基于Simulink的純電動拖拉機傳動系統仿真研究

張鑫 趙光龍 葛紅恩

摘要：針對燃油拖拉機目前存在高污染、高油耗等問題，電動拖拉機的研發應用成為當前農業機械化的一個重要發展方向。在理論計算的基礎上對牽引電動機、變速器和動力電池組等進行了選型設計，并對設計研發中的純電動拖拉機傳動系統進行了仿真研究。研究表明，所建模型能夠真實地反映電動拖拉機的運行狀態，實際速度與目標速度吻合良好，兩者誤差絕對值的平均值為0.298，電動拖拉機在運輸工況下持續工作時間可達4.5 h，在犁耕工況下工作時長為4.2 h。

關鍵詞：純電動拖拉機;傳動系統;仿真研究;動力性能;農業機械

中圖分類號：S219.032.1 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0229-04

拖拉機作為農業生產中必不可少的動力機械，其保有量呈逐年增加態勢。“十二五”期間，我國農業機械化主動適應經濟發展新常態、農業農村發展新要求，各方面工作穩步推進，“十二五”規劃目標任務全部完成，大中型拖拉機保有量達到607.3萬臺，是“十一五”末的1.5倍[1]。但在現階段，我國農業生產使用的仍然是傳統類型的燃油拖拉機，由此引發的環境污染問題日趨嚴峻。“十三五”規劃提出農機生產要圍繞發展資源節約型、環境友好型機械化的目標，改善農業機械的技術狀態，提高能源利用效率，促進節能減排[2-3]。因此，發展對環境更友好的純電動拖拉機對改善以上問題具有重大意義。

我國目前對電動拖拉機的研究較少，主要集中在高校團隊，南京農業大學的高輝松團隊研究了電動拖拉機各部件的匹配方法，西北農林科技大學的盧毅等研究設計了一種可遙控的小型履帶電動拖拉機[4]。本研究在理論計算、設計選型的基礎上，主要對純電動拖拉機的傳動系統進行仿真并對其性能進行分析。

1 電動拖拉機傳動系統設計

1.1 牽引平衡方程式

圖1為電動拖拉機的受力結構。

3 仿真結果與分析

電動拖拉機在完成基本的運輸作業之外，還要完成耕種、播種、收獲等田間任務。針對電動拖拉機作業情況的復雜性，在結合實際生產的基礎上，建立了2種測試工況：運輸作業測試工況和犁耕作業測試工況。如圖5所示，選取低速市郊行駛工況（extra urban driving cycle，簡稱EUDC）測試工況為運輸作業測試工況。該工況運行時間共400 s，平均速度為12-51 km/h，最高速度為17.83 km/h，運行距離共1.39 km，怠速時間共42 s[10]。

犁耕作業時，電動拖拉機勻速行駛，結合實際生產作業情況，選取作業速度為5 km/h，故選擇等速測試工況作為犁耕作業測試工況。

對所建立的仿真模型進行工況輸入，以EUDC測試工況作為輸入，采取PID[比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）]模糊控制原理，運行后得到實際速度與目標速度的對比曲線，為更直觀表現兩者之間的誤差，作出兩者之間的差值曲線（圖6）。

由圖6的仿真結果可以看出，在仿真過程中，電動拖拉機的實際速度曲線和設定的目標循環工況運行速度吻合情況良好，兩者之間差值的絕對值的最大值為2.02，最大值出現在時間為375 s處，此時拖拉機處在由最大速度減速至停車的階段，由此產生一個較大的誤差，并且較大的誤差值多出現在速度突變處。差值的絕對值的平均值為0.298，速度誤差相較于運行速度較小。由此可以說明，所建立的電動拖拉機仿真模型能夠在貼近實際的情況下真實地模擬拖拉機在道路上的行駛情況。

在驗證了所建模型能夠真實反映拖拉機行駛特性的基礎上，對電動拖拉機模型進行仿真，測試研發中的電動拖拉機的性能，其中電動拖拉機的主要參數如表1所示，得到電動拖拉機的仿真結果如下所示。

3.1 爬坡性分析

由圖7可知，在低速時電動拖拉機具有較好的爬坡性能，超過一定速度后，隨著速度的增加，電動拖拉機的爬坡性能降低。

3.2 加速時間分析

由圖8可知，在路況良好的路面上行駛時，當拖拉機行駛速度為0～10 km/h時，加速時間為1 s;當行駛速度為0～25 km/h 時，加速時間為3.8 s。

3.3 剩余電量分析

以低速EUDC測試工況為運輸作業工況輸入，等速測試工況為犁耕工況輸入，設定SOC初始值為85%，在完成5個EUDC測試工況循環后，記錄電動拖拉機SOC值的變化情況（圖9、圖10）。

由圖9可知，在完成5個測試工況循環后，電動拖拉機動力電池組的剩余電量從85%減少到74.6%，消耗量為10.4%。

隨著時間的延長，電池的SOC呈平緩下降趨勢，在怠速期間，電池電量保持短時間基本不變。根據能量守恒定律，通過換算可以得出，電量消耗到0的時間約為16 346 s，即約為 4.5 h，符合設計初始要求。

由圖10可知，當電動拖拉機在勻速狀態下持續工作時，電池的SOC呈直線下降趨勢，在經過2 000 s的持續作業后，電池SOC由85%下降到73.8%。通過能量守恒計算，得到電池電量消耗到0的時間約為15 178 s，即約為4.2 h，滿足犁耕作業環境下對電動拖拉機持續作業時間的要求。

4 結論

根據目前電動拖拉機的發展現狀，本研究結合電動車輛在農用機械領域的應用前景，基于拖拉機的作業特點，對電動拖拉機的動力傳動系統進行設計，并且在Simulink仿真環境下對設計研發中的電動拖拉機進行仿真測試。測試結果表明，電動拖拉機的仿真速度能夠很好地跟隨目標速度，實際速度與目標速度差值絕對值的平均值為0.298;電動拖拉機在低速狀態下爬坡性能較好，隨著速度增加，其爬坡性明顯減弱;電動拖拉機的加速性能能夠滿足設計要求。對電動拖拉機分別進行運輸作業工況和犁耕作業工況測試，電動拖拉機在運輸工況下持續作業時間約為4.5 h，在犁耕工況下持續作業時間可達4.2 h。

參考文獻：

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