趙靜慧，徐立友，劉恩澤，劉孟楠，孟 濤

0 引言

傳統(tǒng)拖拉機(jī)作業(yè)油耗和排放較高，難以滿(mǎn)足未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)和農(nóng)機(jī)發(fā)展新要求[1-2]。電動(dòng)拖拉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)零污染、零排放，然而，采用單一能量系統(tǒng)的電動(dòng)拖拉機(jī)，其續(xù)航能力難以滿(mǎn)足較大功率拖拉機(jī)的持續(xù)作業(yè)要求。因此，可以采用柴電增程器來(lái)改善電動(dòng)拖拉機(jī)的續(xù)航能力，并通過(guò)對(duì)能量系統(tǒng)施加主動(dòng)控制策略，降低整機(jī)的燃油消耗率。

目前可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)拖拉機(jī)增程的研究成果主要有：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張超等針對(duì)太陽(yáng)能園藝拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)與性能分析[3]；河南科技大學(xué)的徐立友等針對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[4]；Florentsev等針對(duì)農(nóng)用拖拉機(jī)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究[5]。然而，采用太陽(yáng)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(jī)為研究對(duì)象，提出了一種增程式電動(dòng)拖拉機(jī)(ERET)設(shè)計(jì)方法，以期為研究較大功率段電動(dòng)拖拉機(jī)提供一定的理論參考。

1 增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率流

圖1為增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。由圖1可知：動(dòng)力電池、柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器、主減速器、差速器及輪邊減速器構(gòu)成了車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的基本組件，動(dòng)力電池、柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間為電功率交互，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器、主減速器、差速器、輪邊減速器之間采用機(jī)械連接。

圖1 ERET驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電池和由發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組成的增程器。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在3種工作模式，分別為純電動(dòng)模式、增程模式及停車(chē)充電模式。不同工作模式下的功率流情況如圖2所示。

當(dāng)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(SOC)較高時(shí)，ERET工作于純電動(dòng)模式僅由動(dòng)力電池為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，其功率流如圖2(a)所示；當(dāng)蓄電池SOC低于SOC下閾時(shí)，ERET工作于增程模式，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)啟動(dòng)向蓄電池提供電能；能量流如圖2(b)所示，當(dāng)ERET蓄電池SOC較低且停止作業(yè)時(shí)，可以為蓄電池充電，此時(shí)為停車(chē)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(dòng)模式

(b) 增程模式

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

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常以拖拉機(jī)主要配套農(nóng)機(jī)具在常用工況條件下的平均牽引阻力來(lái)確定額定牽引力FTM，考慮工況條件及農(nóng)機(jī)具性能變化所引起的阻力變化因素，應(yīng)該留有10%～20%的儲(chǔ)備。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，犁耕工況是拖拉機(jī)最基本且負(fù)載較大的工況，額定牽引力的確定應(yīng)首先滿(mǎn)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(jī)的額定牽引力(kN)；Fgx為拖拉機(jī)犁耕工況下的平均阻力(kN)；nk為犁鏵數(shù)；b1為單個(gè)犁鏵寬度(cm)；hk為耕深(cm)；k為土壤比阻(kN/cm2)。

增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要滿(mǎn)足拖拉機(jī)不同作業(yè)項(xiàng)目的功率需求，首先應(yīng)滿(mǎn)足額定牽引力的要求，利用牽引電機(jī)在低速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩的特性，以拖拉機(jī)進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)最大設(shè)定速度作為確定額定功率的依據(jù)，計(jì)算牽引電機(jī)機(jī)功率PT，即

(3)

其中，PT為牽引電機(jī)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(jù)相應(yīng)功率段傳統(tǒng)拖拉機(jī)進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)對(duì)應(yīng)擋位下柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定增程式電動(dòng)拖拉機(jī)牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne。本文以東方紅1804拖拉機(jī)為實(shí)例，采用其III擋或IV擋以最大速度進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)的柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速確定牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，即

(4)

(5)

其中，ne3為柴油機(jī)在拖拉機(jī)處于III擋時(shí)的轉(zhuǎn)速(rad/s)；ig3為東方紅1804拖拉機(jī)變速器III擋傳動(dòng)比；i0為東方紅1804拖拉機(jī)主減速器傳動(dòng)比；iL為東方紅1804拖拉機(jī)輪邊減速器傳動(dòng)比；rq為東方紅1804拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪半徑。ne4為柴油機(jī)在拖拉機(jī)處于IV擋時(shí)的轉(zhuǎn)速(rad/s)；ig4為東方紅1804拖拉機(jī)變速器IV擋傳動(dòng)比。

牽引電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te為

(6)

采用前期研究中提出的電動(dòng)拖拉機(jī)變速器設(shè)計(jì)方法計(jì)算增程式電動(dòng)拖拉機(jī)各擋傳動(dòng)比[4]。根據(jù)拖拉機(jī)工作特點(diǎn)將其分為作業(yè)模式和行駛模式：作業(yè)模式應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)定變速器速比，這里按其負(fù)荷率來(lái)確定，設(shè)置3個(gè)檔位，負(fù)荷率分別為100%(重載)、85%(中載)、70%(輕載)；行駛模式應(yīng)工作在電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速恒功率區(qū)，設(shè)定其負(fù)荷率為55%，重載時(shí)，牽引電機(jī)應(yīng)有較高的效率，故在進(jìn)行變速器速比選擇時(shí)，應(yīng)使電動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速附近。增程式電動(dòng)拖拉機(jī)變速器傳動(dòng)比為

(7)

in=ζni1

(8)

其中，i1為Ⅰ 擋傳動(dòng)比；in為各擋傳動(dòng)比；ζn代表各擋負(fù)荷率，分別取ζ2=0.85，ζ3=0.7；ζ4=0.55。

3 能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池作為REET的主能量源，既要保證車(chē)輛的動(dòng)力性，又要提供一定的純電動(dòng)續(xù)駛里程。需滿(mǎn)足

(9)

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

動(dòng)力電池要保證REET以V1勻速行駛的純電動(dòng)續(xù)駛里程d1，需滿(mǎn)足

(10)

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

根據(jù)式(9)、式(10)制定動(dòng)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(dòng)力電池容量(A·h)。

柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的增程系統(tǒng)應(yīng)在動(dòng)力電池出現(xiàn)故障不能工作時(shí)，保證拖拉機(jī)以一較低速度進(jìn)行犁耕作業(yè)。增程系統(tǒng)的標(biāo)定輸出功率為

(12)

其中，PRE為增程器的標(biāo)定功率(kW)；vmin為犁耕工況行駛速度的下限。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

最大使用重力應(yīng)滿(mǎn)足拖拉機(jī)工作在所屬工況時(shí)，在滑轉(zhuǎn)率不超過(guò)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(jī)最大使用質(zhì)量(kg)；φσ為滑轉(zhuǎn)率為規(guī)定值時(shí)的土壤附著系數(shù)；λqN為驅(qū)動(dòng)輪的載荷系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

重心位置即重心到驅(qū)動(dòng)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(shí)例機(jī)型，設(shè)計(jì)增程式電動(dòng)拖拉機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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

5 仿真分析

設(shè)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(yàn)證所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)的動(dòng)力性，基于前期開(kāi)發(fā)的增程式電動(dòng)拖拉機(jī)仿真平臺(tái)[6]，對(duì)ERET的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和牽引特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)拖拉機(jī)進(jìn)行對(duì)照分析。

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

圖4 增程式電動(dòng)拖拉機(jī)爬坡性能Fig.4 Climbing performance curves of ERET

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

圖6為增程式電動(dòng)拖拉機(jī)不同檔位牽引特性曲線(xiàn)；圖7為東方紅180馬力拖拉機(jī)主要作業(yè)擋位牽引特性曲線(xiàn)。對(duì)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(dòng)拖拉機(jī)牽引特性Fig.6 Traction performance of ERET

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

為了驗(yàn)證拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，采用發(fā)動(dòng)機(jī)啟停+定點(diǎn)能量管理策略對(duì)增程式電動(dòng)拖拉機(jī)的燃油消耗率進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂茷椋寒?dāng)蓄電池SOC低于蓄電池的下限SOCL時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)蓄電池SOC高于蓄電池的上閾SOCH時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；當(dāng)動(dòng)力SOC介于蓄電池上閾與下閾之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)保持原來(lái)的狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂撇呗匀鐖D8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂撇呗訤ig.8 Engine start-stop control strategy

定點(diǎn)能量管理策略為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以恒功率工作。仿真結(jié)果如圖9所示。

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

由圖9可知：在圖3設(shè)定工況下，增程式電動(dòng)拖拉機(jī)的綜合油耗為2.99L/km，東方紅1804拖拉機(jī)的綜合油耗為3.16L/km，其經(jīng)濟(jì)性可提升5.37%。

6 結(jié)論

1)制定了增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，提出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

2)以東方紅1804為實(shí)例，通過(guò)計(jì)算其整機(jī)參數(shù)、牽引電動(dòng)機(jī)參數(shù)、增程式能量系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了增程式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3)基于AVL CRUISE平臺(tái)，采用定點(diǎn)能量管理策略，對(duì)照傳統(tǒng)機(jī)型，分析了增程式電動(dòng)拖拉機(jī)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(jīng)濟(jì)性提高了5.37%。