新型电动四轮农用车牵引性能研究*

于斌，白锦洋，张军伟，左霞，王国业

(1. 北京航天发射技术研究所，北京市，100076； 2. 中国农业大学工学院，北京市，100083)

0 引言

针对温室大棚等设施农业、观光休闲农业等绿色环保的新型农业生产方式的快速发展需要，结合当前电动车辆技术发展水平，发展电动四轮农用车辆是合理和可行的选择，符合未来农业机械电动化发展趋势[1]。近几年，针对电动农用车，相关学者进行了大量研究。王元杰等[2-3]针对温室环境设计了一种履带式遥控电动拖拉机，并对整机的各项性能进行了分析和试验验证。日本井关农机株式会社与爱媛大学对改装的电动拖拉机进行研究，试验表明电动拖拉机的能耗和碳排放量较传统燃油拖拉机大幅度降低[4]。高辉松等[5-6]对电动拖拉机的研究表明电动拖拉机具有良好的驱动性能和经济性能。Bodria等[7]对3 kW交流电机和2 kW直流电机驱动的两种电动拖拉机进行了整地试验，试验表明电动拖拉机与传统燃油拖拉性能相近。谢斌等[8]对双轮驱动电动拖拉机的传动性能进行了研究，结果表明样机满足田间作业要求。

通过对已有研究成果分析，可知：(1)多数研究基于现有燃油拖拉机结构进行改造设计，并未结合电动机特点、特殊作业环境进行专业设计；(2)相关研究仅考虑电动农用车的动力性等可行性(功能性)分析，忽略了经济性指标对电动农用车辆实用性的重要意义；(3)相关试验研究多基于试验台或定性田间试验来研究农用车辆性能，缺少必要的实车牵引性能试验。相关研究也表明，电动车辆仍然存在续航里程短、作业时间有限、充电速度慢等问题。而农用车辆具有作业范围小、整备质量大、便于充电等特点，部分弥补了电动车辆的不足，从而，发挥电动化优势，避免其劣势。综上所述，基于电动化特点提出一种新型电动四轮农用车动力系统方案，并进行了实车试制、牵引特性研究。

1 整机和动力系统设计方案

1.1 整机方案

目前电动拖拉机多是基于传统燃油拖拉机进行的改装设计[8-9]，存在效率低、空间大、转弯半径大、地隙不易调节等不足，难以满足温室大棚等设施农业、观光休闲农业生产的需要。因此，针对多种工况及考虑温室大棚环境等因素设计了一种充分发挥电动化优势的新型电动四轮农用车如图1所示。

图1 电动四轮农用车简图Fig. 1 Schematic diagram of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive1.车架 2.转向系统 3.前驱动桥 4.后驱动桥 5.座椅 6.电控系统 7.制动系统 8.动力电池

该农用车主要由车架、转向系统、前驱动桥、后驱动桥、电控系统、制动系统、动力电池等组成。其中，前桥由两轮毂电机、高度可调悬架[10]和大角度转向机构[11]组成，后桥由中央电机、多档变速箱及高度可调悬架组成。该结构方案充分利用了电动化优势，简化了四驱传动系统，方便实现前驱、后驱和四轮驱动三种驱动方式。

1.2 动力系统方案

电动车辆动力系统形式主要有基于中央电机和差速器的两轮、四轮差速驱动，基于轮边电机的两轮、四轮独立驱动等[8]，基于中央电机的差速驱动可实现变速和差速功能[12]，具有良好的动力性、经济性；基于轮边电机的独立驱动具有结构简单、效率高、便于控制等优点[13-14]。

依据电动车辆的特点和农用车的性能需求，融合中央电机驱动和轮边电机驱动的优点，提出了一种新型组合式电动四轮驱动形式，如图2所示。后轮采用中央电机与多档变速箱结合的差速驱动方式，变速箱共设有3个挡位；前轮采用独立轮毂电机直驱方式，可方便实现变速后驱、前轮直驱和四轮驱动三种驱动方式。

图2 组合四轮驱动动力系统方案Fig. 2 Scheme of combined four-wheel drive power system

新型组合式电动四轮驱动通过不同驱动方式的组合可满足农用车辆不同作业工况的需要。(1)在正常田间作业工况，仅采用后轮驱动，具有减速、变速功能，可获得较高牵引功率和牵引效率；(2)当遇到较大阻力时，采用四轮驱动，可提高牵引力，摆脱困境，提高了通过性；当需要大角度转向实现原地转向时，也可采用四轮驱动，尤其前轮驱动，克服较大的转向阻力矩，顺利实现转向，提高了机动性；(3)当在良好路面行驶时，仅采用前轮高效直接驱动，达到较高运输车速。因此，采用新型组合式四轮驱动形式大大提高了农用车辆动力性、经济性、通过性和机动性，充分满足不同作业工况下的作业需要。此外，也为实现实时四驱、作业机组动态匹配等智能控制提供了基础。

1.3 整机主要技术参数

为满足电动农用车的功能，对电动农用车的综合性能参数进行设计，如表1所示。

表1 电动四轮农用车主要参数Tab. 1 Main parameters of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

2 牵引作业动力学分析

牵引作业是农用车主要作业方式，牵引性能是其主要动力性能[15]。牵引性能为车辆纵向动力学性能，可简化为两轮模型[16]。简化得到电动四轮农用车动力学模型如图3所示，动力学方程[17-18]

G=2Z1+2Z2

(1)

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

(2)

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

(3)

式中：G——整车重量，N；

Z1——地面对单个前驱动轮垂直方向反力，N；

Z2——地面对单个后驱动轮垂直方向反力，N；

FT——牵引力，N；

Ff1——前轮单轮滚动阻力，N；

Ff2——后轮单轮滚动阻力，N；

Fq1——单个前轮驱动力，N；

Fq2——单个后轮驱动力，N；

H——后牵引点距离地面高度，m；

a——重心在水平方向上到后轴的距离，m；

b——重心在水平方向上到前轴的距离，m；

a1——前驱动轮的滚动阻力系数；

a2——后驱动轮的滚动阻力系数。

驱动力和滚动阻力满足

Fq1=Z1φ1

(4)

Fq2=Z2φ2

(5)

Ff1=Z1a1/rq1=Z1fq1

(6)

Ff2=Z2a2/rq2=Z2fq2

(7)

式中：φ1——前驱动轮对地面附着系数；

φ2——后驱动轮对地面附着系数；

rq1——前驱动轮动力半径，m；

rq2——后驱动轮动力半径，m；

fq1——前驱动轮滚动阻力系数；

fq2——后驱动轮滚动阻力系数。

电动农用车的牵引功率

Pq=FTv

(8)

式中：Pq——电动农用车的牵引功率，W；

v——整车行驶速度，m/s。

电动农用车的输入功率按电机输入功率计算

Pi=UI

(9)

式中：Pi——电动农用车的输入功率，W；

U——电动农用车输入电压，V；

I——电动农用车输入电流，A。

图3 电动四轮农用车受力分析图Fig. 3 Force analysis diagram of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

为全面评价电动农用车的牵引工作效率，采用电机输入功率Pi作为牵引输入功率，在水平地面作业时发挥的牵引功率Pq作为输出功率，整机牵引效率见式(10)，该牵引效率包含了电机效率，因此本文以下按此式测算牵引效率，区别于通常内燃机车辆牵引效率[19]。

ηT=Pq/Pi×100%

(10)

前后驱动轮滑转率

δ1=(v1-v)/v1×100%

(11)

δ2=(v2-v)/v2×100%

(12)

式中：δ1——前驱动轮滑转率；

δ2——后驱动轮滑转率；

v1——根据前轮转速计算得到的车速，m/s；

v2——根据后轮转速计算得到的车速，m/s。

3 牵引性能试验

电动农用车牵引性能试验系统，如图4所示。试验地点为柏油路，试验道路平坦，天气晴朗，无风。试验负荷车采用ISEKI TS1910型号拖拉机，被试车辆为自主设计电动四轮农用车，技术参数见表1。被试车辆搭载了自行开发的实时数据采集系统，传感器安装和采集信号如图4所示。

图4 电动四轮农用车牵引性能试验系统Fig. 4 Traction performance test system of the agricultural vehicle with electric four-wheel drive

车辆作业时主要采用后轮驱动和四轮驱动两种驱动方式，因此牵引试验分后轮驱动1、2、3挡和四轮驱动1、2、3挡共6组，每组重复进行3次。对试验结果进行数据处理分析，如表2所示。

由表2后轮驱动牵引试验结果可知：(1)后轮驱动1、2、3挡随车速增加牵引力下降，符合车辆动力性规律。1挡时发挥整车最大牵引力1 925 N，3挡时整车最高车速约为10 km/h；随着牵引力增大，滑转率随之增加，1挡最大牵引功率点，滑转率约为16%，2挡最大牵引功率点，滑转率约为11%，3挡最大牵引功率点，滑转率约为5%。(2)1、2挡滑转率较大，因此牵引效率有所降低，最高效率点出现在3档，约为74%，该效率包含电机效率。(3)3挡最大牵引功率点和最高牵引效率点基本一致，因此匹配此类动力需求的作业机具作业时可充分发挥本机动力性、经济性。

表2 后驱及四驱各挡牵引特性Tab. 2 Traction characteristics of rear-wheel drive and four-wheel drive

由表2四轮驱动牵引试验结果可知：(1)各挡车速和牵引力变化规律与后驱基本一致。1挡时发挥整车最大牵引力2 120 N，3挡时整车最高车速约为9.5 km/h。1挡最大牵引功率点，前轴滑转率约为17%，2挡最大牵引功率点，前轴滑转率约为12%，3挡最大牵引功率点，前轴滑转率约为9%。(2)各挡牵引效率和牵引功率较后驱有所降低。通过滑转率比较可知，各挡滑转率较后驱有所增大，四驱前轮滑转率高于后轮滑转率，且整机负荷率较低，因此整车综合牵引效率和牵引功率有所下降。为便于大角度转向本车前轮采用轮毂电机直接驱动，轮速较高是导致前轮滑转率较高的主要因素。因此在正常作业工况下选择后驱较四驱更为合理。(3)四驱1挡时，发挥整车最大牵引力，因此，当机组作业，出现较大阻力时，可采用四驱1挡提高牵引力，使车辆摆脱临时困境。

对比四轮驱动和两轮驱动牵引特性可知，在整机配置及工况相同情况下，正常作业时，采用后轮驱动匹配对应动力需求的作业机具作业时，具有良好动力性、经济性；当遇到较大阻力，后轮出现严重滑转时，采用四轮驱动能够发挥最大牵引力，使车辆摆脱临时困境，提高了通过性；因此综合利用几种驱动方式，可适应不同的作业工况。

根据电机额定功率点和最大牵引效率点主要性能参数，对后驱1、2、3挡电机负荷特性和整机牵引性能的关系进行比较，见表3。在电机额定功率点，电机效率较高，后驱3挡牵引效率最高，在最大牵引效率点，后驱3挡电机负荷率最大，因此进一步说明后驱3挡匹配对应动力需求的作业机具可获得良好性能。

表3 后驱各挡电机额定功率点和最大牵引效率点主要性能参数Tab. 3 Main performance parameters of rated power and maximum traction efficiency of rear wheel drive

4 经济性分析

采用单位耕作面积能量消耗和成本作为指标评价电动四轮农用车的经济性，以每公顷农田作业需要的有用功Q计算。

1) 电动四轮农用车使用成本估算。电动四轮农用车牵引作业能量利用效率

(13)

式中：Q——每公顷农田作业所需有用功，kW·h；

QM——每公顷农田作业所需电量，kW·h；

ηc——电池充电效率，锂电池约为0.911 9[20]；

ηb——电池放电效率，在1C倍率放电下值为0.982 9[21]；

ηT——电动四轮农用车牵引效率，试验测得最大牵引效率为0.74。

每公顷农田牵引作业的用电总费用

YM=QMXM

(14)

式中：XM——某地区用电单价，元/(kW·h)。

2) 电池成本估算。为估计电池成本，忽略电池的损耗。

(15)

(16)

式中：YB——农田作业的电池成本，元/hm2；

YZ——电池组购买总费用，元；

N——电池总充放电次数；

T——每次充满电后农田作业总时间，h；

B——农田作业幅宽，m；

vm——本机最大牵引效率时作业速度，5.54 km/h；

Ue——电池额定电压，V；

Cn——电池额定容量，Ah；

Pim——最大牵引效率时输入功率，kW。

因此，每公顷农田作业时电动农用车的总费用

(17)

3) 传统燃油拖拉机使用成本计算。传统燃油拖拉机牵引作业能量利用效率

(18)

式中：QE——作业需要的燃料总量，(kW·h)/hm2；

每公顷农田牵引作业的总费用

(19)

式中：be——有效燃油消耗率[22]，g/(kW·h)；

ρ——柴油密度，其值为0.84 g/mL；

XE——某地区柴油机单价，元/L。

以中耕作业计算每公顷需要的有用功Q，中耕作业幅宽B的确定[23]

(20)

式中：η——利用系数，取为0.85～0.95；

FT——最大牵引效率对应牵引力，1 050 N；

P′——中耕比阻，N/m，用窄松土铲进行深松土时最大比阻为480 N/m[23]。

每公顷中耕作业需要的有用功

(21)

(22)

式中：t——中耕作业需要的时间，h/hm2。

由式(21)、式(22)得

(23)

由此，得到电动四轮农用车与传统燃油拖拉机的对比参数表，如表4所示。

表4 电动四轮农用车与传统燃油拖拉机参数表Tab. 4 Parameter list of the electric agricultural vehicle and traditional tractor

通过电动四轮农用车与传统燃油拖拉机的经济性对比分析，可知，中耕作业时，电动四轮农用车单位面积能量消耗降至传统燃油拖拉机能量消耗的42.4%，单位面积成本费用降至传统燃油拖拉机的80.1%。据统计，近几年锂电池价格以每四年24%的趋势下降，而0号柴油价格以每年8%的趋势上升[25]，因此，电动四轮农用车较传统燃油拖拉机在能量利用效率和使用费用方面都有较大优势，并逐年扩大。所设计电动四轮农用车主要应用在温室大棚等设施农业中，因此，可采用插电方式，使费用进一步降低，而燃油车辆还会有加油往返消耗，因此，电动农用车更具综合经济性优势。同时电动车辆的零排放也避免了温室尾气污染。

5 结论

综上所述，通过对电动四轮农用车整机和动力系统方案设计、牵引性能及经济性研究，得出以下结论。

1) 设计的新型电动四轮农用车，后驱3挡时牵引效率和电机负荷率最高，通过匹配对应动力需求的作业机具可获得良好的牵引性能和经济性；四驱1挡时能够发挥最大牵引力。

2) 根据电动农用车需求，提出的前轮独立轮毂电机驱动、后轮中央电机差速驱动的动力系统方案，通过综合利用后驱、四驱、前驱多种驱动方式，并与对应动力需求的作业机具匹配，可在不同作业工况下获得良好动力性、经济性、通过性和机动性。

3) 中耕作业工况下电动四轮农用车单位面积能量消耗降至传统燃油拖拉机能量消耗的42.4%，单位面积成本费用降至传统燃油拖拉机的80.1%。同时，电动农用车具有用电方式灵活，温室内零排放等优点。因此，电动四轮农用车相比传统燃油拖拉机具有良好的动力性、经济性、节能环保等优势。随着技术的成熟和成本的进一步降低，农用车辆电动化将成为必然趋势。