張宇，李志偉*，王璨，解繼紅,2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.晉中學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

電動(dòng)拖拉機(jī)(Electric Tractor，ET)作為新型農(nóng)用動(dòng)力源，具有污染小、噪聲低、效率高、操作方便、易于遙控等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)減輕環(huán)境污染、緩解能源危機(jī)與操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化與設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣具有重要意義。然而，電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境的惡劣與低速大扭矩工作狀態(tài)增加了其推廣應(yīng)用的難度。拖拉機(jī)主要在田間作業(yè)，泥土雜質(zhì)與徑向沖擊負(fù)載較多，包括犁地、耕整地等持續(xù)性大負(fù)載，且需長(zhǎng)時(shí)間保持低轉(zhuǎn)速大扭矩狀態(tài)，普通電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法在此環(huán)境下正常工作。

國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究相對(duì)歐美國(guó)家起步較晚[1,2]。高輝松等[2～4]利用ADVISOR軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整機(jī)進(jìn)行仿真與理論方法研究；楊福增等[5,6]對(duì)履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行了實(shí)體驗(yàn)證與后期開發(fā)；徐立友等[7,8]對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)體驗(yàn)證與后期開發(fā)；商高高等[9,10]對(duì)履帶式拖拉機(jī)做了優(yōu)化與改進(jìn)；謝斌等[11,12]在對(duì)傳動(dòng)性進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證的基礎(chǔ)上做了智能化改進(jìn)。本文通過優(yōu)選電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在滿足工作要求、提高節(jié)能性的同時(shí)獲得更多續(xù)航時(shí)間，為電動(dòng)拖拉機(jī)(包括增程式電動(dòng)拖拉機(jī)純電動(dòng)模式)續(xù)航時(shí)間短、整機(jī)比功率不足等問題的解決提供一種方法和途徑。

1　驅(qū)動(dòng)系總方案

1.1　傳動(dòng)系方案

由于變速箱與離合器自身為非動(dòng)力源，占用空間較大，且工作時(shí)將減少整機(jī)比能量，不利于電機(jī)散熱，故本文取消變速箱，以電動(dòng)機(jī)加減速器直接驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)一步減少傳動(dòng)系尺寸和重量，提高整車能量比與布置靈活性，降低整機(jī)成本與駕駛強(qiáng)度[13]。

傳動(dòng)系由電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)并取消離合器、變速箱后，僅通過后橋減速器與輪軸連接，且動(dòng)力輸出軸(Power Take Off，PTO)由后橋驅(qū)動(dòng)。該電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)系仿真模型如圖1所示。

圖1　純電動(dòng)拖拉機(jī)頂層仿真模型Fig.1　Block Diagram model of Electric Tractor (ET)

1.2　電機(jī)類型選擇

力矩電機(jī)由于價(jià)格高昂，目前只適用于精密特種車輛。輪邊電機(jī)由于其布置緊鄰輻板輪輞，難以抵御拖拉機(jī)犁耕等大功率作業(yè)時(shí)正向與側(cè)向土石泥沙的沖擊與嵌入，只適合園藝類輕載小負(fù)荷拖拉機(jī)使用。異步電機(jī)帶載啟動(dòng)能力弱、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，直接驅(qū)動(dòng)不宜采用。

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)因其轉(zhuǎn)子無繞組、靠長(zhǎng)短磁路勵(lì)磁提供感應(yīng)轉(zhuǎn)矩，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱好、無發(fā)熱退磁現(xiàn)象、制造成本低、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高、控制方式多樣等優(yōu)點(diǎn)，可大負(fù)載直接啟動(dòng)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速均可調(diào)，并可快速切換正反轉(zhuǎn)[14～16]，因此，本文以開關(guān)磁阻電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輔助電機(jī)則采用普通小功率直流電機(jī)。

2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　作業(yè)工況分析

設(shè)計(jì)機(jī)型面向北方旱田，作業(yè)時(shí)多梯田、地塊狹小、地長(zhǎng)較短。通常拖拉機(jī)犁耕作業(yè)時(shí)負(fù)載最大，對(duì)應(yīng)工作速度3～6 km·h-1。

不計(jì)風(fēng)阻與加速阻力，機(jī)組受力平衡關(guān)系：

FqN≥FT+Ff+Fα

(1)

式中：FqN為拖拉機(jī)額定驅(qū)動(dòng)力/N；FT為拖拉機(jī)需提供的牽引力/N；Ff為拖拉機(jī)滾動(dòng)阻力/N；Fα為坡道阻力/N。

2.2　牽引平衡方程

在最大使用重量下，水平區(qū)段、中等濕度的茬地上，牽引負(fù)荷最大功率等速行駛，有：

FTplough=Z·bl·h·k0

(2)

FT=Fq-Ff

(3)

Ff=μmg

(4)

式中：FTplough為犁耕牽引力，N；Z為犁鏵個(gè)數(shù)；bl為單體犁鏵寬度/cm；h為耕深/cm；k0為土壤比阻/N·cm-2；Fq為拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力/N；μ為滾動(dòng)阻力系數(shù)，旱田0.05～0.1；m為拖拉機(jī)質(zhì)量/kg；g為重力加速度/N·kg-1。

要求車輪驅(qū)動(dòng)力在額定工況不低于1.119 kN，最大工況不低于4.706 kN，最大瞬時(shí)峰值不低于31.372 kN。

2.3　效率與功率

2.3.1牽引效率

在牽引農(nóng)機(jī)具做功功率確定的前提下，牽引電機(jī)輸出功率與傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)效率、滾動(dòng)效率有關(guān)，即

ηT=ηmηδηf

(5)

ηm=0.98a×0.95b

(6)

式中：ηT為牽引效率；ηm為傳動(dòng)效率；a、b分別為后橋傳動(dòng)系的圓柱齒輪對(duì)數(shù)和圓錐齒輪對(duì)數(shù)(兩級(jí)傳動(dòng)無PTO輸出時(shí)取2、0)；ηδ為滑轉(zhuǎn)效率；ηf為滾動(dòng)效率。

2.3.2電機(jī)功率

SRM具有在低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩、在中高速范圍內(nèi)恒功率的特性。以拖拉機(jī)進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)的最大設(shè)定速度作為確定牽引電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工況最大轉(zhuǎn)速的設(shè)定依據(jù)，忽略滾動(dòng)阻力并考慮工況和路況的變化可能引起的阻力變化，預(yù)留一定功率儲(chǔ)備后得到SRM功率滿足：

(7)

PSRM≥PT

(8)

式中：PT為牽引電動(dòng)機(jī)功率/W；FTN為犁耕所需額定牽引力/N；VT為拖拉機(jī)作業(yè)速度/km·h-1；β為功率儲(chǔ)備系數(shù)，取2.3；PSRM為SRM額定功率，W，取整得10 kW。

輔助電機(jī)因其提升距離短、做功間隔長(zhǎng)，功率主要影響提升快慢。按額定提升重量600 kg、提升高度30 cm、提升時(shí)間10 s計(jì)算，提升功率為600×9.8×0.3/10=176.4 W。

2.3.3電機(jī)轉(zhuǎn)速

為適應(yīng)拖拉機(jī)低速大扭矩的運(yùn)行特點(diǎn)、節(jié)約減速比，選用低速區(qū)段電機(jī)。

當(dāng)車輪滑轉(zhuǎn)率δ為0時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速呈線性關(guān)系，驅(qū)動(dòng)輪選用6.50～16車胎，外徑：(765±8) mm，后橋減速比35，傳統(tǒng)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)時(shí)最大車速5～6 km·h-1，運(yùn)輸作業(yè)時(shí)最高車速取18 km·h-1。求得各主要轉(zhuǎn)速、車速如表1所示。

表1　主要車速及對(duì)應(yīng)輪軸、電機(jī)轉(zhuǎn)速Table 1　Key Speeds of ET, wheel, and SRM

2.4　電機(jī)電壓與其他參數(shù)選擇

2.4.1電機(jī)額定電壓

一方面，由于小型拖拉機(jī)工作時(shí)振動(dòng)與機(jī)械沖擊都較大，對(duì)絕緣防護(hù)級(jí)別要求高，為安全起見，選用較低電壓驅(qū)動(dòng)。另一方面，在功率一定下，額定電壓過低時(shí)對(duì)應(yīng)的額定電流過大，過低的電壓會(huì)增加電力電子器件的開關(guān)損耗(如IGBT管)，過大的電流又會(huì)造成開關(guān)管通態(tài)壓降變大、功耗增加(如MOS管)，降低電路的可靠性與經(jīng)濟(jì)性?？紤]SRM額定功率后，采用IGBT驅(qū)動(dòng)的最低適宜電壓200 V，對(duì)應(yīng)額定電流50 A。輔助電機(jī)因其功率小，故選擇安全電壓36 V。

2.4.2電機(jī)其他參數(shù)

極數(shù)方面，極數(shù)過少時(shí)振動(dòng)噪聲過大，反之功率區(qū)間過低，結(jié)合目前廠家生產(chǎn)技術(shù)成熟度與電動(dòng)車應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選三相12/8極。

散熱方面，拖拉機(jī)慢速行駛時(shí)電機(jī)自然冷卻條件差，故采用液冷系統(tǒng)，同時(shí)能為功率電路、蓄電池等發(fā)熱設(shè)備提供額外散熱條件。

綜上，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用HSR12SL-25型三相12/8極SRM，額定功率10 kW(最大功率12 kW)，額定電壓200 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1(最大轉(zhuǎn)速5 000 r·min-1)，液體循環(huán)冷卻。輔助電機(jī)選QBL5704-94-04-042無刷直流電機(jī)，額定功率175.9 W，額定電壓36 V，額定轉(zhuǎn)速4 000 r·min-1，額定(最大)扭矩0.059(0.42)Nm，重量1.3 kg。

對(duì)應(yīng)SRM尺寸[17]：長(zhǎng)400 mm，外徑200 mm，可連同傳動(dòng)系統(tǒng)一置于車座下方；輔助電機(jī)：長(zhǎng)25 mm，外徑57 mm，裝于車尾，如圖2所示。

圖2　電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案Fig.2　Structure scheme for driving line of ET注：1. 蓄電池組 2. 控制器與調(diào)壓電路 3. 電動(dòng)機(jī)4.后橋差速器總成 5. 升降輔助電機(jī)Note:1. Batteries 2. Controller and Chopper 3. Motor 4.Integration of final drive and differential 5. Auxiliary DC Motor

2.5　動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組作為純電動(dòng)拖拉機(jī)唯一動(dòng)力源，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮體積、容量、電壓限制、電流限制等邊界條件。本文基于以上因素提出先按電動(dòng)機(jī)最大功率和機(jī)身體積容量確定電池?cái)?shù)，再按照電壓、電流限制驗(yàn)證修正的方法選擇電池組型號(hào)與數(shù)量。

按照剩余SOC30%使用下限與20 h放電率，對(duì)應(yīng)SRM額定功率，蓄電池單體數(shù)n滿足：

(9)

同體積電動(dòng)拖拉機(jī)最大容納單體n滿足：

(10)

式中，E0為蓄電池單體額定電壓/V；C20為20h率額定容量/Ah；ηmC為SRM及控制器的效率；A為體積調(diào)整系數(shù)，取1.1；VC為參照拖拉機(jī)機(jī)頭體積/m3；V0為單個(gè)蓄電池體積/m3。n取n1范圍內(nèi)最大值，得蓄電池組實(shí)際輸出電壓UB：

UB=nE0

(11)

拖拉機(jī)用電力線與調(diào)壓電路的載流量一般不超過60 A，過流時(shí)可通過并聯(lián)分流實(shí)現(xiàn)功率傳輸與變換，并聯(lián)支路數(shù)不超過3，否則支路過多將導(dǎo)致電路成本過高、體積過大。

選擇型號(hào)6-QW-110(Icc)(下固定式)，其額定電壓12 V，20 h率額定容量110 Ah，外形尺寸169 mm×209 mm×230 mm，對(duì)應(yīng)SRM最大功率12 kW，蓄電池單體數(shù)n滿足：

110×12n×(1-30%)≥12 000

(12)

以飛象牌微型拖拉機(jī)為參照，機(jī)頭體積0.264 m3，同體積電動(dòng)拖拉機(jī)最大容納單體n滿足：

0.169×0.209×0.230n≤0.264

(13)

聯(lián)立(12)、(13)解得12.987≤n≤32.497，n取最大值32，此時(shí)體積0.259m3，若電池組全部串聯(lián)時(shí)輸出額定電壓384 V，-18 ℃啟動(dòng)電流Icc=432 A，具備拓?fù)湓O(shè)計(jì)余量。依據(jù)輸出額定電壓與SRM額定電壓的匹配度，輸出額定電壓204 V接近負(fù)載額定電壓，調(diào)整設(shè)計(jì)蓄電池組串聯(lián)17組、并聯(lián)2路，體積0.276m3，滿容供額定負(fù)載時(shí)電路電流52.08 A。

2.6　重量參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)拖拉機(jī)的最大使用重量GSmax應(yīng)使所設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)在滑轉(zhuǎn)率不超過規(guī)定值的情況下發(fā)揮出額定牽引力，即：

(14)

式中：φδ為滑轉(zhuǎn)率為δ時(shí)的附著系數(shù)；λqN為動(dòng)態(tài)質(zhì)量分配系數(shù)。

選定蓄電池、SRM的重量應(yīng)滿足約束條件：

(15)

式中：G1電動(dòng)機(jī)及控制電路重量，0.1 kN；G2蓄電池組重量，1.8 kN；Gstructure裝機(jī)前拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)重量，4.6 kN。

布置蓄電池組時(shí)應(yīng)使整機(jī)重心在驅(qū)動(dòng)輪處的前后轉(zhuǎn)矩不小于最大牽引力時(shí)負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩。

3　電機(jī)控制及建模

3.1　SRM建模

由于Simulink8.7(R2016a)庫(kù)中不含有12/8極SRM，故需先構(gòu)建模型[18]。搜索到powerlib．mdl文件，去掉只讀屬性；再將Switched Reluctance Motor模塊解鎖并保存后即可修改庫(kù)文件；

復(fù)制Switched Reluctance Motor、粘貼為新模塊并重命名為SRM128后，解除與模型庫(kù)之間的關(guān)聯(lián)。因新版Lookup Table(2-D)已過時(shí)、僅可在原模型中使用，故將原表中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至2-D Lookup Table，多出位數(shù)用0補(bǔ)齊。編輯SRM128的Mask項(xiàng)，將Parameter頁Type項(xiàng)中8/6、10/8數(shù)據(jù)刪除并隱藏該項(xiàng)；在Initialization頁面中命令窗口修改函數(shù)加入PosSensor=45；ITBLD=2*ITBLD；initialw=[0，30，15]，最后把Regulator(調(diào)節(jié)器)中位置檢測(cè)模塊減半為45，轉(zhuǎn)速積分模塊相應(yīng)改為[0，15，30]。

3.2　SRM調(diào)速電路模型

SRM及控制模型如圖3所示，調(diào)節(jié)器采樣位置信號(hào)后經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算給出控制器各相通斷信號(hào)，控制器內(nèi)多路分配器按照指令依次控制各開關(guān)組將電能分配給SRM各相繞組。

圖3　SRM控制模型Fig.3　Model of SRM Control Sets

可由單片機(jī)控制圖4中Turn-on angle與Turn-off angle(導(dǎo)通角與關(guān)斷角)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM的效率與功率的調(diào)整，阻力一定時(shí)輸出功率的調(diào)整即車速的調(diào)整。

3.3　輔助電機(jī)調(diào)壓電路

電池組工作的一致性要求輔助電機(jī)電壓為36 V，通過對(duì)比目前常用降壓斬波電路，選擇Cuk Chopper作為本研究的調(diào)壓電路，其電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸入、輸出濾波[19]，使用元件較少、降壓效率較高；其仿真模型如圖5所示。

輔助電機(jī)作業(yè)時(shí)用靜態(tài)負(fù)載阻抗代替，用脈沖發(fā)生器代替MCU控制IGBT的通斷角，其他參數(shù)如圖5。仿真結(jié)果表明，該電路在IGBT導(dǎo)通角0.15～0.2、脈沖頻率10 kHz時(shí)，可將204 V降低至36 V，改變導(dǎo)通角可適應(yīng)啟動(dòng)脈沖并能調(diào)整輔助電機(jī)輸出功率。

4　仿真設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

4.1　SRM與整機(jī)電動(dòng)特性

SRM單機(jī)特性通過Ansoft Maxwell仿真獲取，其他參數(shù)由廠家設(shè)定。忽略傳動(dòng)效率后電動(dòng)拖拉機(jī)與SRM輸出機(jī)械特性保持線性關(guān)系，故統(tǒng)一分析。低速區(qū)具有良好的啟動(dòng)性能，并在直接啟動(dòng)時(shí)具備一定帶載能力，能在田間作業(yè)時(shí)提供較大牽引力，圖6為未加限幅控制時(shí)SRM特性及車輛最大驅(qū)動(dòng)力曲線，圖7為電機(jī)功率特性曲線。

圖4　調(diào)節(jié)器內(nèi)部模型Fig.4　Internal Model of Regulator

圖5　降壓電路仿真模型Fig.5　Model of Cuk Chopper for lift motor of PTO

圖6　電機(jī)機(jī)械特性與車速牽引力關(guān)系Fig.6　Mechanical characteristics of SRM and relation between vehicle speed and traction

圖7　轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線Fig.7　Relation between speed and traction power

電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600～7 000 r·min-1時(shí)對(duì)應(yīng)拖拉機(jī)運(yùn)輸作業(yè)的中高速區(qū)，車速6.58～28.8 km·h-1，此時(shí)車輛所受阻力除傳動(dòng)系機(jī)械摩擦外，車輪滾動(dòng)阻力對(duì)最大車速度影響較大。

正常耕作時(shí)滑轉(zhuǎn)率為0，除作業(yè)以外，蓄電池組電能主要消耗在控制電路、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗與機(jī)械傳動(dòng)摩擦上。

圖8　轉(zhuǎn)速與效率曲線Fig.8　Efficiency characteristic of SRM

考慮電路功耗與傳動(dòng)損耗后，得到電池輸出總功率，由電池放電特性獲得工作時(shí)長(zhǎng)(見圖9，犁地時(shí)功率9.6 kW，運(yùn)輸時(shí)取1.4 kW)。

圖9　電池放電特性Fig.9　Discharge characteristic of batteries

滑轉(zhuǎn)率為0時(shí)，由電機(jī)功率曲線與各級(jí)傳動(dòng)的效率，可得各功率點(diǎn)的電池能耗曲線，從而求得各固定功率下作業(yè)時(shí)間(圖10)。

圖10　一次充電作業(yè)時(shí)間曲線Fig.10　Curve diagrams of continuous working time

4.2　計(jì)算結(jié)果分析

車輛及SRM主要性能參數(shù)如表2所示。由表2可知，所選SRM啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足車輛直接啟動(dòng)要求，且具有一定帶載啟動(dòng)能力，當(dāng)啟動(dòng)負(fù)載較低時(shí)可通過電流斬波控制實(shí)現(xiàn)限幅恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)；加速階段功率經(jīng)小幅振蕩后達(dá)到最大瞬時(shí)功率25 kW，設(shè)計(jì)蓄電池組符合-18 ℃啟動(dòng)要求；此時(shí)電機(jī)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，滿足車輛峰值堵轉(zhuǎn)要求。重載工作階段功率范圍9～23 kW，并有2 kW穩(wěn)定余量；重載最低轉(zhuǎn)速時(shí)SRM連續(xù)堵轉(zhuǎn)，滿足車輛最大工況要求；額定狀態(tài)滿足車輛額定工況要求。車輛運(yùn)輸行駛時(shí)，最高車速達(dá)22.4 km·h-1，滿足通用拖拉機(jī)行駛要求。

調(diào)速特性方面，在高頻控制脈沖的情況下，認(rèn)為可連續(xù)改變IGBT通斷角。在固定負(fù)載時(shí)，通過減小導(dǎo)通時(shí)間可對(duì)SRM進(jìn)行無級(jí)調(diào)壓調(diào)速，調(diào)速范圍在500 r·min-1至特性曲線之間，對(duì)應(yīng)車速達(dá)1.723 km·h-1以上。

由圖10可知，額定功率作業(yè)時(shí)續(xù)航時(shí)間約5 h，最多犁地21 467m2(以幅寬1 m計(jì))；以1.4 kW運(yùn)輸時(shí)運(yùn)輸距離約150 km。

5　結(jié)論

本研究基于SRM特性設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過“直驅(qū)電機(jī)電控”形式，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)作業(yè)條件下的無級(jí)變速功能；采用Cuk Chopper調(diào)壓電路與輔助電機(jī)借助減速裝置實(shí)現(xiàn)了小型拖拉機(jī)犁耕農(nóng)機(jī)具的升降并具有一定調(diào)速功能；增加蓄電池組并進(jìn)行優(yōu)化，延長(zhǎng)了電動(dòng)拖拉機(jī)工作時(shí)間。該系統(tǒng)亦可用于特種工程車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣化改進(jìn)，為電動(dòng)拖拉機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)與完善提供理論依據(jù)。

表2　車輛及SRM主要性能匯總Table 2　Main Characteristics of ET, and SRM