徐立友 趙一榮 趙學平 劉孟楠 倪 倩

(1.河南科技大學車輛與交通工程學院， 洛陽 471003； 2.拖拉機動力傳動國家重點實驗室， 洛陽 471039；3.中國一拖集團有限公司技術中心， 洛陽 471039； 4.西安理工大學機械與精密儀器工程學院， 西安 710048)

0 引言

拖拉機作為主要農(nóng)業(yè)機械，配合農(nóng)機具可完成犁耕、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)境對低噪聲、無污染農(nóng)用機械的需求越來越迫切[1-2]。與傳統(tǒng)拖拉機相比，電動拖拉機具有低能耗、零污染和傳動效率高的特點，是農(nóng)業(yè)機械發(fā)展重要方向之一[3-4]。目前，國外電動拖拉機研究處于樣機開發(fā)階段，如2017年2月，約翰迪爾公司推出的大功率純電動拖拉機SESAM樣機，輸出動力為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型純電動拖拉機樣機，輸出動力為50 kW，可持續(xù)作業(yè)5 h[5-8]。在國內(nèi)，中國一拖集團公司于2014年推出ET1401型純電動拖拉機樣機，輸出功率為14 kW，采用雙電機獨立驅動，可持續(xù)作業(yè)2 h；2018年又推出了“超級拖拉機Ⅰ號” 電動拖拉機樣機，包含電池組智能管理系統(tǒng)、中置電機驅動系統(tǒng)和無人駕駛系統(tǒng)。有關高校對電動拖拉機設計方法、控制技術等方面進行了研究，逐漸形成了具有我國自主創(chuàng)新特點的相關理論體系，為相關技術發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎[9-15]。

臺架試驗技術對電動拖拉機的部件匹配、總成測試、系統(tǒng)標定和整機性能分析等具有重要作用。利用部件或總成臺架試驗結果與整機之間的機電關系，可于產(chǎn)品開發(fā)中前期準確預測整機性能，有效提高設計開發(fā)過程的效率[16-17]。NOVAK等[18]采用永磁同步電動機設計了電力驅動系統(tǒng)加載裝置，對電動車輛驅動系統(tǒng)能量使用效率進行測試；HANNAN等[19]采用精確的電池模型開發(fā)了電動汽車電池測試系統(tǒng)，測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]分別對串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力拖拉機進行了功能模塊化設計，對試驗臺性能進行了仿真分析；高輝松等[22]提出了純電動拖拉機試驗臺設計方法，開發(fā)了基于LabVIEW的電動拖拉機測控系統(tǒng)；謝斌等[23]開發(fā)了電動拖拉機驅動系統(tǒng)試驗臺架，其測試性能較好。上述研究成果對于能源系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)的綜合試驗方法關注較少，難以同時滿足設計開發(fā)周期內(nèi)對電動拖拉機“三電”系統(tǒng)的測試要求。

本文基于電動拖拉機結構方案和功能原理，設計電動拖拉機綜合臺架試驗系統(tǒng)結構方案，提出主要參數(shù)和硬件匹配方法，設計適用于90 kW以下的電動拖拉機需求的試驗系統(tǒng)，以期為電動拖拉機產(chǎn)品開發(fā)提供試驗和方法參考。

1 綜合臺架試驗臺結構方案

1.1 設計任務

電動拖拉機作業(yè)工況下，其動力系統(tǒng)輸出功率消耗包括傳動系統(tǒng)功率損失、驅動輪滑轉功率損失、整機滾動阻力功率損失和牽引農(nóng)具功率，即

Pe=Pc+Pδ+Pf+PT

(1)

式中Pe——電動機有效功率，kW

Pc——傳動系統(tǒng)損失功率，kW

Pδ——滑轉損失功率，kW

Pf——滾動阻力損失功率，kW

PT——牽引功率，kW

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

PT=Peηcηδηf

(2)

式中ηc——傳動效率ηδ——滑轉效率

ηf——滾動效率

傳動效率用于衡量整機傳動系統(tǒng)功率損失，可用驅動輪功率與電動機有效功率比值表示?；D效率反映驅動輪功率滑轉損失，即

ηδ=1-δ

(3)

式中δ——驅動輪滑轉率

拖拉機作業(yè)滑轉率，可通過整車參數(shù)和驅動力等參數(shù)計算，其表達式為

(4)

(5)

式中φq——驅動輪動載荷系數(shù)

φmax——驅動輪最大動載荷系數(shù)

δ*——作業(yè)路況下特征滑轉率

L——拖拉機軸距，m

Ft——驅動力，N

Frz——拖拉機后輪靜載荷，N

hT——牽引點高度，m

滾動效率指滾動阻力造成的功率損失，其表達式為

(6)

式中Ff——滾動阻力，N

電動拖拉機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——電動拖拉機牽引力，N

Ttq——電動機輸出轉矩，N·m

ig——變速器傳動比

io——主減速器傳動比

r——驅動輪半徑，m

電動拖拉機作業(yè)工況下行駛速度為

(8)

式中u——電動拖拉機作業(yè)速度，km/h

n——電動機輸出轉速，r/min

電動拖拉機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——電動機效率

ηk——電機控制器效率

電動拖拉機額定作業(yè)時間指電池組處于荷電狀態(tài)下，可持續(xù)犁耕作業(yè)時間。拖拉機犁耕作業(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——拖拉機耕作速度，km/h

電動拖拉機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——電池組放電電動勢，V

Dη——放電深度

電動拖拉機能源系統(tǒng)實際放電量與其作業(yè)工況有關，能源系統(tǒng)實際放電量數(shù)學模型為

(12)

式中I——恒流放電電流，A

Ib——實際放電電流，A

k——放電指數(shù)

電池組容量一定的情況下，電動拖拉機持續(xù)工作時間為

(13)

綜上可知，通過測試電動拖拉機動力系統(tǒng)電動機Pe、Ttq、n、ηd和ηk，以及電池組放電規(guī)律和W等參數(shù)，結合所開發(fā)整車相關參數(shù)，可準確預測電動拖拉機整機性能。

1.2 綜合試驗系統(tǒng)方案設計

采用模塊化設計方法，設計包含動力系統(tǒng)試驗模塊和能源系統(tǒng)試驗模塊的電動拖拉機綜合試驗系統(tǒng)結構方案(圖1)。電動拖拉機綜合試驗系統(tǒng)測控平臺控制輸出控制信號，測試電池組或電動機相關性能，同時接收試驗過程反饋測試信號，分析試驗數(shù)據(jù)。

圖1 綜合試驗系統(tǒng)結構方案Fig.1 Structural scheme of multifunctional test system

電動拖拉機動力系統(tǒng)試驗模塊中，電池模擬器為試驗電動機控制器提供穩(wěn)定的直流電，加載電動機以試驗需要的方式為試驗電動機加載，模擬電動拖拉機作業(yè)載荷。功率分析儀采集輸入到試驗電動機控制器和電動機的電流、電壓等參數(shù)，得到電動機控制器和電動機的輸入電功率；轉矩轉速傳感器測量試驗電動機輸出轉速轉矩，得到試驗電動機輸出有效機械功率。上位機綜合功率分析儀和轉矩轉速傳感器采集信號，分析計算電動機有效功率、輸出轉矩和轉速，以及電動機和電動機控制器工作效率。能源系統(tǒng)試驗模塊中，上位機設置電池組以恒流、恒壓和脈沖放電等工況進行試驗，BMS通過直流電壓電流傳感器采集電池組狀態(tài)信息，得到電池組實際放電容量、不同工況下可放電時間和放電規(guī)律。電動拖拉機動力系統(tǒng)試驗模塊和能源系統(tǒng)試驗模塊各控制器之間，以及各試驗模塊信息交互均采用CAN總線通信。

2 綜合試驗系統(tǒng)參數(shù)設計

2.1 總體參數(shù)設計

2.1.1精度設計

試驗系統(tǒng)精度對試驗結果分析有較大影響。該試驗系統(tǒng)由能源系統(tǒng)試驗模塊和動力系統(tǒng)試驗模塊組成，則試驗系統(tǒng)精度為

Ef=EDf+ENf

(14)

式中Ef——試驗系統(tǒng)精度

ENf——能源系統(tǒng)試驗模塊測量精度

EDf——動力系統(tǒng)試驗模塊測量精度

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

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

(15)

式中Eif——電流參數(shù)測量精度

Etf——溫度參數(shù)測量精度

Euf——電壓參數(shù)測量精度

ESf——SOC測量精度

動力系統(tǒng)模塊包括轉速、轉矩等機械參數(shù)，以及輸入試驗電動機的電壓、電流等電氣參數(shù)，則測量精度為

(16)

式中ETf——轉矩參數(shù)測量精度

Enf——轉速參數(shù)測量精度

2.1.2量程設計

該試驗系統(tǒng)可滿足90 kW電動拖拉機動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)性能。測試量程有試驗電動機轉速和轉矩范圍，以及試驗電池組最大放電電壓和電流。

動力系統(tǒng)試驗模塊最大加載轉矩需大于90 kW電動拖拉機犁耕需求，即

(17)

式中i——總傳動比

動力系統(tǒng)試驗模塊最大加載轉速需滿足電動拖拉機最大行駛速度需求，即

(18)

式中umax——拖拉機最大行駛速度，km/h

根據(jù)試驗電動機峰值功率確定能源系統(tǒng)試驗模塊最大輸出電壓，即

(19)

式中R——電池組內(nèi)阻，Ω

Pmax——電動機峰值功率，kW

根據(jù)負載電動機計算能源系統(tǒng)試驗模塊最大輸出電流,即

(20)

式中Tm——負載電動機最大輸出功率下扭矩，N·m

nm——負載電動機最大輸出功率下轉速，r/min

Vm——負載電動機工作電壓，V

ηm——系統(tǒng)效率

2.2 模塊參數(shù)設計

動力系統(tǒng)試驗模塊加載電動機為試驗電動機提供負載，模擬作業(yè)工況載荷。根據(jù)動力系統(tǒng)輸出功率計算加載電動機功率，為了保證試驗電動機加載要求，加載電動機功率需滿足

PL=(1.2-1.5)PTM

(21)

式中PL——加載電動機功率，kW

PTM——試驗電動機功率，kW

計算加載電動機功率后，需進行平均啟動轉矩、最小啟動轉矩和發(fā)熱校驗[25-26]。對于本文所選用感應電動機，加載電動機啟動轉矩計算式為

Tstav=(0.45～0.5)(Ts+Tcr)

(22)

式中Tstav——平均啟動轉矩，N·m

Ts——堵轉轉矩，N·m

Tcr——最大轉矩，N·m

電動機最小啟動轉矩校驗公式為

(23)

式中TMmin——電動機最小啟動轉矩，N·m

TLmax——電動機最大負載扭矩，N·m

Ku——電壓波動系數(shù)

Ks——啟動加速轉矩系數(shù)

電動機發(fā)熱校驗等效電流法適用于交流、直流各種電動機，即

(24)

式中In——單個周期負載電流曲線近似直線段分段電流，A

tn——分段負載持續(xù)時間，s

電池測試系統(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試。電池測試系統(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]。電池測試系統(tǒng)最大輸出電壓和電流，參照能源系統(tǒng)試驗模塊輸出峰值電壓和電流設計。根據(jù)開發(fā)試驗系統(tǒng)功能要求，選用PWM變壓+雙向DC/DC變流器結構形式的電池模擬器[29]。電池模擬器用于為試驗電動機提供電能，同時模擬不同類型電池放電特性，研究電動拖拉機最優(yōu)能源系統(tǒng)。

3 電動拖拉機綜合試驗系統(tǒng)

3.1 硬件選型

根據(jù)電動拖拉機綜合試驗系統(tǒng)主要設備參數(shù)計算，完成試驗設備選型匹配。主要有加載電動機、直流電池模擬器、電池測試系統(tǒng)、測量元件和測控系統(tǒng)，表1為硬件設備主要參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)電動拖拉機綜合試驗系統(tǒng)結構和參數(shù)設計，完成試驗硬件選型，設計了試驗系統(tǒng)硬件平臺，圖2為綜合試驗系統(tǒng)平臺實物圖。

電動拖拉機動力系統(tǒng)試驗模塊可測試電動機輸出轉速、轉矩和效率等參數(shù)。試驗電動機通過聯(lián)軸器和加載電動機機械連接，變頻器控制加載電動機以特定方式進行加載；電參數(shù)測量電橋可實時測量電池模擬器和電動機試驗狀態(tài)下的電參數(shù)，經(jīng)計算可得動力系統(tǒng)輸入電動率；轉矩傳感器測量試驗電動機輸出轉矩，加載電動機編碼器測量轉速，可得動力系統(tǒng)輸出機械功率；電參數(shù)測量電橋、轉矩傳感器和編碼器測量參數(shù)以CAN通信至上位機，得動力系統(tǒng)試驗參數(shù)。

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

圖2 綜合試驗系統(tǒng)平臺實物圖Fig.2 Physical drawing of test platform1.電池測試系統(tǒng) 2.電池組及BMS系統(tǒng) 3.電機控制器 4.變頻系統(tǒng) 5.試驗電機 6.轉矩傳感器 7.加載電機

電動拖拉機能源系統(tǒng)試驗模塊可測試電池組輸出實際容量和放電規(guī)律。試驗電池組正負極分別與電池模擬器端子直接連接，通過電池測試系統(tǒng)上位機控制電池組放電電流；電池組能量管理系統(tǒng)監(jiān)測記錄電池組SOC、電壓和電流等。

4 試驗驗證

4.1 試驗對象

為了驗證所開發(fā)綜合試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)設計任務，對電動拖拉機動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)進行了性能測試。該電動拖拉機動力系統(tǒng)采用37 kW直流無刷電動機；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

為驗證所開發(fā)綜合試驗系統(tǒng)功能，對電動拖拉機電池組進行了能源系統(tǒng)試驗。由上位機控制電池測試系統(tǒng)，電池組從SOC為100%開始放電，當SOC為20%終止；上位機以1 s為步長采集放電過程中動力電池組SOC、單體電池電壓和電流。

圖3為電池組平均單體電壓隨時間變化的曲線。由圖可知，電池組平均單體電壓隨時間下降速率存在3個階段：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下降速率對電動拖拉機作業(yè)時間有較大影響，圖4為電池組SOC隨時間的變化關系。由圖4可知，電池SOC隨時間呈現(xiàn)線性變化關系，且隨著放電電流增加，放電速率變快。

圖4 SOC隨時間變化關系Fig.4 Relationship between SOC and time

4.3 動力系統(tǒng)性能試驗

對電動拖拉機動力系統(tǒng)電動機性能進行了測試，驗證該試驗系統(tǒng)可完成動力系統(tǒng)試驗要求，圖5為電動機試驗曲線。由圖5可知，在同一轉速下，隨著轉矩增加，電動機效率呈先增加而后降低的趨勢；同樣輸出下，電動機效率高于電動機系統(tǒng)效率。

圖5 電動機試驗曲線Fig.5 Map diagram of motor system efficiency

4.4 綜合工況試驗

由于所開發(fā)試驗系統(tǒng)加載電動機轉子本身具有慣性，其加載載荷變化頻率難以滿足電動拖拉機作業(yè)載荷譜變化頻率。本文試驗采用整機典型作業(yè)工況，對應權重測試整機作業(yè)性能，試驗設計方法為

式中ω1、ω2、…、ωn——各工況測試權重

T——各工況試驗時間，s

P1、P2、…、Pn——各工況整機輸出功率，kW

根據(jù)文獻[32]中拖拉機典型作業(yè)工況，采用重負荷率、中負荷率和輕負荷率不同權重測試整機能耗經(jīng)濟性。重負荷率工況包含旋耕作業(yè)、犁耕和耙耕作業(yè)，設計綜合工況試驗權重為0.4；中負荷率包括中耕和收獲作業(yè)，權重為0.45；輕負荷率為運輸作業(yè)工況，權重為0.15。圖6為綜合工況電動拖拉機能耗經(jīng)濟性測試曲線。

圖6 綜合工況電動拖拉機能耗經(jīng)濟性測試曲線Fig.6 Energy economy test of electric tractor under comprehensive conditions

由圖6可知，電動拖拉機在綜合工況下作業(yè)6 h，整機電池組SOC為23%，大于電池放電保護設計值20%，滿足整機綜合工況作業(yè)能耗經(jīng)濟性設計要求。

4.5 牽引特性分析

通過測試動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)工作特性，結合電動拖拉機整機參數(shù)和滑轉率，可分析整機動力性能和作業(yè)工況下能耗經(jīng)濟性等。圖7為道路牽引負荷車試驗，負荷車加載系統(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；傳感器測量能源系統(tǒng)放電狀態(tài)和負荷車加載載荷；執(zhí)行部件由電渦流測功機提供制動轉矩傳遞到車輪。

圖7 道路牽引負荷車試驗Fig.7 Road traction load vehicle test

在相同牽引力工況下，拖拉機作業(yè)滑轉率與整車質(zhì)量、輪距、軸距等參數(shù)相關。本文以整機參數(shù)相同的傳統(tǒng)拖拉機為試驗對象，采用牽引負荷車測試所開發(fā)電動拖拉機滑轉，圖8為電動拖拉機滑轉率變化曲線。

圖8 電動拖拉機滑轉率變化曲線Fig.8 Slip rate of electric tractor

電動拖拉機調(diào)速特性反映整車驅動力和行駛車速的關系。通過動力系統(tǒng)電動機外特性測試，結合整機設計傳動比、輪徑和滑轉率等參數(shù)，可分析整機調(diào)速特性。圖9為電動拖拉機調(diào)速特性，曲線A-B-C為電動拖拉機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 電動拖拉機調(diào)速特性Fig.9 Speed regulation characteristics of electric tractors

由圖9可知，所開發(fā)電動拖拉機在1擋時，輸出最大驅動力為24.7 kN，行駛車速為2.4 km/h；當電動拖拉機動力系統(tǒng)電動機輸出功率恒定時，隨著輸出牽引力降低，拖拉機行駛速度增加；前期基于CRUISE仿真分析相同驅動力輸出工況下的整車行駛車速與試驗分析結果誤差在10%以內(nèi)[31]，說明試驗方法的可行性和仿真理論的準確性。

結合電動拖拉機動力系統(tǒng)效率測試和整機參數(shù)，可分析整機牽引效率。圖10為電動拖拉機牽引效率曲線。由圖10可知，前期基于CRUISE牽引效率仿真相同驅動力工況下整機牽引效率，與試驗結果誤差在10%以內(nèi)[31]。當電動拖拉機輸出牽引力逐漸增加，電機效率增加，滑轉損失功率也增加，電機效率提升大于滑轉損失功率，電動拖拉機牽引功率表現(xiàn)為增加的趨勢。當電動拖拉機超過最大輸出牽引功率時，滑轉損失功率占主導因素，且電動機效率降低，電動拖拉機輸出牽引功率降低。

圖10 電動拖拉機牽引功率隨牽引力變化曲線Fig.10 Relationship between traction efficiency and traction

5 結論

(1)基于電動拖拉機動力傳動數(shù)學模型，分析了影響電動拖拉機作業(yè)能力和時間的主要因素，提出了電動拖拉機試驗臺設計任務。采用模塊化方法，設計了電動拖拉機動力系統(tǒng)試驗模塊、能源系統(tǒng)試驗模塊和整體試驗系統(tǒng)方案，系統(tǒng)可完成動力系統(tǒng)電動機性能測試和能源系統(tǒng)電池組性能測試等。

(2)根據(jù)電動拖拉機試驗臺結構，設計了試驗系統(tǒng)測量精度和整體指標計算方法。對試驗系統(tǒng)子模塊進行參數(shù)計算，如加載電動機、電池模擬器和電池測試系統(tǒng)等。計算了試驗系統(tǒng)加載電動機功率，經(jīng)校驗，所選擇加載電動機可滿足試驗要求。闡述了電池模擬器和電池測試系統(tǒng)功能及其電子結構。

(3)在設計的電動拖拉機試驗平臺上進行了電動機和電池組性能測試，采用Matlab平臺對試驗數(shù)據(jù)進行處理。試驗結果表明，開發(fā)的電動拖拉機多性能試驗臺能夠有效測試整機主要性能特點；前期仿真分析與試驗結果誤差在10%以內(nèi)，滿足電動拖拉機臺架試驗功能和設計要求。