纯电动拖拉机与传统燃油拖拉机性能对比分析

方树平，王宁宁，徐立友，易克传

(1.安徽科技学院，安徽 凤阳 233100；2.河南科技大学，河南 洛阳 471003；3.中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471004)

纯电动拖拉机与传统燃油拖拉机性能对比分析

方树平1，王宁宁1，徐立友2,3，易克传1

(1.安徽科技学院，安徽 凤阳 233100；2.河南科技大学，河南 洛阳 471003；3.中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471004)

针对传统燃油拖拉机排放差、变速箱挡位多及底盘布置柔性化差等问题，基于某型传统燃油拖拉机提出了一种纯电动拖拉机动力系统驱动方案。分别在CI=700的麦茬地、CI=900的麦茬地、柏油路和土路4种典型作业路面，充分考虑滑转率、牵引效率的影响，借助MatLab软件预测了两种拖拉机作业性能。结果表明：新设计的纯电动拖拉机作业速度曲线、牵引功率曲线基本能够覆盖传统燃油拖拉机，作业性能更优。这说明，所设计的纯电动拖拉机传递方案可行，且结构简单、挡位少、底盘布置柔性化，具备传统燃油拖拉机的作业能力。

纯电动拖拉机；动力系统；作业性能

0 引言

目前我国的拖拉机技术发展水平不高，处于国外20世纪70-80年代的水平[1]，电子控制技术刚刚得到应用[2]。拖拉机排放性不佳[3]，随着拖拉机专业化增强、智能化程度增高，变速器将采用增加挡位、动力换挡技术及无极变速技术来适应各种复杂工况[4-5]，因此拖拉机的成本将大幅提高，可靠性也带来挑战。“十三五”规划中，我国明确提出了“牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，走环境友好的农业现代化道路”[6-8]。

随着环境污染问题和石油短缺问题的严峻化，电驱动系统以其环保、传输功率损失小、调速范围宽、易实现智能化的优点，被国内外不少企业、高校和科研院所研究。

文献[9-10]对分别对功率为5kW和8kW的纯电动拖拉机进行了研究，并分析了牵引性能，但均是在原车基础上改型，底盘布置上并未重新布置设计。文献[11-12]研究了串联式混合动力拖拉机驱动系统及其能量管理策略；文献[13-17]对并联式混合动力拖拉机进行了研究，由于混合动力拖拉机传动系统复杂、底盘布置不方便、控制系统复杂且控制难度大，使得对混合动力拖拉机的研究还停留在理论层面。本文对15kW纯电动拖拉机展开研究，根据牵引电动机外特性重新进行底盘布置设计，并分析其牵引性能，拟通过与原同马力拖拉机进行性能对比分析，来评价两种拖拉机的性能优劣，为纯电动拖拉机的开发提供理论依据。

1 纯电动拖拉机驱动系统结构方案

纯电动拖拉机驱动系统结构方案如图1所示。

1.蓄电池组 2.电机控制器 3.牵引电动机 4.联轴器 5.拖拉机驱动轮 6.差速器 7.变速器输入轴 8.变速器中间轴 9.变速器 10.拖拉机前轮 11.轴承 12.动力输出轴图1 纯电动拖拉机驱动系统结构方案

工作时，由蓄电池组通过电机控制器给牵引电动机提供电能，通过两挡变速器和差速器将动力传递给拖拉机驱动轮；该变速器同时提供动力输出轴，用于旋耕等作业工况。该拖拉机有以下特点：传递方案简单，蓄电池组、电机控制器和牵引电动机之间柔性连接，因此在底盘上布置更加方便，利于载荷分配系数的调整；采用两档变速器，挡位少，倒挡通过电机反转实现，简化操作；增加了动力输出轴，使更多作业工况成为可能。

2 两种拖拉机主要参数对比

纯电动拖拉机的选型依据文献[5-11]，这里简单讲述纯电动拖拉机传动比的选择。该纯电动拖拉机传动比的选择依据最常用的作业工况。由于拖拉机经常在麦茬地上进行犁耕、耙地及旋耕等作业，也经常从事运输作业，故设置1个犁耕挡和1个运输挡。犁耕作业时推荐速度为4～6km/h，运输作业时推荐速度为30km/h。根据公式(1)设置传动比，即

(1)

式中u—拖拉机作业速度(km/h)；

rq—驱动轮半径(m)；

ne—牵引电机额定转速(r/min)；

ig—变速器传动比；

i0—主减速器传动比；

ηδ—滑转效率。

得到的纯电动拖拉机和原有传统燃油拖拉机性能参数表1所示。

表1 两种拖拉机主要参数

续表1

3 性能曲线分析

采用表1中的参数，用以下主要公式[18-23]对两款拖拉机进行性能分析，即

(2)

ηT=ηm·ηf·ηδ

(3)

φ=φmax(1-e-δ/δ*)

(4)

Fq=φZq

(5)

Zq=λGg

(6)

u=u0(1-δ)

(7)

式中Fq—驱动力(N)；

TM—牵引电动机/发动机输出扭矩(N)；

ηT—牵引效率；

ηm—机械效率；

ηf—滚动效率，ηf=1-Ff/Fq；

φ—附着系数；

φmax—极限附着系数；

λ—质量分配因数；

G—拖拉机的使用质量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)；

Zq—驱动轮处载荷(N)；

u0—拖拉机纯滚动时车速(km/h)。

为了使两种拖拉机的性能分析具有可比性，在分析拖拉机性能时采用同样的思路和计算方法：分别从发动机和牵引电动机的外特性出发，充分考虑不同作业工况下的牵引效率与驱动力变化关系、驱动力与滑转率变化关系，分别得出两种拖拉机牵引特性。其计算分析程序流程图如图2所示。

图2 牵引性能分析流程图

根据牵引电动机外特性和发动机外特性实验数据，采用三次多项式拟合，拟合精度达到98%以上，得到了拟合后的牵引电动机和发动机外特性曲线图，如图3所示。

由图3可以看出：牵引电动机外特性与发动机外特性曲线区别较大，牵引电动机表现出“低转速恒扭矩，高速恒功率”的输出特性，具体表现为转速nM<2 400r/min，输出转矩TM=60N·m，nM>2 400r/min转速时，电动机输出功率P=TM·nM≈15kW；而发动机输出扭矩随着转速的增大表现为先增大后减小，并在转速1 544r/min时扭矩达到最大值 73.61N·m。根据拖拉机行驶平衡方程式，拖拉机起步时，车速低；需要较大的扭矩；车速高时，需要较大的功率。因此，传统燃油拖拉机需要增加很多个挡位来满足行驶功率需求。比较发现，牵引电动机外特性更适合拖拉机作业功率需求。

在计算中，选取4种典型路面，分别为犁耕、耙地等作业下对应的不同土壤圆锥指数为700和900的麦茬地，运输作业下对应柏油路和土路。不同路面下，滚动阻力系数、特征滑转率、附着系数最大值及作业速度推荐值的取值情况如表2所示[18]。

表2 4种作业路面的特征参数取值

根据表2中数值和相关计算公式，计算得到滑转率随驱动力关系曲线，如图4所示。

图4 滑转率随驱动力变化关系

由图4可以看出：在4种不同的路面下，滑转率均随驱动力的增大而增大；土壤圆锥指数CI=700的麦茬地(下文中简称为麦茬地1)和CI=900的麦茬地(下文中简称为麦茬地2)曲线比较接近。在驱动力Fq=6 000N时，滑转率分别为0.335 6和0.293 1；在Fq>6 000N时，滑转率急剧增大。柏油路和土路的滑转率比较接近，当驱动力Fq=6 500N时，土路滑转率分别为0.141 6；当Fq>6 000N时，滑转率急剧增大；当驱动力为Fq=6 000N时，柏油路滑转率为0.195 3；当Fq>6 500N时，滑转率急剧增大。因此，在利用拖拉机进行作业时，驱动力应当控制在一定的变化范围内，避免过大滑转功率损失。

拖拉机的牵引效率除了与动力系统有关，还与驱动轮轮胎和土壤条件关系密切[21]。通常在动力足够情况下，拖拉机牵引效率主要受到驱动轮轮胎和土壤条件的限制，因此在轮胎型号选定的条件下，随着土壤条件的不同，拖拉机牵引效率曲线不同。由图5可知，牵引效率随着驱动力增大而先增加、后减小。在柏油路和土路，由于滚用阻力系数较小，因此驱动力在相当大的范围内牵引效率均较高，并随着驱动力增大有减小的趋势。柏油路牵引效率最大值为0.83，对应驱动力为4 213.69N；土路牵引效率最大值=0.75，对应驱动力为4 351.58N。但在麦茬地1和麦茬地2上，同样驱动力下，牵引效率要比在柏油路和土路上小得多，主要因为在麦茬地上滚动系数较大，滚动损失较大，同时滑转效率也较低所致。麦茬地1的牵引效率最大值=0.66，麦茬地2的牵引效率最大值=0.67，对应牵引力分别为4 038.17N和4 157.24N。

图5 不同工况下拖拉机牵引效率的变化关系

拖拉机经常在柏油路和土路上从事运输作业，因此分析两种拖拉机分别在两种路面的作业性能，如图6所示。在柏油路上，纯电动拖拉机在驱动力Fq=681.16N时达到最大作业速度41.7km/h，其最大驱动力可达到6 747.80N，而传统燃油拖拉机最大驱动力为4 789.07N。传统燃油拖拉机最大运输速度超过50km/h，但现实中超过35km/h以后并不实用。驱动力在[681.16N，6 747.80N]范围内时，纯电动拖拉机作业速度曲线完全覆盖传统燃油拖拉机。在土路上，纯电动拖拉机在驱动力Fq=778.65N时达到最大运输速度41.49km/h，最大的驱动力可达到6 048.85N，而传统燃油拖拉机最大驱动力为4 345.01N。综上所述，纯电动拖拉机运输时表现出“更有劲”，运输速度设置更加合理。

拖拉机从事犁耕、旋耕、耙地等作业，通常在麦茬地上进行，因此分析了两种拖拉机在CI=700和CI=900麦茬地的作业性能，如图7所示。无论在麦茬地1还是麦茬地2，纯电动拖拉机的作业速度曲线完全覆盖了传统燃油拖拉机，说明在驱动力相同的情况下纯电动拖拉机可以比传统燃油拖拉机有更高的作业速度。

图6 柏油路和土路上纯电动拖拉机和传统燃油拖拉机作业速度随驱动力变化关系

图7 两种麦茬地上纯电动拖拉机和传统燃油拖拉机作业速度随驱动力变化关系

图8为两种拖拉机牵引功率随驱动力的变化关系。由图8可以看出：在不同的作业工况下，纯电动拖拉机牵引功率曲线基本覆盖了传统燃油拖拉机，也就是说同样驱动力下纯电动拖拉机能够输出更高的功率。这需要传统燃油拖拉机设置更多的挡位才能实现，也是随着拖拉机功率增大，拖拉机挡位设置越多的原因。近年来，传统燃油拖拉机变速箱向着多档化、无级变速发展，也加大了成本和操作控制难度[4-5]，而纯电动拖拉机则不必设置过多挡位就可以实现众多作业功能。

1.纯电动拖拉机-柏油路 2.传统拖拉机-柏油路 3.传统拖拉机-土路 4.纯电动拖拉机-土路 5.纯电动拖拉机-麦茬地2 6.纯电动拖拉机-麦茬地1 7.传统拖拉机-麦茬地2 8.传统拖拉机-麦茬地1图8 牵引功率随驱动力变化关系

由于续航能力一直是纯电动车辆的弱点，因此研究了所设计纯电动拖拉机在3种典型工况下的作业时间，如图9所示。

图9 纯电动拖拉机作业时间随作业速度变化关系

犁耕工况为在麦茬地1中进行犁耕作业；空载工况为柏油路上空载行驶；极限工况为在麦茬地1中拖拉机在驱动力最大值时工作的情况。由图9可知，纯电动拖拉机作业时间均随作业速度增大而降低。犁耕作业采用6km/h时的作业时间为5.7h，若采用4km/h犁耕时的作业时间为7.2h，满足设计要求。传统燃油拖拉机由于加油方便、时间短，可认为传统燃油拖拉机续航里程无穷大，而纯电动拖拉机充电需要很长时间，所以在续航里程上与传统燃油拖拉机存在较大差距。续航里程、充电时间是限制纯电动拖拉机发展的一个重要因素。

4 结论

1)所设计的纯电动拖拉机采用两个前进档，挡位少，但在4种典型路况下作业性能曲线都能够基本覆盖传统燃油拖拉机，而且表现出传统燃油拖拉机装载无级变速器才能实现的性能特性。可以看出，纯电动拖拉机不必设置更多挡位即可完成多种作业。

2)纯电动拖拉机使用电动力传递，在底盘布置上更灵活，质量分配更方便。

3)受到动力电池比功率低的限制，纯电动拖拉机续航里程与传统燃油拖拉机依然有较大差距。

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Performance Comparison Between Pure Electric Tractor and Conventional Fuel Tractor

Fang Shuping1, Wang Ningning1, Xu Liyou2,3, Yi Kechuan1

(1.University of Science and Technology of Anhui, Fengyang 233100, China; 2.Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;3.YTO Group Corporation, Luoyang 471004, China)

Aiming at the problems such as poor traction of conventional tractor, bad gearbox and poor flexibility of chassis arrangement, a pure electric tractor power system driving scheme was proposed based on a traditional tractor. The performance of the two tractors was predicted by MatLab software under the influence of slip ratio and traction efficiency under the condition ofCI=700 wheat stubble,CI=900 wheat stubble, asphalt road and soil road. The calculation results show that the traction power curve and traction power curve of the newly designed pure electric tractor can cover the traditional tractor, and the working performance is better. The result shows that the designed pure electric tractor transmission scheme is feasible and the structure is simple, the gear position is small, the chassis layout is flexible, and the traditional tractor has the capability of operation.

pure electric tractor； power system； work performance

2017-02-17

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B04)；中国博士后科学基金项目(2015M582212)；2016年安徽省校级引进人才项目(830138)；安徽省科技攻关计划项目(1501031095)

方树平(1989-)，男，河南信阳人，助教,(E-mail)fangsp2015@qq.com。

徐立友(1974-)，男，河南息县人，教授，(E-mail)xlyou2002@sina.com。

S219

A

1003-188X(2018)02-0241-06