基于CRUISE的纯电动拖拉机作业性能研究

2019-12-11方树平王宁宁易克传缑瑞宾徐立友夏先文

山东理工大学学报（自然科学版） 2019年1期

方树平，王宁宁，易克传，缑瑞宾，徐立友，夏先文

(1.安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州 233100；2.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳471003；3.长城汽车股份有限公司，河北保定 071000)

目前，石油资源日益匮乏，环境污染问题日趋严重，纯电动拖拉机采用电驱动模式，具备不耗费石油、结构简单、污染小的优点，是农业机械的发展趋势之一[1-3]。在电动拖拉机开发中，拖拉机作业工况的真实性对作业性能预测具有重要影响，而目前对拖拉机作业工况的研究较少，不少学者采取恒速作业作为仿真输入，其得到的结果与拖拉机真实作业性能尚有差距。不同于电动汽车仿真软件种类繁多，针对纯电动拖拉机的仿真软件并不多见。方在华、胡世根等[4-6]开发了一些拖拉机性能预测软件，取得了预期的效果，但由于这些软件年代久远、通用性不高、移植性不强及知识产权的问题，并未被广泛的同行企业人员所掌握，并且通常不能进行动态仿真分析。为了避免选型过程中的盲目性，CRUISE软件在混合动力汽车的开发中被广泛使用。国内有学者也尝试将该软件用于新能源拖拉机的性能预测中[7-9]。文献[8]利用CRUISE软件对纯电动拖拉机进行了仿真，但在仿真过程中未考虑工况和拖拉机滑转率的控制；文献[9]利用CRUISE软件对增程式电动拖拉机进行了仿真分析，完成了性能的预测。上述研究的电动拖拉机均在原车的基础上进行开发，将传统燃油拖拉机用电动机代替，并未对传动系统结构形式做出大的改变。本文通过分析拖拉机作业工况，采用CRUISE软件，针对研发中的15 kW纯电动拖拉机(An Hui Ke Ji Xue Yuan-Pure Eeletric Tractor，以下简称AK-PET)搭建仿真平台，将制定的拖拉机作业工况导入仿真平台进行作业性能仿真分析，以期为纯电动拖拉机开发提供技术支持。

1 拖拉机作业工况分析

工况作为仿真系统的输入，其真实准确性对拖拉机作业性能的分析至关重要。然而，目前从知网检索的文献来看，针对国内拖拉机作业工况的采集研究较少。由于各地域气候、环境、土质等呈现多样性，最佳作业工况理当不尽相同。拖拉机开发设计时一般采用恒定作业速度来代替作业工况，并不能够反映拖拉机加减速、阻力突变等工况所造成的电力损耗，因此造成了性能分析时的原理误差。本文针对以上问题，着重分析拖拉机常见的运输工况和旋耕工况。

拖拉机的运输工况主要结合城乡常见路况，考虑了3种路面：土路、水泥路和柏油路。柏油路运输速度为40 km/h，水泥路为28 km/h，土路为20 km/h。其运输工况如图1所示。

拖拉机旋耕工况的采集地选择安徽科技学院玉米试验田，其坡度为0°，长*宽=100 m*62.5 m。文献[10-11]表明，采用深松35 cm+旋耕的耕作方式，玉米能够得到较高的产量。旋耕作业采用横轴式旋耕机，耕地宽度为1.25 m，深度14 cm左右，从宽度方向中心线左侧起耕，采用内翻法进行深松后的玉米地旋耕作业，旋耕速度6 km/h，旋耕机主轴转速控制在180 r/min左右。到地头降速转弯，转弯时旋耕机不工作，转弯速度为3 km/h，经过25次往返作业，用时3 250 s，完成了0.625 hm2地的旋耕作业，得到的拖拉机旋耕作业工况如图2所示。由图1和图2可知，运输工况和旋耕工况都存在着频繁的加减速情况。作业工况的制定为将来AK-PET作业性能仿真提供输入信号。

图1 拖拉机运输工况Fig.1 Working conditions of tractor transportation

图2 拖拉机旋耕工况Fig.2 Woking conditions of tractor rotary tillage

2 AK-PET动力系统传递方案及主要参数

设计的纯电动拖拉机驱动系统结构方案如图3所示,其传递路线及特点在前期研究文献[12-14]中已作详细介绍，这里不再赘述。其主要参数见表1。

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3 纯电动拖拉机驱动系统结构方案Fig.3 Structure program of pure electric tractor drive system

表1 纯电动拖拉机主要参数
Tab.1 Pure electric tractor main parameters

部件参数数值整车整备质量/kg990额定牵引力/N1 600机械效率0.92动力电池组额定容量/Ah100电池组数4牵引电机额定功率(最大功率)/kW15(30)额定转速(最大转速)/r·min-12 400(6 500)额定转矩(最大转矩)/N·m60(160)变速系统变速器传动比9.76,3.78,9.76(倒档)主减速器传动比7.11驱动轮规格/(半径/m)600-12人字花/0.467

3 基于CRUISE的AK-PET动态仿真平台建立

CRUISE作为一种前向式仿真软件，广泛应用于车辆系统动力学的仿真，可实现对复杂动力传动系统的动态仿真分析、控制策略的开发，被众多高校研究人员和企业所采用[7-9]。考虑到AK-PET结构方案与汽车有较多相同部件，如动力电池、驱动电机、变速系统等，故采用CRUISE平台搭建了AK-PET仿真模型，如图4所示。该模型主要包括动力电池、驱动电机、两挡变速箱和驾驶员模型。

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

针对拖拉机与汽车的异同，对图4所示的仿真模型做了以下修改:拖拉机的滑转特性与汽车有明显不同[4-6]，基于此在车轮模型中定义了附着系数随滑转率变化的关系；由于AK-PET低速起步转矩大，为了防止起步时产生过大滑移率而导致其失去操控稳定性，故施加了起步驱动防滑控制模块ASC，并编写了简易控制程序；对驱动控制模块(e-drive)和制动控制模块(e-brake)重新编写了程序，以适应AK-PET的田间作业工况；针对两挡式变速器，编写了基于速度换挡的简易换挡策略。经过以上4个步骤，图4所示的AK-PET仿真平台基本完成。在仿真模型机械连接完毕、相关模块程序编写完成后，进行了信号线之间的连接。

作业工况的处理是本文中的重点和难点。将速度信号按照指定格式编写，并将文件命名为Tractor_transportation.pro(运输工况)和Rotary tillage.pro(旋耕工况)，存放在CRUISE安装文件中的Profiles中。待仿真完成后，生成的结果数据存放在Driving Cycles下的Rotary tillage文件夹和Tractor_transportation文件夹中。

根据表1所示参数，在基于CRULSE搭建的AK-PET仿真界面中输入相应数据。因部件较多，这里简要介绍驱动电机特性参数的输入。所采用的驱动电机MAP图如图5所示。所采用的驱动电机转速在[0，650 0] r/min，驱动电机的转矩在[0，160] N·m，因为驱动电机额定转矩为60 N·m，极限转矩为160 N·m，有一定的过载系数，但工作过程中过载时间不宜过长，以免造成电机发热严重和电池寿命的缩短，因此考虑将驱动电机的输出转矩控制在60 N·m以下。驱动电机的效率在[0.50，0.895]之间，而且在转速2 400 r/min左右、转矩60 N·m时，效率处于较高值。驱动电机控制策略应当使驱动电机工作在较高效率的区域。

图5 AK-PET驱动电机MAP图Fig.5 MAP of AK-PET drive motor

4 仿真实验结果分析

在完成以上步骤后试运行，发现了75个错误，找出出错位置并改正后，最终能够顺利进行仿真实验。

4.1 运输工况仿真实验结果

采用运输工况作为仿真输入，经过10 s的仿真运算时间，牵引1 000 kg货物按照图1所示的工况从事运输作业，仿真结果如下：

(1)图6所示为运输工况下AK-PET需求车速与实际车速对比图。在400 s的仿真时间里，实际车速与需求车速之间的差值最大值为1.08 km/h，发生在仿真时间21 s。整个仿真过程中，速度误差的平均值为0.01 km/h，说明实际车速能够良好地跟随需求车速，AK-PET未出现动力不足的情况。

图6 运输工况下AK-PET需求车速与实际车速对比图Fig.6 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under transportation condition

图7 运输工况下AK-PET动力电池SOC变化曲线Fig.7 SOC curve of AK-PET batteries under transportation condition

(2)图7所示为运输工况下AK-PET动力电池SOC变化曲线。在400 s的仿真时间里，电池SOC由初始值95%降低到了93.82%，在加速阶段，SOC下降速度增大，车速越高，SOC值降低越快；减速停车阶段SOC值下降速度明显放缓。整个过程中SOC变化曲线基本上比较平顺，电池工作状态良好。

(3)图8所示为运输工况下AK-PET驱动电机转速与扭矩输出曲线。在400 s的仿真时间里，可以看出，起步阶段，驱动电机输出转矩由0迅速增大到20.44 N·m，而驱动电机额定转矩设置为60 N·m，说明自身编写的ASC程序起到了作用；整个工作范围，驱动电机输出转矩平均值为12.58 N·m，说明AK-PET牵引1 000 kg货物从事运输作业，载荷较小，应该能够承受更重的载荷工作。驱动电机的平均转速为3 975 r/min，最高转速6 114 r/min，说明为了跟随需求车速，电机工作在高转速区域。

图8 运输工况下AK-PET驱动电机转速与转矩输出曲线Fig.8 Speed and torque output curve of AK-PET motor under transportation condition

(4)图9所示为运输工况下AK-PET驱动电机功率与效率输出曲线，在400 s的仿真时间里，驱动电机输出机械功率最大值为9.21 kW，平均值为5.47 kW。驱动电机工作效率最高值为0.826，平均值为0.748。说明驱动电机完全能够承受1 000 kg货物按照需求车速行驶，机械功率尚有富余。而效率平均值偏离驱动电机效率最佳值0.895约0.147，证明电机的工作状态还有上升的空间。为提高工作效率，有两种途径可以尝试，即通过调整变速器速比和增加运输货物的重量，但有待进一步深入研究。

图9 运输工况下AK-PET驱动电机功率与效率输出曲线Fig.9 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under transportation condition

4.2 旋耕工况仿真实验结果

采用旋耕工况作为仿真输入，旋耕阻力为4 663.2 N，经过15 s的仿真运算时间，仿真完成，在输出结果界面中找到仿真数据，得到AK-PET旋耕工况下需求车速与实际车速对比图如图10所示。从图10中可以看出，需求车速与实际车速误差的平均值为0.10 km/h，说明实际旋耕速度较好地跟随工况中的需求车速。

图10 AK-PET旋耕工况下理想车速与实际车速对比图Fig.10 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under rotary tillage

图11所示为旋耕工况下AK-PET动力电池SOC变化曲线，在完成0.625 hm2地的连续旋耕作业以后，用时3 250 s，动力电池SOC值由初始的95%降低到了81.47%，整个电池工作状态较为平稳。

图11 旋耕工况下AK-PET动力电池SOC变化曲线Fig.11 SOC curve of AK-PET batteries under rotary tillage

图12所示为旋耕工况下AK-PET驱动电机转速与转矩输出曲线，驱动电机转速集中在[1 180，2 468] r/min之间，这个转速基本处于“低速恒转矩”输出阶段，与设计初的期望一致。电机的转矩也在34.07～57.95 N·m之间变化，低于额定转矩60 N·m，均与设计初的期望一致。说明所选型驱动电机能够胜任当前的旋耕工作，不存在过载的情况。

图12 旋耕工况下AK-PET驱动电机转速与扭矩输出曲线Fig.12 Speed and torque output curve of AK-PET motor under rotary tillage

图13所示为旋耕工况下AK-PET驱动电机功率与效率输出曲线，驱动电机输出功率最大值为11.8 kW，平均值为9.63 kW，而驱动电机的额定功率为15 kW，不存在过载现象；效率的平均值为0.859，说明驱动电机的工作状态良好，处于高效区域。

图13 旋耕工况下AK-PET驱动电机功率与效率输出曲线Fig.13 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under rotary tillage

我们前期在Matlab中通过编写M文件的方式，也分析了纯电动拖拉机的作业性能[12-13]。旋耕工况采用6 km/h的等速工况，运输工况采用24 km/h的等速工况。两种仿真环境下得到的主要性能参数对比见表2。

表2 两种仿真环境下拖拉机主要参数对比
Tab.2 Comparison of the main parameters of tractors in two simulation environments

环境指标旋耕工况运输工况作业时间/h最高作业速度/km·h-1平均滑转率最大牵引力/N作业时间/h最高作业速度/km·h-1平均滑转率最大牵引力/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

从表2中看出，两种环境下，得到的主要指标除了滑转率偏差超出了5%以外，其它偏差都在5%以内。主要原因在于用MATLAB分析时，作业工况均采用了等速工况代替，未考虑加减速对电池SOC变化的影响及驱动电机的动态特性输出等原因，造成了MATLAB中预测的指标与CRUISE中的预测指标的差异。而MATLAB中编写的专用分析程序也存在着功能单一，忽略了部分影响因素如温度、动载荷变化、制动系统对车速的影响等问题，与商业化CRUISE软件相比存在着不足之处，但二者结果相互印证，也证明了本文CRUISE软件仿真模型建立的准确性。