新型電動四輪農(nóng)用車牽引性能研究*

于斌，白錦洋，張軍偉，左霞，王國業(yè)

(1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京市，100076； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市，100083)

0 引言

針對溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光休閑農(nóng)業(yè)等綠色環(huán)保的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的快速發(fā)展需要，結(jié)合當(dāng)前電動車輛技術(shù)發(fā)展水平，發(fā)展電動四輪農(nóng)用車輛是合理和可行的選擇，符合未來農(nóng)業(yè)機械電動化發(fā)展趨勢[1]。近幾年，針對電動農(nóng)用車，相關(guān)學(xué)者進行了大量研究。王元杰等[2-3]針對溫室環(huán)境設(shè)計了一種履帶式遙控電動拖拉機，并對整機的各項性能進行了分析和試驗驗證。日本井關(guān)農(nóng)機株式會社與愛媛大學(xué)對改裝的電動拖拉機進行研究，試驗表明電動拖拉機的能耗和碳排放量較傳統(tǒng)燃油拖拉機大幅度降低[4]。高輝松等[5-6]對電動拖拉機的研究表明電動拖拉機具有良好的驅(qū)動性能和經(jīng)濟性能。Bodria等[7]對3 kW交流電機和2 kW直流電機驅(qū)動的兩種電動拖拉機進行了整地試驗，試驗表明電動拖拉機與傳統(tǒng)燃油拖拉性能相近。謝斌等[8]對雙輪驅(qū)動電動拖拉機的傳動性能進行了研究，結(jié)果表明樣機滿足田間作業(yè)要求。

通過對已有研究成果分析，可知：(1)多數(shù)研究基于現(xiàn)有燃油拖拉機結(jié)構(gòu)進行改造設(shè)計，并未結(jié)合電動機特點、特殊作業(yè)環(huán)境進行專業(yè)設(shè)計；(2)相關(guān)研究僅考慮電動農(nóng)用車的動力性等可行性(功能性)分析，忽略了經(jīng)濟性指標對電動農(nóng)用車輛實用性的重要意義；(3)相關(guān)試驗研究多基于試驗臺或定性田間試驗來研究農(nóng)用車輛性能，缺少必要的實車牽引性能試驗。相關(guān)研究也表明，電動車輛仍然存在續(xù)航里程短、作業(yè)時間有限、充電速度慢等問題。而農(nóng)用車輛具有作業(yè)范圍小、整備質(zhì)量大、便于充電等特點，部分彌補了電動車輛的不足，從而，發(fā)揮電動化優(yōu)勢，避免其劣勢。綜上所述，基于電動化特點提出一種新型電動四輪農(nóng)用車動力系統(tǒng)方案，并進行了實車試制、牽引特性研究。

1 整機和動力系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 整機方案

目前電動拖拉機多是基于傳統(tǒng)燃油拖拉機進行的改裝設(shè)計[8-9]，存在效率低、空間大、轉(zhuǎn)彎半徑大、地隙不易調(diào)節(jié)等不足，難以滿足溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光休閑農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。因此，針對多種工況及考慮溫室大棚環(huán)境等因素設(shè)計了一種充分發(fā)揮電動化優(yōu)勢的新型電動四輪農(nóng)用車如圖1所示。

圖1 電動四輪農(nóng)用車簡圖Fig. 1 Schematic diagram of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive1.車架 2.轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 3.前驅(qū)動橋 4.后驅(qū)動橋 5.座椅 6.電控系統(tǒng) 7.制動系統(tǒng) 8.動力電池

該農(nóng)用車主要由車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前驅(qū)動橋、后驅(qū)動橋、電控系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動力電池等組成。其中，前橋由兩輪轂電機、高度可調(diào)懸架[10]和大角度轉(zhuǎn)向機構(gòu)[11]組成，后橋由中央電機、多檔變速箱及高度可調(diào)懸架組成。該結(jié)構(gòu)方案充分利用了電動化優(yōu)勢，簡化了四驅(qū)傳動系統(tǒng)，方便實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)和四輪驅(qū)動三種驅(qū)動方式。

1.2 動力系統(tǒng)方案

電動車輛動力系統(tǒng)形式主要有基于中央電機和差速器的兩輪、四輪差速驅(qū)動，基于輪邊電機的兩輪、四輪獨立驅(qū)動等[8]，基于中央電機的差速驅(qū)動可實現(xiàn)變速和差速功能[12]，具有良好的動力性、經(jīng)濟性；基于輪邊電機的獨立驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、便于控制等優(yōu)點[13-14]。

依據(jù)電動車輛的特點和農(nóng)用車的性能需求，融合中央電機驅(qū)動和輪邊電機驅(qū)動的優(yōu)點，提出了一種新型組合式電動四輪驅(qū)動形式，如圖2所示。后輪采用中央電機與多檔變速箱結(jié)合的差速驅(qū)動方式，變速箱共設(shè)有3個擋位；前輪采用獨立輪轂電機直驅(qū)方式，可方便實現(xiàn)變速后驅(qū)、前輪直驅(qū)和四輪驅(qū)動三種驅(qū)動方式。

圖2 組合四輪驅(qū)動動力系統(tǒng)方案Fig. 2 Scheme of combined four-wheel drive power system

新型組合式電動四輪驅(qū)動通過不同驅(qū)動方式的組合可滿足農(nóng)用車輛不同作業(yè)工況的需要。(1)在正常田間作業(yè)工況，僅采用后輪驅(qū)動，具有減速、變速功能，可獲得較高牽引功率和牽引效率；(2)當(dāng)遇到較大阻力時，采用四輪驅(qū)動，可提高牽引力，擺脫困境，提高了通過性；當(dāng)需要大角度轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向時，也可采用四輪驅(qū)動，尤其前輪驅(qū)動，克服較大的轉(zhuǎn)向阻力矩，順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，提高了機動性；(3)當(dāng)在良好路面行駛時，僅采用前輪高效直接驅(qū)動，達到較高運輸車速。因此，采用新型組合式四輪驅(qū)動形式大大提高了農(nóng)用車輛動力性、經(jīng)濟性、通過性和機動性，充分滿足不同作業(yè)工況下的作業(yè)需要。此外，也為實現(xiàn)實時四驅(qū)、作業(yè)機組動態(tài)匹配等智能控制提供了基礎(chǔ)。

1.3 整機主要技術(shù)參數(shù)

為滿足電動農(nóng)用車的功能，對電動農(nóng)用車的綜合性能參數(shù)進行設(shè)計，如表1所示。

表1 電動四輪農(nóng)用車主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

2 牽引作業(yè)動力學(xué)分析

牽引作業(yè)是農(nóng)用車主要作業(yè)方式，牽引性能是其主要動力性能[15]。牽引性能為車輛縱向動力學(xué)性能，可簡化為兩輪模型[16]。簡化得到電動四輪農(nóng)用車動力學(xué)模型如圖3所示，動力學(xué)方程[17-18]

G=2Z1+2Z2

(1)

FT+2Ff1+2Ff2=2Fq1+2Fq2

(2)

FTH+2Z1(a+b+a1)+2Z2a2=Ga

(3)

式中：G——整車重量，N；

Z1——地面對單個前驅(qū)動輪垂直方向反力，N；

Z2——地面對單個后驅(qū)動輪垂直方向反力，N；

FT——牽引力，N；

Ff1——前輪單輪滾動阻力，N；

Ff2——后輪單輪滾動阻力，N；

Fq1——單個前輪驅(qū)動力，N；

Fq2——單個后輪驅(qū)動力，N；

H——后牽引點距離地面高度，m；

a——重心在水平方向上到后軸的距離，m；

b——重心在水平方向上到前軸的距離，m；

a1——前驅(qū)動輪的滾動阻力系數(shù)；

a2——后驅(qū)動輪的滾動阻力系數(shù)。

驅(qū)動力和滾動阻力滿足

Fq1=Z1φ1

(4)

Fq2=Z2φ2

(5)

Ff1=Z1a1/rq1=Z1fq1

(6)

Ff2=Z2a2/rq2=Z2fq2

(7)

式中：φ1——前驅(qū)動輪對地面附著系數(shù)；

φ2——后驅(qū)動輪對地面附著系數(shù)；

rq1——前驅(qū)動輪動力半徑，m；

rq2——后驅(qū)動輪動力半徑，m；

fq1——前驅(qū)動輪滾動阻力系數(shù)；

fq2——后驅(qū)動輪滾動阻力系數(shù)。

電動農(nóng)用車的牽引功率

Pq=FTv

(8)

式中：Pq——電動農(nóng)用車的牽引功率，W；

v——整車行駛速度，m/s。

電動農(nóng)用車的輸入功率按電機輸入功率計算

Pi=UI

(9)

式中：Pi——電動農(nóng)用車的輸入功率，W；

U——電動農(nóng)用車輸入電壓，V；

I——電動農(nóng)用車輸入電流，A。

圖3 電動四輪農(nóng)用車受力分析圖Fig. 3 Force analysis diagram of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

為全面評價電動農(nóng)用車的牽引工作效率，采用電機輸入功率Pi作為牽引輸入功率，在水平地面作業(yè)時發(fā)揮的牽引功率Pq作為輸出功率，整機牽引效率見式(10)，該牽引效率包含了電機效率，因此本文以下按此式測算牽引效率，區(qū)別于通常內(nèi)燃機車輛牽引效率[19]。

ηT=Pq/Pi×100%

(10)

前后驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率

δ1=(v1-v)/v1×100%

(11)

δ2=(v2-v)/v2×100%

(12)

式中：δ1——前驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率；

δ2——后驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率；

v1——根據(jù)前輪轉(zhuǎn)速計算得到的車速，m/s；

v2——根據(jù)后輪轉(zhuǎn)速計算得到的車速，m/s。

3 牽引性能試驗

電動農(nóng)用車牽引性能試驗系統(tǒng)，如圖4所示。試驗地點為柏油路，試驗道路平坦，天氣晴朗，無風(fēng)。試驗負荷車采用ISEKI TS1910型號拖拉機，被試車輛為自主設(shè)計電動四輪農(nóng)用車，技術(shù)參數(shù)見表1。被試車輛搭載了自行開發(fā)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器安裝和采集信號如圖4所示。

圖4 電動四輪農(nóng)用車牽引性能試驗系統(tǒng)Fig. 4 Traction performance test system of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

車輛作業(yè)時主要采用后輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，因此牽引試驗分后輪驅(qū)動1、2、3擋和四輪驅(qū)動1、2、3擋共6組，每組重復(fù)進行3次。對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理分析，如表2所示。

由表2后輪驅(qū)動牽引試驗結(jié)果可知：(1)后輪驅(qū)動1、2、3擋隨車速增加牽引力下降，符合車輛動力性規(guī)律。1擋時發(fā)揮整車最大牽引力1 925 N，3擋時整車最高車速約為10 km/h；隨著牽引力增大，滑轉(zhuǎn)率隨之增加，1擋最大牽引功率點，滑轉(zhuǎn)率約為16%，2擋最大牽引功率點，滑轉(zhuǎn)率約為11%，3擋最大牽引功率點，滑轉(zhuǎn)率約為5%。(2)1、2擋滑轉(zhuǎn)率較大，因此牽引效率有所降低，最高效率點出現(xiàn)在3檔，約為74%，該效率包含電機效率。(3)3擋最大牽引功率點和最高牽引效率點基本一致，因此匹配此類動力需求的作業(yè)機具作業(yè)時可充分發(fā)揮本機動力性、經(jīng)濟性。

表2 后驅(qū)及四驅(qū)各擋牽引特性Tab. 2 Traction characteristics of rear-wheel drive and four-wheel drive

由表2四輪驅(qū)動牽引試驗結(jié)果可知：(1)各擋車速和牽引力變化規(guī)律與后驅(qū)基本一致。1擋時發(fā)揮整車最大牽引力2 120 N，3擋時整車最高車速約為9.5 km/h。1擋最大牽引功率點，前軸滑轉(zhuǎn)率約為17%，2擋最大牽引功率點，前軸滑轉(zhuǎn)率約為12%，3擋最大牽引功率點，前軸滑轉(zhuǎn)率約為9%。(2)各擋牽引效率和牽引功率較后驅(qū)有所降低。通過滑轉(zhuǎn)率比較可知，各擋滑轉(zhuǎn)率較后驅(qū)有所增大，四驅(qū)前輪滑轉(zhuǎn)率高于后輪滑轉(zhuǎn)率，且整機負荷率較低，因此整車綜合牽引效率和牽引功率有所下降。為便于大角度轉(zhuǎn)向本車前輪采用輪轂電機直接驅(qū)動，輪速較高是導(dǎo)致前輪滑轉(zhuǎn)率較高的主要因素。因此在正常作業(yè)工況下選擇后驅(qū)較四驅(qū)更為合理。(3)四驅(qū)1擋時，發(fā)揮整車最大牽引力，因此，當(dāng)機組作業(yè)，出現(xiàn)較大阻力時，可采用四驅(qū)1擋提高牽引力，使車輛擺脫臨時困境。

對比四輪驅(qū)動和兩輪驅(qū)動牽引特性可知，在整機配置及工況相同情況下，正常作業(yè)時，采用后輪驅(qū)動匹配對應(yīng)動力需求的作業(yè)機具作業(yè)時，具有良好動力性、經(jīng)濟性；當(dāng)遇到較大阻力，后輪出現(xiàn)嚴重滑轉(zhuǎn)時，采用四輪驅(qū)動能夠發(fā)揮最大牽引力，使車輛擺脫臨時困境，提高了通過性；因此綜合利用幾種驅(qū)動方式，可適應(yīng)不同的作業(yè)工況。

根據(jù)電機額定功率點和最大牽引效率點主要性能參數(shù)，對后驅(qū)1、2、3擋電機負荷特性和整機牽引性能的關(guān)系進行比較，見表3。在電機額定功率點，電機效率較高，后驅(qū)3擋牽引效率最高，在最大牽引效率點，后驅(qū)3擋電機負荷率最大，因此進一步說明后驅(qū)3擋匹配對應(yīng)動力需求的作業(yè)機具可獲得良好性能。

表3 后驅(qū)各擋電機額定功率點和最大牽引效率點主要性能參數(shù)Tab. 3 Main performance parameters of rated power and maximum traction efficiency of rear wheel drive

4 經(jīng)濟性分析

采用單位耕作面積能量消耗和成本作為指標評價電動四輪農(nóng)用車的經(jīng)濟性，以每公頃農(nóng)田作業(yè)需要的有用功Q計算。

1) 電動四輪農(nóng)用車使用成本估算。電動四輪農(nóng)用車牽引作業(yè)能量利用效率

(13)

式中：Q——每公頃農(nóng)田作業(yè)所需有用功，kW·h；

QM——每公頃農(nóng)田作業(yè)所需電量，kW·h；

ηc——電池充電效率，鋰電池約為0.911 9[20]；

ηb——電池放電效率，在1C倍率放電下值為0.982 9[21]；

ηT——電動四輪農(nóng)用車牽引效率，試驗測得最大牽引效率為0.74。

每公頃農(nóng)田牽引作業(yè)的用電總費用

YM=QMXM

(14)

式中：XM——某地區(qū)用電單價，元/(kW·h)。

2) 電池成本估算。為估計電池成本，忽略電池的損耗。

(15)

(16)

式中：YB——農(nóng)田作業(yè)的電池成本，元/hm2；

YZ——電池組購買總費用，元；

N——電池總充放電次數(shù)；

T——每次充滿電后農(nóng)田作業(yè)總時間，h；

B——農(nóng)田作業(yè)幅寬，m；

vm——本機最大牽引效率時作業(yè)速度，5.54 km/h；

Ue——電池額定電壓，V；

Cn——電池額定容量，Ah；

Pim——最大牽引效率時輸入功率，kW。

因此，每公頃農(nóng)田作業(yè)時電動農(nóng)用車的總費用

(17)

3) 傳統(tǒng)燃油拖拉機使用成本計算。傳統(tǒng)燃油拖拉機牽引作業(yè)能量利用效率

(18)

式中：QE——作業(yè)需要的燃料總量，(kW·h)/hm2；

每公頃農(nóng)田牽引作業(yè)的總費用

(19)

式中：be——有效燃油消耗率[22]，g/(kW·h)；

ρ——柴油密度，其值為0.84 g/mL；

XE——某地區(qū)柴油機單價，元/L。

以中耕作業(yè)計算每公頃需要的有用功Q，中耕作業(yè)幅寬B的確定[23]

(20)

式中：η——利用系數(shù)，取為0.85～0.95；

FT——最大牽引效率對應(yīng)牽引力，1 050 N；

P′——中耕比阻，N/m，用窄松土鏟進行深松土?xí)r最大比阻為480 N/m[23]。

每公頃中耕作業(yè)需要的有用功

(21)

(22)

式中：t——中耕作業(yè)需要的時間，h/hm2。

由式(21)、式(22)得

(23)

由此，得到電動四輪農(nóng)用車與傳統(tǒng)燃油拖拉機的對比參數(shù)表，如表4所示。

表4 電動四輪農(nóng)用車與傳統(tǒng)燃油拖拉機參數(shù)表Tab. 4 Parameter list of the electric agricultural vehicle and traditional tractor

通過電動四輪農(nóng)用車與傳統(tǒng)燃油拖拉機的經(jīng)濟性對比分析，可知，中耕作業(yè)時，電動四輪農(nóng)用車單位面積能量消耗降至傳統(tǒng)燃油拖拉機能量消耗的42.4%，單位面積成本費用降至傳統(tǒng)燃油拖拉機的80.1%。據(jù)統(tǒng)計，近幾年鋰電池價格以每四年24%的趨勢下降，而0號柴油價格以每年8%的趨勢上升[25]，因此，電動四輪農(nóng)用車較傳統(tǒng)燃油拖拉機在能量利用效率和使用費用方面都有較大優(yōu)勢，并逐年擴大。所設(shè)計電動四輪農(nóng)用車主要應(yīng)用在溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)中，因此，可采用插電方式，使費用進一步降低，而燃油車輛還會有加油往返消耗，因此，電動農(nóng)用車更具綜合經(jīng)濟性優(yōu)勢。同時電動車輛的零排放也避免了溫室尾氣污染。

5 結(jié)論

綜上所述，通過對電動四輪農(nóng)用車整機和動力系統(tǒng)方案設(shè)計、牽引性能及經(jīng)濟性研究，得出以下結(jié)論。

1) 設(shè)計的新型電動四輪農(nóng)用車，后驅(qū)3擋時牽引效率和電機負荷率最高，通過匹配對應(yīng)動力需求的作業(yè)機具可獲得良好的牽引性能和經(jīng)濟性；四驅(qū)1擋時能夠發(fā)揮最大牽引力。

2) 根據(jù)電動農(nóng)用車需求，提出的前輪獨立輪轂電機驅(qū)動、后輪中央電機差速驅(qū)動的動力系統(tǒng)方案，通過綜合利用后驅(qū)、四驅(qū)、前驅(qū)多種驅(qū)動方式，并與對應(yīng)動力需求的作業(yè)機具匹配，可在不同作業(yè)工況下獲得良好動力性、經(jīng)濟性、通過性和機動性。

3) 中耕作業(yè)工況下電動四輪農(nóng)用車單位面積能量消耗降至傳統(tǒng)燃油拖拉機能量消耗的42.4%，單位面積成本費用降至傳統(tǒng)燃油拖拉機的80.1%。同時，電動農(nóng)用車具有用電方式靈活，溫室內(nèi)零排放等優(yōu)點。因此，電動四輪農(nóng)用車相比傳統(tǒng)燃油拖拉機具有良好的動力性、經(jīng)濟性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。隨著技術(shù)的成熟和成本的進一步降低，農(nóng)用車輛電動化將成為必然趨勢。