徐立友 趙一榮 趙學(xué)平 劉孟楠 倪 倩

(1.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471003； 2.拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 洛陽(yáng) 471039；3.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 洛陽(yáng) 471039； 4.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 西安 710048)

0 引言

拖拉機(jī)作為主要農(nóng)業(yè)機(jī)械，配合農(nóng)機(jī)具可完成犁耕、旋耕、植保和打捆等多種形式的農(nóng)業(yè)作業(yè)。溫室大棚等特殊作業(yè)環(huán)境對(duì)低噪聲、無(wú)污染農(nóng)用機(jī)械的需求越來(lái)越迫切[1-2]。與傳統(tǒng)拖拉機(jī)相比，電動(dòng)拖拉機(jī)具有低能耗、零污染和傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，是農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展重要方向之一[3-4]。目前，國(guó)外電動(dòng)拖拉機(jī)研究處于樣機(jī)開發(fā)階段，如2017年2月，約翰迪爾公司推出的大功率純電動(dòng)拖拉機(jī)SESAM樣機(jī)，輸出動(dòng)力為279.3 kW，可持續(xù)作業(yè)4 h；2017年9月，芬特公司推出了中功率e100型純電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)，輸出動(dòng)力為50 kW，可持續(xù)作業(yè)5 h[5-8]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)一拖集團(tuán)公司于2014年推出ET1401型純電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)，輸出功率為14 kW，采用雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可持續(xù)作業(yè)2 h；2018年又推出了“超級(jí)拖拉機(jī)Ⅰ號(hào)” 電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)，包含電池組智能管理系統(tǒng)、中置電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)人駕駛系統(tǒng)。有關(guān)高校對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)設(shè)計(jì)方法、控制技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，逐漸形成了具有我國(guó)自主創(chuàng)新特點(diǎn)的相關(guān)理論體系，為相關(guān)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[9-15]。

臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的部件匹配、總成測(cè)試、系統(tǒng)標(biāo)定和整機(jī)性能分析等具有重要作用。利用部件或總成臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與整機(jī)之間的機(jī)電關(guān)系，可于產(chǎn)品開發(fā)中前期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整機(jī)性能，有效提高設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程的效率[16-17]。NOVAK等[18]采用永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加載裝置，對(duì)電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量使用效率進(jìn)行測(cè)試；HANNAN等[19]采用精確的電池模型開發(fā)了電動(dòng)汽車電池測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試基于不同算法電池管理系統(tǒng)的功能；王兵[20]和侯海源[21]分別對(duì)串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力拖拉機(jī)進(jìn)行了功能模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)性能進(jìn)行了仿真分析；高輝松等[22]提出了純電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了基于LabVIEW的電動(dòng)拖拉機(jī)測(cè)控系統(tǒng)；謝斌等[23]開發(fā)了電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，其測(cè)試性能較好。上述研究成果對(duì)于能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)方法關(guān)注較少，難以同時(shí)滿足設(shè)計(jì)開發(fā)周期內(nèi)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)“三電”系統(tǒng)的測(cè)試要求。

本文基于電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)方案和功能原理，設(shè)計(jì)電動(dòng)拖拉機(jī)綜合臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，提出主要參數(shù)和硬件匹配方法，設(shè)計(jì)適用于90 kW以下的電動(dòng)拖拉機(jī)需求的試驗(yàn)系統(tǒng)，以期為電動(dòng)拖拉機(jī)產(chǎn)品開發(fā)提供試驗(yàn)和方法參考。

1 綜合臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)工況下，其動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率消耗包括傳動(dòng)系統(tǒng)功率損失、驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)功率損失、整機(jī)滾動(dòng)阻力功率損失和牽引農(nóng)具功率，即

Pe=Pc+Pδ+Pf+PT

(1)

式中Pe——電動(dòng)機(jī)有效功率，kW

Pc——傳動(dòng)系統(tǒng)損失功率，kW

Pδ——滑轉(zhuǎn)損失功率，kW

Pf——滾動(dòng)阻力損失功率，kW

PT——牽引功率，kW

電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率指整機(jī)牽引農(nóng)具輸出功率，牽引效率反映整機(jī)有效功率的利用程度，即

PT=Peηcηδηf

(2)

式中ηc——傳動(dòng)效率ηδ——滑轉(zhuǎn)效率

ηf——滾動(dòng)效率

傳動(dòng)效率用于衡量整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)功率損失，可用驅(qū)動(dòng)輪功率與電動(dòng)機(jī)有效功率比值表示?；D(zhuǎn)效率反映驅(qū)動(dòng)輪功率滑轉(zhuǎn)損失，即

ηδ=1-δ

(3)

式中δ——驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率

拖拉機(jī)作業(yè)滑轉(zhuǎn)率，可通過(guò)整車參數(shù)和驅(qū)動(dòng)力等參數(shù)計(jì)算，其表達(dá)式為

(4)

(5)

式中φq——驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)載荷系數(shù)

φmax——驅(qū)動(dòng)輪最大動(dòng)載荷系數(shù)

δ*——作業(yè)路況下特征滑轉(zhuǎn)率

L——拖拉機(jī)軸距，m

Ft——驅(qū)動(dòng)力，N

Frz——拖拉機(jī)后輪靜載荷，N

hT——牽引點(diǎn)高度，m

滾動(dòng)效率指滾動(dòng)阻力造成的功率損失，其表達(dá)式為

(6)

式中Ff——滾動(dòng)阻力，N

電動(dòng)拖拉機(jī)主要用于完成田間作業(yè)，在其作業(yè)工況下輸出牽引力為

(7)

式中FT——電動(dòng)拖拉機(jī)牽引力，N

Ttq——電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

ig——變速器傳動(dòng)比

io——主減速器傳動(dòng)比

r——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m

電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)工況下行駛速度為

(8)

式中u——電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)速度，km/h

n——電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min

電動(dòng)拖拉機(jī)采用電池組提供電能，其整車能量使用效率為[24]

ηT=ηdηkηδηfηc

(9)

式中ηT——整車能量使用效率

ηd——電動(dòng)機(jī)效率

ηk——電機(jī)控制器效率

電動(dòng)拖拉機(jī)額定作業(yè)時(shí)間指電池組處于荷電狀態(tài)下，可持續(xù)犁耕作業(yè)時(shí)間。拖拉機(jī)犁耕作業(yè)下額定牽引功率為

(10)

式中PTn——額定牽引功率，kW

FTM——額定牽引力，N

vT——拖拉機(jī)耕作速度，km/h

電動(dòng)拖拉機(jī)電池組可輸出能量為

Wn=CbU0Dη

(11)

式中Wn——電池組可輸出能量，W·h

Cb——電池組額定容量，A·h

U0——電池組放電電動(dòng)勢(shì)，V

Dη——放電深度

電動(dòng)拖拉機(jī)能源系統(tǒng)實(shí)際放電量與其作業(yè)工況有關(guān)，能源系統(tǒng)實(shí)際放電量數(shù)學(xué)模型為

(12)

式中I——恒流放電電流，A

Ib——實(shí)際放電電流，A

k——放電指數(shù)

電池組容量一定的情況下，電動(dòng)拖拉機(jī)持續(xù)工作時(shí)間為

(13)

綜上可知，通過(guò)測(cè)試電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)Pe、Ttq、n、ηd和ηk，以及電池組放電規(guī)律和W等參數(shù)，結(jié)合所開發(fā)整車相關(guān)參數(shù)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)性能。

1.2 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)包含動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K和能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K的電動(dòng)拖拉機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案(圖1)。電動(dòng)拖拉機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)控制輸出控制信號(hào)，測(cè)試電池組或電動(dòng)機(jī)相關(guān)性能，同時(shí)接收試驗(yàn)過(guò)程反饋測(cè)試信號(hào)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Structural scheme of multifunctional test system

電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K中，電池模擬器為試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)控制器提供穩(wěn)定的直流電，加載電動(dòng)機(jī)以試驗(yàn)需要的方式為試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)加載，模擬電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)載荷。功率分析儀采集輸入到試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)控制器和電動(dòng)機(jī)的電流、電壓等參數(shù)，得到電動(dòng)機(jī)控制器和電動(dòng)機(jī)的輸入電功率；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，得到試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)輸出有效機(jī)械功率。上位機(jī)綜合功率分析儀和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集信號(hào)，分析計(jì)算電動(dòng)機(jī)有效功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制器工作效率。能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K中，上位機(jī)設(shè)置電池組以恒流、恒壓和脈沖放電等工況進(jìn)行試驗(yàn)，BMS通過(guò)直流電壓電流傳感器采集電池組狀態(tài)信息，得到電池組實(shí)際放電容量、不同工況下可放電時(shí)間和放電規(guī)律。電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K和能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K各控制器之間，以及各試驗(yàn)?zāi)K信息交互均采用CAN總線通信。

2 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 總體參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1精度設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析有較大影響。該試驗(yàn)系統(tǒng)由能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K和動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K組成，則試驗(yàn)系統(tǒng)精度為

Ef=EDf+ENf

(14)

式中Ef——試驗(yàn)系統(tǒng)精度

ENf——能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K測(cè)量精度

EDf——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K測(cè)量精度

能源系統(tǒng)模塊測(cè)量參數(shù)包括電池組電壓、電流、溫度和SOC，則測(cè)量精度為

ENf=max(Eif,Etf,Euf,ESf)

(15)

式中Eif——電流參數(shù)測(cè)量精度

Etf——溫度參數(shù)測(cè)量精度

Euf——電壓參數(shù)測(cè)量精度

ESf——SOC測(cè)量精度

動(dòng)力系統(tǒng)模塊包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等機(jī)械參數(shù)，以及輸入試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的電壓、電流等電氣參數(shù)，則測(cè)量精度為

(16)

式中ETf——轉(zhuǎn)矩參數(shù)測(cè)量精度

Enf——轉(zhuǎn)速參數(shù)測(cè)量精度

2.1.2量程設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)系統(tǒng)可滿足90 kW電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)性能。測(cè)試量程有試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍，以及試驗(yàn)電池組最大放電電壓和電流。

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K最大加載轉(zhuǎn)矩需大于90 kW電動(dòng)拖拉機(jī)犁耕需求，即

(17)

式中i——總傳動(dòng)比

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K最大加載轉(zhuǎn)速需滿足電動(dòng)拖拉機(jī)最大行駛速度需求，即

(18)

式中umax——拖拉機(jī)最大行駛速度，km/h

根據(jù)試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)峰值功率確定能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K最大輸出電壓，即

(19)

式中R——電池組內(nèi)阻，Ω

Pmax——電動(dòng)機(jī)峰值功率，kW

根據(jù)負(fù)載電動(dòng)機(jī)計(jì)算能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K最大輸出電流,即

(20)

式中Tm——負(fù)載電動(dòng)機(jī)最大輸出功率下扭矩，N·m

nm——負(fù)載電動(dòng)機(jī)最大輸出功率下轉(zhuǎn)速，r/min

Vm——負(fù)載電動(dòng)機(jī)工作電壓，V

ηm——系統(tǒng)效率

2.2 模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K加載電動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)提供負(fù)載，模擬作業(yè)工況載荷。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率計(jì)算加載電動(dòng)機(jī)功率，為了保證試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)加載要求，加載電動(dòng)機(jī)功率需滿足

PL=(1.2-1.5)PTM

(21)

式中PL——加載電動(dòng)機(jī)功率，kW

PTM——試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)功率，kW

計(jì)算加載電動(dòng)機(jī)功率后，需進(jìn)行平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和發(fā)熱校驗(yàn)[25-26]。對(duì)于本文所選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，加載電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

Tstav=(0.45～0.5)(Ts+Tcr)

(22)

式中Tstav——平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m

Ts——堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，N·m

Tcr——最大轉(zhuǎn)矩，N·m

電動(dòng)機(jī)最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)公式為

(23)

式中TMmin——電動(dòng)機(jī)最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m

TLmax——電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載扭矩，N·m

Ku——電壓波動(dòng)系數(shù)

Ks——啟動(dòng)加速轉(zhuǎn)矩系數(shù)

電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)等效電流法適用于交流、直流各種電動(dòng)機(jī)，即

(24)

式中In——單個(gè)周期負(fù)載電流曲線近似直線段分段電流，A

tn——分段負(fù)載持續(xù)時(shí)間，s

電池測(cè)試系統(tǒng)用于完成電池組恒流充放電、恒壓充放電和脈沖放電等工況測(cè)試。電池測(cè)試系統(tǒng)主要由變壓電路、整流逆變電路、恒流電路和充放電轉(zhuǎn)換電路組成，其中控制電路控制電池組充放電電流[27-28]。電池測(cè)試系統(tǒng)最大輸出電壓和電流，參照能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K輸出峰值電壓和電流設(shè)計(jì)。根據(jù)開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)功能要求，選用PWM變壓+雙向DC/DC變流器結(jié)構(gòu)形式的電池模擬器[29]。電池模擬器用于為試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)提供電能，同時(shí)模擬不同類型電池放電特性，研究電動(dòng)拖拉機(jī)最優(yōu)能源系統(tǒng)。

3 電動(dòng)拖拉機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 硬件選型

根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)計(jì)算，完成試驗(yàn)設(shè)備選型匹配。主要有加載電動(dòng)機(jī)、直流電池模擬器、電池測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)量元件和測(cè)控系統(tǒng)，表1為硬件設(shè)備主要參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，完成試驗(yàn)硬件選型，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，圖2為綜合試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物圖。

電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K可測(cè)試電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率等參數(shù)。試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和加載電動(dòng)機(jī)機(jī)械連接，變頻器控制加載電動(dòng)機(jī)以特定方式進(jìn)行加載；電參數(shù)測(cè)量電橋可實(shí)時(shí)測(cè)量電池模擬器和電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)下的電參數(shù)，經(jīng)計(jì)算可得動(dòng)力系統(tǒng)輸入電動(dòng)率；轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，加載電動(dòng)機(jī)編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速，可得動(dòng)力系統(tǒng)輸出機(jī)械功率；電參數(shù)測(cè)量電橋、轉(zhuǎn)矩傳感器和編碼器測(cè)量參數(shù)以CAN通信至上位機(jī)，得動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)。

表1 硬件設(shè)備參數(shù)Tab.1 Hardware device parameters

圖2 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of test platform1.電池測(cè)試系統(tǒng) 2.電池組及BMS系統(tǒng) 3.電機(jī)控制器 4.變頻系統(tǒng) 5.試驗(yàn)電機(jī) 6.轉(zhuǎn)矩傳感器 7.加載電機(jī)

電動(dòng)拖拉機(jī)能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K可測(cè)試電池組輸出實(shí)際容量和放電規(guī)律。試驗(yàn)電池組正負(fù)極分別與電池模擬器端子直接連接，通過(guò)電池測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)控制電池組放電電流；電池組能量管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)記錄電池組SOC、電壓和電流等。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

為了驗(yàn)證所開發(fā)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。該電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采用37 kW直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)；能源系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，其額定電壓為308 V，額定容量144 A·h，額定放電電流50 A，最高放電電壓434 V，單體電芯額定電壓3.2 V。

4.2 能源系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證所開發(fā)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)功能，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)電池組進(jìn)行了能源系統(tǒng)試驗(yàn)。由上位機(jī)控制電池測(cè)試系統(tǒng)，電池組從SOC為100%開始放電，當(dāng)SOC為20%終止；上位機(jī)以1 s為步長(zhǎng)采集放電過(guò)程中動(dòng)力電池組SOC、單體電池電壓和電流。

圖3為電池組平均單體電壓隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，電池組平均單體電壓隨時(shí)間下降速率存在3個(gè)階段：放電初期，平均單體電壓下降速率較大，電池組放電較快；放電中期，平均電壓下降速率較小，放電趨于平穩(wěn)；放電后期，平均電壓下降速率再次增加。

圖3 單體電壓變化曲線Fig.3 Changing curves of single voltage

電池組SOC下降速率對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間有較大影響，圖4為電池組SOC隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖4可知，電池SOC隨時(shí)間呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，且隨著放電電流增加，放電速率變快。

圖4 SOC隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Relationship between SOC and time

4.3 動(dòng)力系統(tǒng)性能試驗(yàn)

對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證該試驗(yàn)系統(tǒng)可完成動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)要求，圖5為電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線。由圖5可知，在同一轉(zhuǎn)速下，隨著轉(zhuǎn)矩增加，電動(dòng)機(jī)效率呈先增加而后降低的趨勢(shì)；同樣輸出下，電動(dòng)機(jī)效率高于電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率。

圖5 電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線Fig.5 Map diagram of motor system efficiency

4.4 綜合工況試驗(yàn)

由于所開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)加載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身具有慣性，其加載載荷變化頻率難以滿足電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)載荷譜變化頻率。本文試驗(yàn)采用整機(jī)典型作業(yè)工況，對(duì)應(yīng)權(quán)重測(cè)試整機(jī)作業(yè)性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法為

式中ω1、ω2、…、ωn——各工況測(cè)試權(quán)重

T——各工況試驗(yàn)時(shí)間，s

P1、P2、…、Pn——各工況整機(jī)輸出功率，kW

根據(jù)文獻(xiàn)[32]中拖拉機(jī)典型作業(yè)工況，采用重負(fù)荷率、中負(fù)荷率和輕負(fù)荷率不同權(quán)重測(cè)試整機(jī)能耗經(jīng)濟(jì)性。重負(fù)荷率工況包含旋耕作業(yè)、犁耕和耙耕作業(yè)，設(shè)計(jì)綜合工況試驗(yàn)權(quán)重為0.4；中負(fù)荷率包括中耕和收獲作業(yè)，權(quán)重為0.45；輕負(fù)荷率為運(yùn)輸作業(yè)工況，權(quán)重為0.15。圖6為綜合工況電動(dòng)拖拉機(jī)能耗經(jīng)濟(jì)性測(cè)試曲線。

圖6 綜合工況電動(dòng)拖拉機(jī)能耗經(jīng)濟(jì)性測(cè)試曲線Fig.6 Energy economy test of electric tractor under comprehensive conditions

由圖6可知，電動(dòng)拖拉機(jī)在綜合工況下作業(yè)6 h，整機(jī)電池組SOC為23%，大于電池放電保護(hù)設(shè)計(jì)值20%，滿足整機(jī)綜合工況作業(yè)能耗經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求。

4.5 牽引特性分析

通過(guò)測(cè)試動(dòng)力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)工作特性，結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)參數(shù)和滑轉(zhuǎn)率，可分析整機(jī)動(dòng)力性能和作業(yè)工況下能耗經(jīng)濟(jì)性等。圖7為道路牽引負(fù)荷車試驗(yàn)，負(fù)荷車加載系統(tǒng)由能源部件、傳感器和執(zhí)行部件等組成。能源部件為加載系統(tǒng)提供220 V交流電壓；傳感器測(cè)量能源系統(tǒng)放電狀態(tài)和負(fù)荷車加載載荷；執(zhí)行部件由電渦流測(cè)功機(jī)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞到車輪。

圖7 道路牽引負(fù)荷車試驗(yàn)Fig.7 Road traction load vehicle test

在相同牽引力工況下，拖拉機(jī)作業(yè)滑轉(zhuǎn)率與整車質(zhì)量、輪距、軸距等參數(shù)相關(guān)。本文以整機(jī)參數(shù)相同的傳統(tǒng)拖拉機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，采用牽引負(fù)荷車測(cè)試所開發(fā)電動(dòng)拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)，圖8為電動(dòng)拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率變化曲線。

圖8 電動(dòng)拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率變化曲線Fig.8 Slip rate of electric tractor

電動(dòng)拖拉機(jī)調(diào)速特性反映整車驅(qū)動(dòng)力和行駛車速的關(guān)系。通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)外特性測(cè)試，結(jié)合整機(jī)設(shè)計(jì)傳動(dòng)比、輪徑和滑轉(zhuǎn)率等參數(shù)，可分析整機(jī)調(diào)速特性。圖9為電動(dòng)拖拉機(jī)調(diào)速特性，曲線A-B-C為電動(dòng)拖拉機(jī)1擋調(diào)速特性，曲線D-E-F為2擋調(diào)速特性，曲線G-H-I為3擋調(diào)速特性。

圖9 電動(dòng)拖拉機(jī)調(diào)速特性Fig.9 Speed regulation characteristics of electric tractors

由圖9可知，所開發(fā)電動(dòng)拖拉機(jī)在1擋時(shí)，輸出最大驅(qū)動(dòng)力為24.7 kN，行駛車速為2.4 km/h；當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定時(shí)，隨著輸出牽引力降低，拖拉機(jī)行駛速度增加；前期基于CRUISE仿真分析相同驅(qū)動(dòng)力輸出工況下的整車行駛車速與試驗(yàn)分析結(jié)果誤差在10%以內(nèi)[31]，說(shuō)明試驗(yàn)方法的可行性和仿真理論的準(zhǔn)確性。

結(jié)合電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)效率測(cè)試和整機(jī)參數(shù)，可分析整機(jī)牽引效率。圖10為電動(dòng)拖拉機(jī)牽引效率曲線。由圖10可知，前期基于CRUISE牽引效率仿真相同驅(qū)動(dòng)力工況下整機(jī)牽引效率，與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)[31]。當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)輸出牽引力逐漸增加，電機(jī)效率增加，滑轉(zhuǎn)損失功率也增加，電機(jī)效率提升大于滑轉(zhuǎn)損失功率，電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)超過(guò)最大輸出牽引功率時(shí)，滑轉(zhuǎn)損失功率占主導(dǎo)因素，且電動(dòng)機(jī)效率降低，電動(dòng)拖拉機(jī)輸出牽引功率降低。

圖10 電動(dòng)拖拉機(jī)牽引功率隨牽引力變化曲線Fig.10 Relationship between traction efficiency and traction

5 結(jié)論

(1)基于電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析了影響電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)能力和時(shí)間的主要因素，提出了電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)。采用模塊化方法，設(shè)計(jì)了電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K、能源系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)K和整體試驗(yàn)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)可完成動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試和能源系統(tǒng)電池組性能測(cè)試等。

(2)根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量精度和整體指標(biāo)計(jì)算方法。對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)子模塊進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，如加載電動(dòng)機(jī)、電池模擬器和電池測(cè)試系統(tǒng)等。計(jì)算了試驗(yàn)系統(tǒng)加載電動(dòng)機(jī)功率，經(jīng)校驗(yàn)，所選擇加載電動(dòng)機(jī)可滿足試驗(yàn)要求。闡述了電池模擬器和電池測(cè)試系統(tǒng)功能及其電子結(jié)構(gòu)。

(3)在設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)和電池組性能測(cè)試，采用Matlab平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)的電動(dòng)拖拉機(jī)多性能試驗(yàn)臺(tái)能夠有效測(cè)試整機(jī)主要性能特點(diǎn)；前期仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，滿足電動(dòng)拖拉機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)功能和設(shè)計(jì)要求。