寧廣秀,張 永,王 健,張 藝,叢日強

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

近幾年,我國的農(nóng)機裝備率呈逐年上升趨勢。目前,我國的農(nóng)業(yè)機械動力約95%是柴油機[1-2],農(nóng)業(yè)機械柴油消耗每年約6000萬t,接近全國柴油消耗總量30%。傳統(tǒng)燃油農(nóng)業(yè)裝備存在能耗高、高污染、生產(chǎn)效率低、智能化程度低的問題[2]。傳統(tǒng)燃油拖拉機工作環(huán)境惡劣,經(jīng)常處于滿負荷工作,發(fā)動機每燃燒1L燃料向大氣中釋放的二氧化碳為2.5kg,在溫室使用時會對密閉環(huán)境產(chǎn)生較大的空氣污染,嚴重危害使用者的身體健康[3]。我國溫室機械裝備技術(shù)起步較晚,但發(fā)展迅速,在小型農(nóng)機領(lǐng)域中,純電動微型機械裝備對傳統(tǒng)燃油拖拉機具有很強的替代性[4]。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,越來越多的智能化技術(shù)被期望應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械,以減輕勞動者工作強度[5-9]。同時,多功能化的小型農(nóng)用機械底盤結(jié)構(gòu)也是未來我國溫室用純電動機械的主要研究方向。

目前,針對溫室用小型純電動機械的底盤結(jié)構(gòu),許多科研人員提出了幾種新穎的設(shè)計方案。張強[10]等人提出了一款由雙鋰電池組為行走、旋耕電機供電的微耕機,該微耕機底盤為履帶式行走機構(gòu),耕幅為60cm,最大耕深15cm;王元杰[11]等人設(shè)計了一款履帶式溫室用微型遙控電動拖拉機,并進行了整機性能實驗,該拖拉機可實現(xiàn)418mm的轉(zhuǎn)彎半徑,適用于溫室狹窄的作業(yè)環(huán)境;袁永偉[13]等人提出了一種前中后均可懸掛農(nóng)機具、離地間隙可調(diào)、履帶式行走系的多功能農(nóng)用底盤,該底盤由全液壓驅(qū)動,可實現(xiàn)四驅(qū)履帶獨立驅(qū)動,底盤升降,通過大量的計算和理論驗證了其設(shè)計的合理性;2017年,西北農(nóng)林科技大學李翎寧[16]等人提出了將傳統(tǒng)底盤驅(qū)動系和轉(zhuǎn)向系合二為一的柔性底盤概念,該柔性底盤由4個2kW輪轂電機驅(qū)動,鉛酸蓄電池為能量單元,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了柔性底盤理論樣機,并對該柔性底盤進行了運動學與動力學特性分析。

綜上所述,目前設(shè)計的溫室用純電動作業(yè)機械多采用鉛酸蓄電池為能量輸出單元,且存在使用率低的問題?；诖?筆者設(shè)計了一款搭載了鋰離子電池的輪轂電機四輪獨立驅(qū)動的多功能純電動牽引底盤樣機,該底盤不僅可以搭載傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)作業(yè)裝置,還設(shè)計有農(nóng)業(yè)智能管理套件機械接口,使其不僅能滿足忙時的農(nóng)耕作業(yè),還可實現(xiàn)閑時用于溫室作物生長管理工作,大大提高了設(shè)備的使用率。

1 牽引底盤基本結(jié)構(gòu)及工作原理

作為一款溫室用牽引底盤,考慮到在未來應(yīng)用時不僅會搭載傳統(tǒng)作業(yè)機械,還會搭載部分農(nóng)作物管理設(shè)備。該底盤采用四個輪轂電機獨立驅(qū)動,取消了傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng),以增大結(jié)構(gòu)空間;能量提供單元采用體積能量密度較高的三元鋰離子電池;底盤車架設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu),牽引底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊,空間利用率高可實現(xiàn)在溫室等狹小空間的作業(yè)要求。

1.1 牽引底盤基本結(jié)構(gòu)

該牽引底盤結(jié)構(gòu)主要由底盤車架、驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電力分配單元(PDU)、中央控制器、農(nóng)具掛接接口、智能套件掛接機械接口組成,如圖1所示。其中,驅(qū)動系統(tǒng)由輪轂電機、升降系統(tǒng)組成。輪轂電機通過上下擺臂連接于底盤車架,下擺臂和底盤托架之間連接舉升氣缸,以實現(xiàn)底盤升降,從而增加地形通過性。底盤車架設(shè)計成中空型,托架前部中空的部分用來安裝轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、PDU、中央控制器。考慮到整個牽引底盤的配重和牽引作業(yè)時的重心偏移,將鋰離子電池安裝在底盤車架前部。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

該底盤的單輪驅(qū)動系統(tǒng)由上下擺臂、舉升氣缸、輪轂電機集成。其中,輪轂電機與上下擺臂通過魚眼軸承與電機支架連接,避免了底盤升降、轉(zhuǎn)向時的干涉問題?？紤]到該底盤的電機控制器具有剎車功能,故取消了機械制動裝置。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過魚眼軸承與電機支架連接,能夠?qū)崿F(xiàn)對該底盤的轉(zhuǎn)向控制。

1.輪轂電機 2.電機支架 3.上擺臂 4.下擺臂 5.舉升氣缸圖2 輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of hub motor drive system

1.3 牽引底盤主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)底盤在溫室環(huán)境內(nèi)的作業(yè)情況及其要實現(xiàn)的功能,確定了主要技術(shù)性能參數(shù),如表1所示。

表1 純電動牽引底盤的主要技術(shù)參數(shù)

2 驅(qū)動系統(tǒng)性能設(shè)計及零部件選型

2.1 牽引底盤性能參數(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)溫室用機械的設(shè)計要求,該純電動牽引底盤應(yīng)滿足犁耕、旋耕等最基本的作業(yè)要求。同時,犁耕作業(yè)為底盤功率消耗最大的作業(yè)工況?？紤]到牽引底盤主要應(yīng)用于溫室內(nèi)部狹小的作業(yè)空間,選用手扶通用型單鏵犁作為配套農(nóng)具。單鏵犁的具體性能參數(shù)為:耕深20cm,結(jié)構(gòu)質(zhì)量30kg,幅寬20cm。

牽引底盤在進行犁耕作業(yè)時,行駛過程受到的阻力主要有工作阻力、滾動阻力、空氣阻力、爬坡阻力和加速阻力[15]。由于牽引底盤在進行犁耕作業(yè)時主要行駛在水平路面,行駛速度≤6km/h,故不考慮空氣阻力和爬坡阻力。在進行犁耕作業(yè)時,牽引底盤在水平路面作業(yè)時的受力分析如圖3。

注:G為牽引底盤整體質(zhì)量(kg);v為牽引底盤行駛速度(m/s);Ff1、Ff2為前后輪所受滾動阻力(N);Fq1、Fq2為前后輪提供的牽引力(N);FT為 農(nóng)具的牽引阻力(N)。

根據(jù)力的平衡關(guān)系,在進行犁耕牽引作業(yè)時牽引底盤平衡行駛的受力方程式為

Fq=∑F

(1)

其中,Fq為該底盤能提供的額定牽引力(N);∑F為該底盤所受的行駛阻力(N)。

Fq=Fq1+Fq2

(2)

∑F=Ff1+Ff1+FT

(3)

在犁耕作業(yè)工況下,牽引底盤由農(nóng)具帶來的牽引阻力FT的計算公式為

FT=(1.1～1.2)k·Z·Bn·h

(4)

作業(yè)時所受到的滾動阻力計算公式為

Ff=mgf

(5)

其中,k為土壤比阻(kPa),溫室內(nèi)土壤選取k=50kPa;Bn為犁的耕作寬幅,設(shè)計值為Bn=20cm;h為犁耕深度,取h=20cm;f為溫室土壤環(huán)境下的滾動阻力系數(shù),取f=0.12;g為重力加速度,取g=9.8m/s2;m為牽引底盤,取m=225kg。

聯(lián)立以上公式,計算得FT=2200～2400N, 取FT=2300N,Fq=262.5N,故該牽引底盤在犁耕作業(yè)時需要克服的阻力為F=Ff+FT=2300+262.5=2562.5N,取整為FT=2600N,即額定牽引力為2600N。

2.2 驅(qū)動電機參數(shù)匹配與計算

2.2.1 輪轂電機額定功率

牽引底盤由4個獨立的輪轂電機驅(qū)動,設(shè)計額定功率時要充分考慮到其能滿足犁耕作業(yè)的工況。由以上的分析計算可知,該作業(yè)工況下牽引底盤的額定牽引力為2600N。該牽引底盤的額定牽引總功率計算公式為[16]

(6)

其中,Pt為額定牽引總功率(kW);v為底盤進行犁耕作業(yè)時的行駛速度(km/h),取v=5.5km/h;η為牽引效率,參考傳統(tǒng)燃油拖拉機的值,取η=0.6。將以上數(shù)值帶入公式(6)中,計算得該牽引底盤的額定功率為6kW。單個驅(qū)動系統(tǒng)的輪轂電機功率P=Pt/4=1.5kW。

2.2.2 輪轂電機額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩

從牽引底盤的使用場景來看,電機輸出扭矩比較大,同時要求轉(zhuǎn)速不能太高,選定為350～1200r/min。本文設(shè)計的純電動牽引底盤取消了傳統(tǒng)的變速箱,選擇的輪轂電機內(nèi)部集成了變速系統(tǒng)。單個輪轂電機的額定轉(zhuǎn)矩為

(7)

其中,Te為電機的額定轉(zhuǎn)矩(N·m);P為輪轂電機的額定功率,取P=1.5kW;nt為電機基速,取nt=530 r/min。根據(jù)以上計算結(jié)果,輪轂電機的選型參數(shù)如表2所示。

3 動力電池選型設(shè)計及測試

3.1 電池容量選擇

動力電池的容量對純電動機械的動力性能和經(jīng)濟性能至關(guān)重要,純電動機械還存在結(jié)構(gòu)尺寸空間的限制,所以選用體積能量密度高的電池為首要目標。目前,電動汽車用的三元鋰離子電池包的能量密度比鉛酸電池高出2～3倍,隨著電池技術(shù)的發(fā)展其成本也越來越低[19],所以本文選用三元鋰離子電池作為牽引底盤的車載能源電池。

使用該牽引底盤犁耕作業(yè)時的循環(huán)工況計算電池容量[20]。當進行旋耕作業(yè)時,蓄電池消耗的總能量計算公式為

(8)

其中,Eb為電池包總能量(kWh);Sa為犁耕作業(yè)速度下的續(xù)航里程,取Sa=5.5km;η為牽引效率,取η=0.6;SOC為電池包荷電狀態(tài)(%);SOCH為初始荷電狀態(tài),取SOCH=100;SOCL為終止荷電狀態(tài),取SOCL=10;F為犁耕作業(yè)時牽引底盤所受的牽引阻力,由以上計算可知F=2600N。帶入相關(guān)公式,可得電池包的總能量Eb=7kW·h。

電池包容量的計算公式為

(9)

其中,Ce為電池包容量(Ah);Ue為額定電壓,取Ue=48V。代入式(9),則電池包的額定容量為145Ah。

3.2 電池組設(shè)計

單體電芯選用三元鋰離子圓柱18650電芯,單體電芯額定電壓為3.7V,容量為2.5Ah。成組采用13個模組串聯(lián),每個模組由58顆單體電芯并聯(lián)。成組后的電池系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 鋰離子電池系統(tǒng)Fig.4 Lithium ion battery system

3.3 電池組放電能力測試

3.3.1 電池組放電實驗設(shè)計

實驗對象為牽引底盤用48V145Ah電池系統(tǒng),實驗使用的設(shè)備為新威牌60V150A充放電柜。實驗環(huán)境溫度為室溫25℃,實驗前對電池包進行2個1C充放電循環(huán)的預處理,實驗開始前電池包荷電狀態(tài)為100%。為了盡可能模擬實際放電效果,放電工步設(shè)置如表3所示。鋰離子電池系統(tǒng)放電過程如圖5所示。

表3 電池系統(tǒng)放電工步設(shè)置

圖5 鋰離子電池系統(tǒng)放電過程Fig.5 Discharge process of lithium ion battery system

3.3.2 電池組放電實驗結(jié)果

電池組放電實驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:在120A、80A、60A電流持續(xù)放電條件下,分別持續(xù)1h、0.2h、0.2h,放電總能量為6750W·h,該電池系統(tǒng)設(shè)計滿足實際使用要求。

圖6 電池系統(tǒng)放電電壓-電流曲線Fig.6 Discharge process of lithium ion battery system

4 牽引底盤性能仿真

MatLab/Simulink是一種可視化仿真工具,能夠?qū)ζ嚨目傮w性能、行駛消耗、結(jié)構(gòu)零部件進行質(zhì)量評估[21]。本文通過Simulink對牽引底盤進行系統(tǒng)建模,輸入該底盤的技術(shù)參數(shù)可直接觀測出牽引底盤的性能情況。

4.1 建立底盤仿真模型

4.1.1 建立犁耕作業(yè)下的整車能耗模型

使用Simulink建立該牽引底盤前向仿真模型,該模型包含駕駛員模型、傳動系統(tǒng)模型、電機模型、電池模型及底盤模型。其中,運行速度設(shè)置為犁耕作業(yè)下的5.5km/h;犁耕阻力設(shè)置為變阻力,通過在Simulink模塊內(nèi)引入一個正態(tài)分布的隨機數(shù)模塊,將犁耕阻力限定在2300～2900N內(nèi)隨機波動,運行時間設(shè)定為3600s。點擊運行后,可進行犁耕作業(yè)狀態(tài)下該牽引底盤能量消耗仿真。

圖7 犁耕作業(yè)下的整車能耗模型Fig.7 Energy consumption model of whole vehicle under plough operation

圖8 犁耕作業(yè)下的變阻力曲線Fig.8 Variable resistance curve under ploughing operation

4.1.2 建立犁耕作業(yè)下的整車能耗模型

根據(jù)上文介紹的牽引底盤驅(qū)動力計算方程建立Simulink仿真模型,通過輸入該牽引底盤的結(jié)構(gòu)、電機等相關(guān)參數(shù),可仿真分析出該牽引底盤的最大輸出驅(qū)動力、空載下的最高行駛速度和加速度、最大爬坡度能力。

4.2 仿真結(jié)果

通過Matlab/Simulink對該牽引底盤在犁耕作業(yè)工況下進行整機能耗的仿真以及基本牽引性能的仿真,結(jié)果如圖9～11所示。

由圖9可知:該牽引底盤模型在1h的犁耕作業(yè)工況下,電池系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)減少了80%,與電池系統(tǒng)實際放電結(jié)果相比放電能耗誤差為3.3%,存在此誤差的主要原因為在進行電池系統(tǒng)放電實驗時無法在放電柜上設(shè)計電流突變以模擬模型中變阻力下的電流變化;在設(shè)定的5.5km/h的作業(yè)速度下,作業(yè)距離為5.4km,與實際設(shè)定的作業(yè)距離誤差為1.8%。兩者的仿真結(jié)果與實際結(jié)果誤差均在5%以內(nèi),符合實際使用情況。

圖9 犁耕作業(yè)工況下能耗&里程曲線Fig.9 Energy consumption&mileage curve under ploughing condition

圖10 牽引底盤牽引力與空載行駛阻力曲線Fig.10 Traction force of traction chassis and no-load driving resistance curve

圖11 牽引底盤爬坡度&加速度曲線Fig.11 Grading curve of traction chassis

由圖10可知:牽引底盤的最大牽引力可以達到3700N;當驅(qū)動力與行駛阻力相等時,底盤達到最大運行速度,即55km/h。由圖11可知:牽引底盤在0～5km/h速度時的加速度為2.6m/s2、最大爬坡度為30%,達到了預期的設(shè)計目標。

5 結(jié)論與展望

1)通過分析溫室內(nèi)純電動機械現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向,設(shè)計了一款基于輪轂電機的純電動牽引底盤。牽引底盤搭載了三元鋰離子電池,經(jīng)過理論計算,額定功率設(shè)計為6kW,額定牽引力為2600N,電池能量設(shè)計為7kW·h,可滿足單鏵犁在溫室環(huán)境內(nèi)作業(yè)1.2h的要求。

2)通過MATLAN/Simulink仿真分析可知:牽引底盤最高行駛速度為55km/h,最大爬坡度30%,最大牽引力3700N。

3)仿真分析了牽引底盤在溫室內(nèi)犁耕作業(yè)工況下的能耗情況,在1h的持續(xù)循環(huán)作業(yè)情況下牽引底盤共行駛5.4km,電池系統(tǒng)共計輸出能量5.6kW·h,符合實際使用情況。

本課題組在該實驗研究的基礎(chǔ)上,后續(xù)將要對純電動牽引底盤進行普通路面及溫室作業(yè)能力測試,以驗證牽引底盤的動力性能及仿真模型的準確性,并希望能通過以上實驗來發(fā)現(xiàn)該牽引底盤的不足。