方樹平，王寧寧，易克傳， 緱瑞賓，徐立友，夏先文

(1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 滁州 233100；2.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽471003；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

目前，石油資源日益匱乏，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，純電動拖拉機(jī)采用電驅(qū)動模式，具備不耗費石油、結(jié)構(gòu)簡單、污染小的優(yōu)點，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展趨勢之一[1-3]。在電動拖拉機(jī)開發(fā)中，拖拉機(jī)作業(yè)工況的真實性對作業(yè)性能預(yù)測具有重要影響，而目前對拖拉機(jī)作業(yè)工況的研究較少，不少學(xué)者采取恒速作業(yè)作為仿真輸入，其得到的結(jié)果與拖拉機(jī)真實作業(yè)性能尚有差距。不同于電動汽車仿真軟件種類繁多，針對純電動拖拉機(jī)的仿真軟件并不多見。方在華、胡世根等[4-6]開發(fā)了一些拖拉機(jī)性能預(yù)測軟件，取得了預(yù)期的效果，但由于這些軟件年代久遠(yuǎn)、通用性不高、移植性不強(qiáng)及知識產(chǎn)權(quán)的問題，并未被廣泛的同行企業(yè)人員所掌握，并且通常不能進(jìn)行動態(tài)仿真分析。為了避免選型過程中的盲目性，CRUISE軟件在混合動力汽車的開發(fā)中被廣泛使用。國內(nèi)有學(xué)者也嘗試將該軟件用于新能源拖拉機(jī)的性能預(yù)測中[7-9]。文獻(xiàn)[8]利用CRUISE軟件對純電動拖拉機(jī)進(jìn)行了仿真，但在仿真過程中未考慮工況和拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率的控制；文獻(xiàn)[9]利用CRUISE軟件對增程式電動拖拉機(jī)進(jìn)行了仿真分析，完成了性能的預(yù)測。上述研究的電動拖拉機(jī)均在原車的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，將傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)用電動機(jī)代替，并未對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式做出大的改變。本文通過分析拖拉機(jī)作業(yè)工況，采用CRUISE軟件，針對研發(fā)中的15 kW純電動拖拉機(jī)(An Hui Ke Ji Xue Yuan-Pure Eeletric Tractor，以下簡稱AK-PET)搭建仿真平臺，將制定的拖拉機(jī)作業(yè)工況導(dǎo)入仿真平臺進(jìn)行作業(yè)性能仿真分析，以期為純電動拖拉機(jī)開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 拖拉機(jī)作業(yè)工況分析

工況作為仿真系統(tǒng)的輸入，其真實準(zhǔn)確性對拖拉機(jī)作業(yè)性能的分析至關(guān)重要。然而，目前從知網(wǎng)檢索的文獻(xiàn)來看，針對國內(nèi)拖拉機(jī)作業(yè)工況的采集研究較少。由于各地域氣候、環(huán)境、土質(zhì)等呈現(xiàn)多樣性，最佳作業(yè)工況理當(dāng)不盡相同。拖拉機(jī)開發(fā)設(shè)計時一般采用恒定作業(yè)速度來代替作業(yè)工況，并不能夠反映拖拉機(jī)加減速、阻力突變等工況所造成的電力損耗，因此造成了性能分析時的原理誤差。本文針對以上問題，著重分析拖拉機(jī)常見的運輸工況和旋耕工況。

拖拉機(jī)的運輸工況主要結(jié)合城鄉(xiāng)常見路況，考慮了3種路面：土路、水泥路和柏油路。柏油路運輸速度為40 km/h，水泥路為28 km/h，土路為20 km/h。其運輸工況如圖1所示。

拖拉機(jī)旋耕工況的采集地選擇安徽科技學(xué)院玉米試驗田，其坡度為0°，長*寬=100 m*62.5 m。文獻(xiàn)[10-11]表明，采用深松35 cm+旋耕的耕作方式，玉米能夠得到較高的產(chǎn)量。旋耕作業(yè)采用橫軸式旋耕機(jī)，耕地寬度為1.25 m，深度14 cm左右，從寬度方向中心線左側(cè)起耕，采用內(nèi)翻法進(jìn)行深松后的玉米地旋耕作業(yè)，旋耕速度6 km/h，旋耕機(jī)主軸轉(zhuǎn)速控制在180 r/min左右。到地頭降速轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時旋耕機(jī)不工作，轉(zhuǎn)彎速度為3 km/h，經(jīng)過25次往返作業(yè)，用時3 250 s，完成了0.625 hm2地的旋耕作業(yè)，得到的拖拉機(jī)旋耕作業(yè)工況如圖2所示。由圖1和圖2可知，運輸工況和旋耕工況都存在著頻繁的加減速情況。作業(yè)工況的制定為將來AK-PET作業(yè)性能仿真提供輸入信號。

圖1 拖拉機(jī)運輸工況Fig.1 Working conditions of tractor transportation

圖2 拖拉機(jī)旋耕工況Fig.2 Woking conditions of tractor rotary tillage

2 AK-PET動力系統(tǒng)傳遞方案及主要參數(shù)

設(shè)計的純電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖3所示,其傳遞路線及特點在前期研究文獻(xiàn)[12-14]中已作詳細(xì)介紹，這里不再贅述。其主要參數(shù)見表1。

1.蓄電池組;2.電機(jī)控制器;3.牽引電動機(jī);4.聯(lián)軸器;5.拖拉機(jī)驅(qū)動輪;6.差速器;7.變速器輸入軸;8.變速器中間軸;9.變速器;10.拖拉機(jī)前輪;11.軸承;12.動力輸出軸圖3 純電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案Fig.3 Structure program of pure electric tractor drive system

表1 純電動拖拉機(jī)主要參數(shù)
Tab.1 Pure electric tractor main parameters

部件參數(shù)數(shù)值整車整備質(zhì)量/kg990額定牽引力/N1 600機(jī)械效率0.92動力電池組額定容量/Ah100電池組數(shù)4牽引電機(jī)額定功率(最大功率)/kW15(30)額定轉(zhuǎn)速(最大轉(zhuǎn)速)/r·min-12 400(6 500)額定轉(zhuǎn)矩(最大轉(zhuǎn)矩)/N·m60(160)變速系統(tǒng)變速器傳動比9.76,3.78,9.76(倒檔)主減速器傳動比7.11驅(qū)動輪規(guī)格/(半徑/m)600-12人字花/0.467

3 基于CRUISE的AK-PET動態(tài)仿真平臺建立

CRUISE作為一種前向式仿真軟件，廣泛應(yīng)用于車輛系統(tǒng)動力學(xué)的仿真，可實現(xiàn)對復(fù)雜動力傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析、控制策略的開發(fā)，被眾多高校研究人員和企業(yè)所采用[7-9]?？紤]到AK-PET結(jié)構(gòu)方案與汽車有較多相同部件，如動力電池、驅(qū)動電機(jī)、變速系統(tǒng)等，故采用CRUISE平臺搭建了AK-PET仿真模型，如圖4所示。該模型主要包括動力電池、驅(qū)動電機(jī)、兩擋變速箱和駕駛員模型。

圖4 AK-PET仿真模型Fig.4 Simulation model of AK-PET

針對拖拉機(jī)與汽車的異同，對圖4所示的仿真模型做了以下修改:拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)特性與汽車有明顯不同[4-6]，基于此在車輪模型中定義了附著系數(shù)隨滑轉(zhuǎn)率變化的關(guān)系；由于AK-PET低速起步轉(zhuǎn)矩大，為了防止起步時產(chǎn)生過大滑移率而導(dǎo)致其失去操控穩(wěn)定性，故施加了起步驅(qū)動防滑控制模塊ASC，并編寫了簡易控制程序；對驅(qū)動控制模塊(e-drive)和制動控制模塊(e-brake)重新編寫了程序，以適應(yīng)AK-PET的田間作業(yè)工況；針對兩擋式變速器，編寫了基于速度換擋的簡易換擋策略。經(jīng)過以上4個步驟，圖4所示的AK-PET仿真平臺基本完成。在仿真模型機(jī)械連接完畢、相關(guān)模塊程序編寫完成后，進(jìn)行了信號線之間的連接。

作業(yè)工況的處理是本文中的重點和難點。將速度信號按照指定格式編寫，并將文件命名為Tractor_transportation.pro(運輸工況)和Rotary tillage.pro(旋耕工況)，存放在CRUISE安裝文件中的Profiles中。待仿真完成后，生成的結(jié)果數(shù)據(jù)存放在Driving Cycles下的Rotary tillage文件夾和Tractor_transportation文件夾中。

根據(jù)表1所示參數(shù)，在基于CRULSE搭建的AK-PET仿真界面中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)。因部件較多，這里簡要介紹驅(qū)動電機(jī)特性參數(shù)的輸入。所采用的驅(qū)動電機(jī)MAP圖如圖5所示。所采用的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速在[0，650 0] r/min，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在[0，160] N·m，因為驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為60 N·m，極限轉(zhuǎn)矩為160 N·m，有一定的過載系數(shù)，但工作過程中過載時間不宜過長，以免造成電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重和電池壽命的縮短，因此考慮將驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩控制在60 N·m以下。驅(qū)動電機(jī)的效率在[0.50，0.895]之間，而且在轉(zhuǎn)速2 400 r/min左右、轉(zhuǎn)矩60 N·m時，效率處于較高值。驅(qū)動電機(jī)控制策略應(yīng)當(dāng)使驅(qū)動電機(jī)工作在較高效率的區(qū)域。

圖5 AK-PET驅(qū)動電機(jī)MAP圖Fig.5 MAP of AK-PET drive motor

4 仿真實驗結(jié)果分析

在完成以上步驟后試運行，發(fā)現(xiàn)了75個錯誤，找出出錯位置并改正后，最終能夠順利進(jìn)行仿真實驗。

4.1 運輸工況仿真實驗結(jié)果

采用運輸工況作為仿真輸入，經(jīng)過10 s的仿真運算時間，牽引1 000 kg貨物按照圖1所示的工況從事運輸作業(yè)，仿真結(jié)果如下：

(1)圖6所示為運輸工況下AK-PET需求車速與實際車速對比圖。在400 s的仿真時間里，實際車速與需求車速之間的差值最大值為1.08 km/h，發(fā)生在仿真時間21 s。整個仿真過程中，速度誤差的平均值為0.01 km/h，說明實際車速能夠良好地跟隨需求車速，AK-PET未出現(xiàn)動力不足的情況。

圖6 運輸工況下AK-PET需求車速與實際車速對比圖Fig.6 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under transportation condition

圖7 運輸工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線Fig.7 SOC curve of AK-PET batteries under transportation condition

(2)圖7所示為運輸工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線。在400 s的仿真時間里，電池SOC由初始值95%降低到了93.82%，在加速階段，SOC下降速度增大，車速越高，SOC值降低越快；減速停車階段SOC值下降速度明顯放緩。整個過程中SOC變化曲線基本上比較平順，電池工作狀態(tài)良好。

(3)圖8所示為運輸工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩輸出曲線。在400 s的仿真時間里，可以看出，起步階段，驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩由0迅速增大到20.44 N·m，而驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩設(shè)置為60 N·m，說明自身編寫的ASC程序起到了作用；整個工作范圍，驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平均值為12.58 N·m，說明AK-PET牽引1 000 kg貨物從事運輸作業(yè)，載荷較小，應(yīng)該能夠承受更重的載荷工作。驅(qū)動電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為3 975 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 114 r/min，說明為了跟隨需求車速，電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)域。

圖8 運輸工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出曲線Fig.8 Speed and torque output curve of AK-PET motor under transportation condition

(4)圖9所示為運輸工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)功率與效率輸出曲線，在400 s的仿真時間里，驅(qū)動電機(jī)輸出機(jī)械功率最大值為9.21 kW，平均值為5.47 kW。驅(qū)動電機(jī)工作效率最高值為0.826，平均值為0.748。說明驅(qū)動電機(jī)完全能夠承受1 000 kg貨物按照需求車速行駛，機(jī)械功率尚有富余。而效率平均值偏離驅(qū)動電機(jī)效率最佳值0.895約0.147，證明電機(jī)的工作狀態(tài)還有上升的空間。為提高工作效率，有兩種途徑可以嘗試，即通過調(diào)整變速器速比和增加運輸貨物的重量，但有待進(jìn)一步深入研究。

圖9 運輸工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)功率與效率輸出曲線Fig.9 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under transportation condition

4.2 旋耕工況仿真實驗結(jié)果

采用旋耕工況作為仿真輸入，旋耕阻力為4 663.2 N，經(jīng)過15 s的仿真運算時間，仿真完成，在輸出結(jié)果界面中找到仿真數(shù)據(jù)，得到AK-PET旋耕工況下需求車速與實際車速對比圖如圖10所示。從圖10中可以看出，需求車速與實際車速誤差的平均值為0.10 km/h，說明實際旋耕速度較好地跟隨工況中的需求車速。

圖10 AK-PET旋耕工況下理想車速與實際車速對比圖Fig.10 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under rotary tillage

圖11所示為旋耕工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線，在完成0.625 hm2地的連續(xù)旋耕作業(yè)以后，用時3 250 s，動力電池SOC值由初始的95%降低到了81.47%，整個電池工作狀態(tài)較為平穩(wěn)。

圖11 旋耕工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線Fig.11 SOC curve of AK-PET batteries under rotary tillage

圖12所示為旋耕工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出曲線，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速集中在[1 180，2 468] r/min之間，這個轉(zhuǎn)速基本處于“低速恒轉(zhuǎn)矩”輸出階段，與設(shè)計初的期望一致。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也在34.07～57.95 N·m之間變化，低于額定轉(zhuǎn)矩60 N·m，均與設(shè)計初的期望一致。說明所選型驅(qū)動電機(jī)能夠勝任當(dāng)前的旋耕工作，不存在過載的情況。

圖12 旋耕工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩輸出曲線Fig.12 Speed and torque output curve of AK-PET motor under rotary tillage

圖13所示為旋耕工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)功率與效率輸出曲線，驅(qū)動電機(jī)輸出功率最大值為11.8 kW，平均值為9.63 kW，而驅(qū)動電機(jī)的額定功率為15 kW，不存在過載現(xiàn)象；效率的平均值為0.859，說明驅(qū)動電機(jī)的工作狀態(tài)良好，處于高效區(qū)域。

圖13 旋耕工況下AK-PET驅(qū)動電機(jī)功率與效率輸出曲線Fig.13 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under rotary tillage

我們前期在Matlab中通過編寫M文件的方式，也分析了純電動拖拉機(jī)的作業(yè)性能[12-13]。旋耕工況采用6 km/h的等速工況，運輸工況采用24 km/h的等速工況。兩種仿真環(huán)境下得到的主要性能參數(shù)對比見表2。

表2 兩種仿真環(huán)境下拖拉機(jī)主要參數(shù)對比
Tab.2 Comparison of the main parameters of tractors in two simulation environments

環(huán)境指標(biāo)旋耕工況運輸工況作業(yè)時間/h最高作業(yè)速度/km·h-1平均滑轉(zhuǎn)率最大牽引力/N作業(yè)時間/h最高作業(yè)速度/km·h-1平均滑轉(zhuǎn)率最大牽引力/NMATLAB4.297.230.155 366 0006.66 41.490.005 76 758.05CRUISE4.516.890.166 595 8756.54400.006 86 619.46偏差/%4.884.936.742.131.843.7316.182.09

從表2中看出，兩種環(huán)境下，得到的主要指標(biāo)除了滑轉(zhuǎn)率偏差超出了5%以外，其它偏差都在5%以內(nèi)。主要原因在于用MATLAB分析時，作業(yè)工況均采用了等速工況代替，未考慮加減速對電池SOC變化的影響及驅(qū)動電機(jī)的動態(tài)特性輸出等原因，造成了MATLAB中預(yù)測的指標(biāo)與CRUISE中的預(yù)測指標(biāo)的差異。而MATLAB中編寫的專用分析程序也存在著功能單一，忽略了部分影響因素如溫度、動載荷變化、制動系統(tǒng)對車速的影響等問題，與商業(yè)化CRUISE軟件相比存在著不足之處，但二者結(jié)果相互印證，也證明了本文CRUISE軟件仿真模型建立的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)本文根據(jù)拖拉機(jī)實際作業(yè)工況制定了旋耕工況和運輸工況，繪制了兩種工況下的速度曲線，為拖拉機(jī)的動態(tài)性能研究提供了良好的工況信號借鑒。但隨著作物耕作技術(shù)的發(fā)展，更多的作業(yè)工況例如深松、開溝等有待研究，以更全面地分析研究拖拉機(jī)的作業(yè)性能。

(2)基于CRUISE軟件搭建了AK-PET的仿真平臺。仿真實驗結(jié)果表明，在兩種工況下，AK-PET均能夠緊密跟隨工況車速，其電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等均在電機(jī)MAP圖特性范圍內(nèi)，滑轉(zhuǎn)率平均值均控制在0.17以下，表明所研發(fā)的拖拉機(jī)適用于這兩種工況。

(3)文中基于CRUISE搭建的AK-PET仿真平臺仿真方式多樣，監(jiān)測數(shù)據(jù)全面，優(yōu)于我們在MATLAB中通過M文件編寫的仿真程序，為后期AK-PET參數(shù)優(yōu)化匹配、電池管理系統(tǒng)研究、制動系統(tǒng)能量回收策略研究、電機(jī)控制策略制定、整車控制策略開發(fā)等工作都提供了良好的平臺。