圖與電機(jī)效率MAP圖；電機(jī)的負(fù)載信息來源于VCU控制模塊中的“l(fā)oad_signal_TM”信號。在傳動(dòng)系的參數(shù)設(shè)置中，變速箱模塊中各檔位傳動(dòng)比參照表2進(jìn)行輸入。在主減速器模塊中設(shè)置好主減速比、輸入和輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，在差速器模塊中設(shè)置效率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。電動(dòng)拖拉機(jī)行走機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置中，行走機(jī)構(gòu)由制動(dòng)器模塊和輪胎模塊組成。在輪胎模塊中，設(shè)置滑移特性曲線，分別輸入前輪與后輪的靜態(tài)半徑及滾動(dòng)半徑；在制動(dòng)器模塊中設(shè)置信息鏈接，制動(dòng)壓力信號需要由VCU整車控制器中的“brake_pressure”信號提供。

二、仿真結(jié)果及分析

（一）動(dòng)力性仿真分析

電動(dòng)拖拉機(jī)加速性能的模擬數(shù)據(jù)見圖3，面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)工作主要以耕犁作業(yè)為主，一般鏵式犁的耕作速度在4.5km/h至6km/h之間，從圖中可以看出本電動(dòng)拖拉機(jī)起步加速至6km/h加速時(shí)間為4.19s，加速距離為3.24m，滿足電動(dòng)拖拉機(jī)的工作需求，加速性能較好，可在10s內(nèi)加速至最高車速35km/h，加速距離30m，最高車速可以滿足電動(dòng)拖拉機(jī)在各大棚間的運(yùn)輸要求。

電動(dòng)拖拉機(jī)的最大爬坡度模擬中，設(shè)施農(nóng)業(yè)的田地平整，作業(yè)時(shí)對爬坡度要求低，在Ⅰ檔0.4km/h的速度下的最大爬坡度為28.03%，爬坡性能良好，可以滿足電動(dòng)拖拉機(jī)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的基本爬坡和越障需求。

電動(dòng)拖拉機(jī)最大牽引力模擬中，在Ⅰ檔3km/h的速度下的最大牽引力為7873.71N，電動(dòng)拖拉機(jī)預(yù)留20%的儲(chǔ)備牽引力后，電動(dòng)拖拉機(jī)的最大牽引力為6298N，滿足所設(shè)計(jì)電動(dòng)拖拉機(jī)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中工作的最大牽引力要求。

（二）作業(yè)時(shí)間仿真分析

為計(jì)算電動(dòng)拖拉機(jī)的續(xù)航能力，可從電池組SOC值的變化規(guī)律中獲得電動(dòng)拖拉機(jī)在充滿電狀態(tài)下的持續(xù)工作時(shí)間。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)多為勻速行駛，在CRUISE軟件中建立Cycle Run循環(huán)工況仿真任務(wù)，設(shè)定一個(gè)400s的等速循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，通過記錄400s內(nèi)動(dòng)力電池電量的變化可以得出動(dòng)力電池的SOC曲線。

根據(jù)對仿真時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)動(dòng)力電池的SOC，記錄下400s循環(huán)內(nèi)動(dòng)力電池電量的變化，得到動(dòng)力電池的SOC曲線如圖4所示。動(dòng)力電池的SOC值變化曲線比較平穩(wěn)，400s等速循環(huán)工況仿真完成時(shí)，SOC值降低至97.5%，即電動(dòng)拖拉機(jī)400s內(nèi)電量消耗了2.5%，將動(dòng)力電池的SOC值變化曲線視為線性曲線，可粗略估算電動(dòng)拖拉機(jī)的續(xù)航能力，滿電狀態(tài)下可持續(xù)工作4.4h左右，基本可滿足電動(dòng)拖拉機(jī)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的作業(yè)續(xù)航要求。

三、總結(jié)

本文以面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)為研究目標(biāo)，運(yùn)用CRUISE軟件對電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行仿真分析，建立了整車模塊、動(dòng)力模塊、變速箱模塊、差速器模塊和VCU控制模塊等子模塊，介紹了重要模塊中的參數(shù)設(shè)置、能量鏈接和信息鏈接，在仿真結(jié)果中，電動(dòng)拖拉機(jī)可在10s內(nèi)加速至最高車速35km/h、起步加速到6km/h工作速度的時(shí)間為4.19s、最大牽引力≥6kN、最大爬坡度為28.03%、連續(xù)作業(yè)時(shí)間在4.4h左右，仿真結(jié)果都與設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)評價(jià)指標(biāo)相吻合，能夠滿足在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的作業(yè)要求，證明了本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)在參數(shù)匹配方面是合理的，為以后樣機(jī)開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］Huisong Gao， Jinlin Xue. Modeling and economic assessment of electric transformation of agricultural tractors fueled with diesel［J］.Sustainable Energy Technologies and Assessments，2020，39.

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（作者單位：山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院）