(福建工程學(xué)院 福建省汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

近年來，新能源技術(shù)發(fā)展迅速，純電動車以其零排放、低能耗的優(yōu)勢受到人們的歡迎，在農(nóng)業(yè)用車上已逐步開始應(yīng)用推廣，然而純電動車的戶外使用存在著續(xù)航能力弱、充電難等問題[1]。本文設(shè)計(jì)了一種太陽能棗果采摘電動微車，主要應(yīng)用于平原或小丘陵等地區(qū)的種植園內(nèi)中小型棗樹果實(shí)采摘，其純電動驅(qū)動模式能保護(hù)作物生長環(huán)境，且作為戶外免費(fèi)清潔能源的太陽能供電方式可解決果園內(nèi)充電難的問題。與傳統(tǒng)純電動車相比，該太陽能電動微車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理與行駛工況有其獨(dú)特之處，因此在設(shè)計(jì)該微車動力系統(tǒng)時(shí)，要對各主要部件的參數(shù)進(jìn)行合理正確地匹配計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果不僅要滿足微車棗園作業(yè)的動力性、經(jīng)濟(jì)性要求，而且要符合棗園作業(yè)工況的續(xù)航能力，盡量降低微車質(zhì)量與制造成本，減少市電充電頻率以節(jié)約果農(nóng)資金。

1 太陽能電動微車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

該太陽能電動微車動力驅(qū)動方式與純電動車不同，驅(qū)動裝置的動力源是由太陽能電池板和蓄電池共同組成，并且存在不同的工作條件：電能是驅(qū)動采摘微車的主要能源，當(dāng)陽光充足時(shí)，照射太陽能電池板，產(chǎn)生光生電流通過控制器傳輸?shù)叫铍姵剡M(jìn)行實(shí)時(shí)充電，而在微車行駛過程中，控制器將蓄電池電能傳遞給驅(qū)動電機(jī)并控制其輸出動力，經(jīng)主減速器到車輪驅(qū)動微車行駛；當(dāng)微車停止行駛并進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，驅(qū)動電機(jī)并未工作，此時(shí)控制器僅將蓄電池電能傳遞給采摘裝置電機(jī)并控制其工作進(jìn)行棗果采摘，而富余的太陽能發(fā)電量將由蓄電池儲存起來；在太陽能電池板發(fā)電量不足或陰云天氣時(shí)，控制器僅通過蓄電池電能驅(qū)動微車行駛[2]，這與純電動車相似。

1.2 動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型

該太陽能電動微車主要用于果園內(nèi)的棗果采摘，在結(jié)構(gòu)形式上類似微型電動汽車，為降低成本以適合果農(nóng)使用，在保證電動微車各系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作的同時(shí)，應(yīng)盡量簡化其結(jié)構(gòu)、減少整車質(zhì)量并提高載重量。因此，該太陽能電動微車采用驅(qū)動電機(jī)直接經(jīng)由主減速器驅(qū)動車輪行駛的方式，省略了變速器及其換擋機(jī)構(gòu)，使得動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，如圖1所示。

圖1 太陽能棗果采摘電動微車動力系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar jujube picking electric minicar power system

電動微車的驅(qū)動電機(jī)采用永磁無刷電機(jī)；采摘電機(jī)采用微型直流減速電機(jī)；蓄電池組采用三元鋰電池；太陽能電池板采用單晶硅太陽能電池板。

1.3 整車參數(shù)及性能指標(biāo)

作為農(nóng)業(yè)專用車，該太陽能棗果采摘電動微車應(yīng)滿足果園種植地道路行駛工況、采摘作業(yè)以及行駛里程的要求。在太陽能電池板可正常發(fā)電的工作條件下，該電動車應(yīng)能滿足農(nóng)戶基本的采摘作業(yè)需求；在僅采用蓄電池供電的工作條件下，應(yīng)能保證非太陽能充電狀態(tài)下的續(xù)航使用里程。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)的太陽能棗果采摘電動微車的整體設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo)如表1所示。

表1 太陽能棗果采摘電動微車整體設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo)

2 太陽能電動微車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

該太陽能電動微車主要以純電動驅(qū)動為主，太陽能發(fā)電供能為輔，所以選擇的動力系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)能滿足采摘微車在平原或小丘陵等地區(qū)種植園內(nèi)特殊路況下行駛以及加速與爬坡所需要的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)該微車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要對各個(gè)部件進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的匹配計(jì)算，匹配選型方案與計(jì)算精度不僅會影響微車整車布置結(jié)構(gòu)、質(zhì)量與行駛可靠性，還對保證整車動力性、經(jīng)濟(jì)性與續(xù)航能力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有著重要的作用。

2.1 驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)匹配

參數(shù)匹配主要依據(jù)該車的設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo)中的最大車速、最大爬坡度與加速至最大車速的加速時(shí)間等技術(shù)要求，而計(jì)算獲得的電機(jī)參數(shù)主要包含其額定功率、額定轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩等。該太陽能電動微車在果園路面上行駛時(shí)，電機(jī)需驅(qū)動車輪克服微車受到的空氣阻力、滾動阻力與加速或爬坡工況下的加速阻力、坡度阻力等反向作用力。因此，計(jì)算相應(yīng)功率如下[3]。

最大車速時(shí)電機(jī)最大功率為：

(1)

最大爬坡度時(shí)電機(jī)最大功率為：

(2)

微車加速過程需求最大功率為：

(3)

上式中，m為微車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；αmax為最大爬坡度；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；Vi為最大爬坡度車速；δ為傳動系旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；tm為加速時(shí)間；Vm為加速末速度；Vmax為最高車速；ηt為傳動系總效率。

電動機(jī)功率的選取值應(yīng)大于以上3種最大功率，但實(shí)際行駛過程中需求最大功率的工作時(shí)間很短，微車的加速工況和最大爬坡工況也屬于短時(shí)工作狀況[4]。因此，一般選取額定功率能夠符合車速要求的電動機(jī)，同時(shí)在加速、爬坡時(shí)具備一定的過載能力，根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算并選擇電動機(jī)最大功率Pmmax=6 kW，且電機(jī)過載系數(shù)取2，因此驅(qū)動電動機(jī)額定功率Pm=3 kW。

該電動微車采用電機(jī)通過主減速器直接驅(qū)動的方式，驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在保證其控制器具有較大調(diào)速范圍的情況下合理選擇，額定轉(zhuǎn)速的高低不僅會影響電機(jī)的體積大小、質(zhì)量與工作效率，還會影響主減速器的傳動比與尺寸大小。電動機(jī)具有較高轉(zhuǎn)速可以減少其運(yùn)行時(shí)的機(jī)械損耗，充分利用蓄電池能量[5]，有利于提高電動微車動力系統(tǒng)的工作效率；但電機(jī)轉(zhuǎn)速也不能過高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高將造成主減速器傳動比增大，從而增加其外形尺寸與質(zhì)量，這對微車的整車布置與質(zhì)量控制不利。綜合考慮以上因素，并結(jié)合電動微車的性能指標(biāo)與匹配電機(jī)的功率參數(shù)。對該驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速選取3 000 r/min，最大轉(zhuǎn)速為5 500 r/min。

根據(jù)式(4)，求額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩：

(4)

式中,Tm為額定轉(zhuǎn)矩；Pm為額定功率；nm為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；計(jì)算得該驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為9.55 N·m。

2.2 采摘裝置減速電機(jī)的選取

采摘裝置減速電機(jī)需要滿足一定的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動拍打桿旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足把果實(shí)打落又不損傷果實(shí)枝葉的要求。參考現(xiàn)有采摘裝置輸出功率并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，選取采摘裝置減速電機(jī)參數(shù)為：工作電壓12 V、額定功率15 W、額定轉(zhuǎn)速50 r/min、額定轉(zhuǎn)距2.86 N·m。

2.3 主減速器傳動比參數(shù)匹配

該電動微車動力系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)與車輪之間的動力傳輸裝置取消了變速器，僅由主減速器直接傳遞輸出動力，在匹配該微車主減速器傳動比時(shí)可按照傳動系統(tǒng)總傳動比的計(jì)算公式來計(jì)算與選取，并設(shè)置總傳動比選取的上、下限，其具體計(jì)算公式為[6]：

(6)

(7)

上式中，it1為總傳動比下限的參考傳動比1，它主要與微車加速性能有關(guān)；Fvmax為最高車速行駛阻力；而Tvmax為電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩；it2為總傳動比下限的參考傳動比2，它主要與微車的爬坡性能有關(guān)；Fαmax為最大爬坡度行駛阻力，而Tmmax為電動機(jī)能輸出的最大轉(zhuǎn)矩；it1與it2之間的最小值為傳動比下限，而總傳動比的上限計(jì)算則由電動微車最大車速Vmax與驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmmax計(jì)算獲得。通過上述理論計(jì)算，選取該電動微車主減速器傳動比為6.2。

2.4 蓄電池容量參數(shù)匹配

為延長電動采摘微車的續(xù)航里程，該動力系統(tǒng)蓄電池組采用三元鋰電池，鋰電池組容量越大，在多次循環(huán)工況下越容易保證微車的加速、爬坡性能與續(xù)航能力，但鋰電池組容量大小又直接影響其質(zhì)量、體積與整車成本，應(yīng)綜合考慮電動微車的實(shí)際電池布置空間與蓄電池的SOC(state of charge，荷電狀態(tài))值變化范圍。根據(jù)該棗果采摘電動微車的電池性能需要，設(shè)定電池的SOC值變化范圍為0.2～0.95，鋰電池組在此范圍內(nèi)輸出的能量應(yīng)能滿足微車在驅(qū)動電機(jī)最大功率下行駛最長時(shí)間所需的能量[5]，其計(jì)算公式如下：

Q×(0.95-0.2)×E≥Pmmax·tmax

(8)

式中，Q為鋰電池組的容量；E為鋰電池組的電動勢；Pmmax為電動微車驅(qū)動電機(jī)的最大功率；tmax為最大功率下的最大行駛時(shí)間，由該微車的實(shí)際工況確定。

此外，鋰電池組的最大輸出功率應(yīng)滿足驅(qū)動電機(jī)的最大功率要求，而采摘裝置電機(jī)功率遠(yuǎn)小于驅(qū)動電機(jī)且在微車行駛過程中并未工作，計(jì)算電池容量與電池片數(shù)時(shí)可暫不考慮。因此，鋰電池組串聯(lián)的電池片數(shù)n由單體電池的最大輸出功率來計(jì)算獲得，其計(jì)算公式為：

(9)

式中，Pmmax為驅(qū)動電機(jī)的最大功率；Pbmax為單體電池的最大輸出功率；ηm為電動機(jī)的效率；ηmc為電機(jī)控制器的效率。

按該電動微車從果園辦公區(qū)到種植地往返里程中驅(qū)動電機(jī)的使用情況，計(jì)算選定單體電池為電壓3.5 V的三元鋰電池，每組電池由17個(gè)單體鋰電池串聯(lián)，7組并聯(lián)，因此鋰電池組的總電壓為60 V，電池容量為18 Ah。

2.5 太陽能電池板參數(shù)匹配

根據(jù)電動微車的驅(qū)動電機(jī)功率對太陽能電池板進(jìn)行選型計(jì)算。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)：若完全采用太陽能電池板的輸出電能對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)供電，將需要面積較大的大功率太陽能電池板，這樣不僅影響整車布置也增加了整車質(zhì)量與制造成本?？紤]到微車在果園采摘工況的特殊性，即微車有很大一部分時(shí)間處于停車和采摘作業(yè)工況，此時(shí)驅(qū)動電機(jī)無須供電，主要是采摘電機(jī)工作。因此，可利用功率較小的太陽能電池板，使其不僅能滿足采摘裝置的實(shí)時(shí)供電，又能有富余發(fā)電量對微車鋰電池組進(jìn)行能量補(bǔ)充。

根據(jù)該電動微車參數(shù)、采摘工況與采摘裝置功率計(jì)算，匹配市面上較普遍的太陽能電池板，具體參數(shù)為：功率140 W、充電電壓60 V、工作電流2.33 A。

3 太陽能棗果采摘電動微車的仿真與分析

3.1 棗園特殊循環(huán)工況與微車仿真參數(shù)設(shè)定

作為農(nóng)用車，該太陽能棗果采摘電動微車根據(jù)其特殊工作條件進(jìn)行循環(huán)工況模擬，該循環(huán)工況周期為30 000 s(即1 d工作約8 h)，園內(nèi)最大行駛車速為20 km/h,為仿真該車電池充滿情況下的SOC值變化，SOC的初始值取0.95。該車循環(huán)工況根據(jù)實(shí)際果園采摘行駛的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定模擬，包含從果園辦公區(qū)到種植地的往返時(shí)間(每次24 min，即1 440 s)；微車行駛至相應(yīng)果樹下停止后，每棵樹進(jìn)行采摘與設(shè)備調(diào)整的時(shí)間(每次15 min，即900 s)；每棵棗樹之間的距離很短，行駛時(shí)間為40 s；由于微車載重質(zhì)量有限，采摘過程中須往返，因此模擬每天進(jìn)行上、下午各兩次采摘的工作過程(含途中卸貨休息時(shí)間30 min，1 800 s)。經(jīng)參數(shù)匹配，最終整車仿真參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速5 500 r/min，額定功率3 kW，最大功率6 kW；傳動系主減速器傳動比6.2；采摘裝置電機(jī)功率15 W；動力電池組電壓60 V，容量18 Ah；太陽能電池板充電功率140 W，充電電壓60 V；整車滿載質(zhì)量320 kg，迎風(fēng)面積0.62 m2，輪胎滾動半徑0.133 m。

3.2 建模與仿真結(jié)果分析

CRUISE是一款能針對車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析的軟件，將車輛的各個(gè)部件集成模塊化，可方便模型的搭建[1]。由于此軟件中無太陽能電池板模塊，采用MATLAB編程集成鋰電池組與太陽能電池板的充電功能構(gòu)成外部電池模型，并由車載電器模型模擬采摘裝置工作。因此，該太陽能棗果采摘電動微車的主要仿真模塊包括輪胎模型、電機(jī)模型、外部電池模型、車載電器模型、傳動系統(tǒng)模型和控制器模型等，其構(gòu)建的整車模型如圖2所示。

圖2 太陽能棗果采摘電動微車模型Fig.2 Solar jujube picking electric minicar model

在CRUISE軟件中建立整車模型，對上述技術(shù)參數(shù)和循環(huán)工況進(jìn)行仿真，動力性能結(jié)果如表2所示，行駛距離如圖3所示，循環(huán)工況車速如圖4所示，無太陽能電池發(fā)電時(shí)電池SOC值如圖5所示，有太陽能電池發(fā)電時(shí)電池SOC值如圖6所示。

表2 太陽能棗果采摘電動微車動力性能仿真結(jié)果

圖3 行駛距離變化情況Fig.3 Changes in travel distance

圖4 循環(huán)工況內(nèi)的微車車速變化Fig.4 Minicar speed changes in cyclic conditions

圖5 無太陽能時(shí)電池SOC值變化情況Fig.5 SOC changes of the battery without solar energy

圖6 有太陽能時(shí)電池SOC值變化情況Fig.6 SOC changes of the battery with solar energy

由上述仿真結(jié)果可知，該太陽能棗果采摘電動微車在整車動力性能與續(xù)航能力方面能滿足設(shè)計(jì)要求，而在模擬循環(huán)工況下的實(shí)際車速也能滿足其需求車速。在電池SOC值方面，通過圖5與圖6的電池SOC值變化的比較，可以看出：在無太陽能發(fā)電的情況下，該采摘微車工作一天，鋰電池組SOC值從初始值95%下降至43.18%，耗電量達(dá)51.82%，考慮到該微車鋰電池組SOC值最低閾值為20%，此時(shí)電池剩余電量無法滿足第二天的繼續(xù)使用，必須充電。而在有太陽能發(fā)電并實(shí)時(shí)補(bǔ)充電能的情況下，電池SOC值下降速率明顯減小，當(dāng)電動微車完成一天工作后，其鋰電池組SOC值從初始值95%僅下降至61.24%，耗電量為33.76%。這是因?yàn)楫?dāng)微車行駛停止并進(jìn)行采摘時(shí)，太陽能電池板功率大于采摘電機(jī)功率，不僅能給采摘裝置供電，還能為鋰電池組充電，使得在采摘狀態(tài)下電池SOC值有輕微回升。因此，在有太陽能發(fā)電的情況下，鋰電池組剩余電量能滿足第二天的工作需要，如繼續(xù)使用，第二天電池的剩余SOC值經(jīng)過仿真計(jì)算為27.48%，大于20%的最低閾值。

根據(jù)上述分析結(jié)果，果農(nóng)可以將該太陽能棗果采摘電動微車的充電周期由1 d改為2 d，這不僅提高了該電動微車的續(xù)航能力，也降低了使用成本，為果農(nóng)帶來使用上的便利。

3.3 動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與分析

該電動微車主要用于果農(nóng)戶外棗果采摘，在滿足整車動力性要求的同時(shí)要注重微車的經(jīng)濟(jì)性，而根據(jù)該太陽能棗果采摘電動微車的使用與工況要求，其經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在微車的整車質(zhì)量、制造成本與續(xù)航能力上，因此，須對上述匹配參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

該電動微車主要包含了驅(qū)動電機(jī)、主減速器、采摘裝置、動力電池組與太陽能電池板等關(guān)鍵零部件參數(shù)，而其中的驅(qū)動電機(jī)與采摘裝置的參數(shù)均根據(jù)整車動力性要求與采摘工作需要計(jì)算獲得，為減少優(yōu)化仿真的計(jì)算量，不對驅(qū)動電機(jī)、采摘裝置電機(jī)進(jìn)行參數(shù)修改。在其它參數(shù)中：主減速器傳動比對微車動力性、經(jīng)濟(jì)性影響較大，且其傳動比改變將影響主減速器的尺寸與質(zhì)量，從而影響微車整車質(zhì)量；動力電池組組數(shù)及其容量直接影響微車整車質(zhì)量、制造成本與續(xù)航能力；太陽能電池板為動力電池組提供額外電能，其功率大小對該微車的續(xù)航能力、經(jīng)濟(jì)性影響較大，因此著重對主減速器傳動比、動力電池組組數(shù)與太陽能電池板功率等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

采用CRUISE與ISIGHT聯(lián)合仿真的方式，利用ISIGHT軟件集成并建立優(yōu)化模型，對設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行定義，然后編寫接口文件，調(diào)用計(jì)算軟件，選擇優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[7]?？紤]到該農(nóng)用微車的制造成本與經(jīng)濟(jì)性要求，以電動微車整車質(zhì)量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以表1中微車各動力性能指標(biāo)、續(xù)航能力等參數(shù)為約束條件，設(shè)置相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍如表3所示。

表3 太陽能棗果采摘電動微車設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化取值范圍

通過優(yōu)化模型的迭代計(jì)算，最終獲得符合微車動力性能要求且整車質(zhì)量最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示，并對采用該優(yōu)化參數(shù)的微車動力性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如表5所示，而該電動微車在棗園特殊循環(huán)工況下的電池SOC值變化情況如圖7所示。

表4 太陽能棗果采摘電動微車設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果對比

表5 太陽能棗果采摘電動微車各性能參數(shù)優(yōu)化前后比較

圖7 優(yōu)化后電池SOC值變化情況Fig.7 Change of SOC value after optimization

由表5可知，主減速器傳動比由6.2降低至5.26，主減速比減小，主減速器質(zhì)量下降、整車經(jīng)濟(jì)性能將提高、最高車速提高，而爬坡和加速性能變差，但由表6可知，其優(yōu)化后的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度等參數(shù)均能滿足動力性能指標(biāo)要求；動力電池組數(shù)由之前的7組降低為5組，其電池容量由之前的18 Ah降低為12.8 Ah，由此減少的鋰電池組數(shù)可有效降低整車質(zhì)量與制造成本；太陽能電池板由之前的140 W提高到180 W，其增加的質(zhì)量與成本較少且能有效提高微車的續(xù)航能力，由圖7可知，優(yōu)化參數(shù)后的電動微車在棗園特殊循環(huán)工況下工作1 d，動力電池組SOC值從初始值95%降至60.81%，耗電量為34.19%，雖因動力電池組數(shù)及容量下降，耗電量較優(yōu)化前略有提高，但提升功率的太陽能電池板所提供的電能使得電池SOC值在棗園特殊循環(huán)工況的停車狀態(tài)下有明顯回升，電池剩余電量仍能滿足棗園特殊循環(huán)工況下的第二天作業(yè)，經(jīng)仿真計(jì)算，第二天工作后的電池SOC值為26.62%，大于20%的最低閾值，滿足該太陽能電動微車的續(xù)航里程要求。綜合上述參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的電動微車整車滿載質(zhì)量為312 kg，較優(yōu)化前降低了8 kg，對于該類型的農(nóng)用電動微車來說，減重效果已較為明顯，符合優(yōu)化目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

該微車在棗園的特定循環(huán)工況下，能夠滿足其最大車速、加速性能、爬坡能力以及續(xù)航里程等整車性能要求，且太陽能電池板持續(xù)工作能夠有效提高此電動微車的續(xù)航能力，由此驗(yàn)證所匹配及優(yōu)化的參數(shù)是合理的，降低了微車整車質(zhì)量與制造成本。該設(shè)計(jì)過程與優(yōu)化分析結(jié)果可為后續(xù)該類型太陽能農(nóng)業(yè)用車的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考與依據(jù)。