一种增程式果园管理车辆的设计与分析

李世冲，张 弛，彭立强，宋久欣，张一波

（河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018）

目前，我国水果种植大多集中在丘陵山地和大棚中，这类地区地貌类型多，地面崎岖不平，而且空间狭窄，无法满足大型农机进入果园辅助工作的条件，生产效率和能源利用率很低。近年来，随着社会的发展，经济水平的提高，山地和大棚果树的种植规模越来越大。像河北省和河南省等省份，土地平阔，果园多位于平川地区，或大棚种植，园内果树株行距近，大型机械不能灵活转位[1]。贵州省、云南省等省份果园多位于山地、丘陵地区、受地形不平整、地块面积小限制，传统大型机械作业效率低，急需小型的并且续航时间足够的管理机械。在中国制造2025 的背景及国家提出促进农业机械现代化的热潮下，研发一款增程式果园车辆符合农业发展的趋势和中国“双碳政策”的实施。

本设计方案主要对增程式果园管理车辆的工作原理进行设计分析，对整体结构进行了三维建模。在对种植地区的实地考察的基础上，通过相关计算，对电动机、增程器、电池等进行选型，确定电动机、增程器的功率，基于Matlab/Simulink 对动力系统进行虚拟建模和仿真，以期让该方案设计具有更好的燃油经济性和低排放性。

1 动力系统的选型计算

图1为传统燃油果园车辆驱动系统结构方案。该系统由燃油机（通常为汽油机和柴油机）作为动力源提供动力到变速箱变速箱，变速箱将动力分配给行走机构和工作装置[2]。

图1 传统燃油车辆Fig.1 Conventional fuel vehicles

现有的果园管理车辆有一大部分是传统燃油驱动方式，工作环境大都是在负荷工况下和低速状态下，燃油经济性非常差，对环境造成很大污染。虽然纯电动汽车目前在国内新能源汽车占据了主流地位，但由于受电池的能量密度、充电速率、电池安全性、电池制造成本、电池体积和质量等技术难题均没有太大的突破，尤其是在农业中这种需要高负荷，长周期的工作状态中，纯电动车尚不能满足农业生产要求[3]。

1.1 增程式系统方案

增程式电动车辆，即串联混合动力汽车，该种车辆主要由驱动电机传输动力。经变速箱到达行走机构驱使车辆行进。其中蓄电池（动力电池）作为车辆的主要动力单元，增程器作为辅助动力单元[4]。图中发动机和发电机就是组成增程器的主要器件，增程器中的原动机有很多种类型，包括传统内燃机-发电机型、燃料电池型、微型燃气轮机型等。而本课题选用的增程器为传统内燃机-发电机型，此种类型的增程器继承和结合了传统内燃机的成熟技术，不论是在混合气体的形成、内燃机的特性、燃烧的效率都是有很大优势，因此得到了广泛的关注。

由于电池的能量存储有限，充电时间相比较加注燃料来说慢了，这一直是限制全球电动汽车发展的重要因素之一。考虑到柴油机在冬季不利于点火的问题，在这里选择内燃机为汽油机的增程器类型[5]。

综上所述，经过实地考察确定果园管理车辆工作时的平均功率大约在6 kW。

该增程器具有噪音低、体积小、安置方便、节油性能更好等优点，具体参数见表1。

表1 增程器参数Tab.1 Range extender parameters

1.2 驱动电机选型与计算

除了增程器的选择，驱动电机的选择也是重中之重，要充分考虑工作环境、工作状态、工作时间的不同，选择性能最匹配的驱动电机才能使得车辆发挥更好的性能。

1.2.1 驱动电机功率的确定

根据设计要求和实地考察为整车选取的设计参数见表2。

表2 整车参数表Tab.2 Vehicle parameters

电动机的运行功率越大，其动力性就越好，但是对变速箱的设计要求和制作更高，电动机的外形和重量也会变大。所以要根据田间车辆的最大爬坡角度、最大行驶阻力、最大行驶速度以及最大加速度进行参数设计[6]。

式中：ηT——传动效率；ua——最高车速，km；f——滚动阻力系数；CD——迎风阻力系数；A——迎风面积，m2；G——整车重力，N。

教学方式，从本质上说，并不仅仅是一个方法手段问题，它是教学理念的实际贯彻，是教学原则的具体落实[7]。游泳项目的学习，“会”和“不会”间存在较为明显的区分，这更能够激发学生的学习动机和兴趣，加之游泳项目对参与者个体带来了独特的身心体验和感受，使得游泳教学呈现出别具一格的教学特色，教师也面临多样化的教学方式选择，如“浮沉呼吸法”、“表象训练法”、“目标分解法”、“举一反三法”、“平行连贯法”、“目标分解法”、“自主合作法”等等。教学有法，但无定法，多元化的游泳项目教学方式，旨在激发学生的学习主动性和积极性，提高游泳课堂教学效果，具体运用，还需教师在教学实践中有效遴选并综合运用。

根据最大爬坡角度，确定电动机功率：

式中：ui——车辆行驶速度，km/h；i——坡度，°。

根据最高加速度，确定电动机功率：

式中：δ——车辆行驶旋转质量的换算系数，取1.02。

所以，电动机的峰值功率：

电动机的额定功率：

通过车辆对性能的需要，将设定好的性能指标代到上述公式可以获得相应的性能参数。根据车辆工作要求，最高行驶速度设为Vmax=30 km/h ，代入式（1）中，可以得到结果Pv=1.75 kW；爬坡车速10 km/h，爬坡度27°；代入式（2）中，可以得到结果Pi=7.4 kW；根据车辆最大加速度，车辆0～30 km/h需要7 s；代入式（3）中，可以得到结果Pa=51.721 kW；将以上数据代入式（4）中，得到峰值功率Pmax=57 kW；将峰值功率代入式5中，可以得到额定功率Pe=28 kW。

综上所述的动力性参数，可以得到驱动电机动机峰值功率为57 kW。同时驱动电机额定电压决定了电动机的参数。通过上文确定的额定功率值，可以初步估计电动机的额定电压50～80 V。

1.2.2 驱动电机类型的选择

常见的电动机类型有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等，这些电机根据各自不同的特点应用在不同的场所和工况下，其性能参数对比见表3。

表3 电机性能对照表Tab.3 Comparison table of motor performance

通过分析，本设计采用的开关磁阻电动机，其参数如表4所示。

表4 电动机参数表Tab.4 Motor parameter table

1.3 电池种类的选择

常见蓄电池性能比较见表5[7-9]。

表5 常见蓄电池的性能比较Tab.5 Performance comparison of common batteries

通常蓄电池的能量储存决定了车辆工作续航能力，但是随着储存能量的增多，电池组的体积和重量也会增多，这样就对汽车性能产生了影响，所以需要设计合适的蓄电池参数和重量。结合上述数据及各个电池的特点，本方案中采用锂电池作为增程式果园管理车的能量来源之一。

1.4 蓄电池参数的确定

本文增程式多功能果园管理车按照纯电模式下，以工作速度3.6 km/h，工作装置功率3.8 kW，工作5 h，SOC 的最高值为90%，最低阈值30%，使用量60%。电池参数计算如下。

将锂电池单体电压设定为3.2 V，选取100 个单体进行串联。锂电池容量为：20.46 kW·h÷320 V=64 Ah，锂电池容量确定为65 Ah。

综上所述，可确定电池参数见表6。

表6 电池参数表Tab.6 Battery parameter table

2 车辆总体方案设计

增程式果园车辆由车架、变速箱、驱动电机、蓄电池、汽油机、发电机、轮胎等组成。体积小，质量轻，发电机功率大，拥有良好的对外输出能力。在车辆尾部采用通用的三点悬挂装置，可以实现工作装置的模块化应用，可以加装多种作业工具，从而实现了一机多用。本设计用CATIA 三维软件对车辆进行了建模[10]。

2.1 车架的设计

车架是车辆的主体框架，几乎所有的汽车零件都要安放在车架。在本设计中，变速箱、增程器、驱动电机、蓄电池、前悬挂都要和车架相连，车架的结构必须满足各个部件的安装。车架的结构设计是一个车辆的关键部分见图3。

图3 车架上板Fig.3 Upper plate of frame

此车架采用15MnVN 材料。15MnVN 有较好的抗拉强度，屈服极限比较大，尤其是在山地果园这种崎岖不平的路面上，可以适应在工作时来自路面的颠簸。

2.2 转向机构的设计

该设计方案，选择步进电机为转向动力源，步进电机控制器选用支持WiFi 连接的微控制器。蓝牙无线手柄上遥感电位器的摆动角度作为发生信号，通过无线接收转换成脉冲数，输入到步进电机产生角位移，步进电机输出轴直接与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆相连，减速之后经过转向横拉杆作用在转向臂使得车轮转动[11]。转向控制装置见图4。

图4 转向控制装置Fig.4 Steering control device

2.3 总体三维装配

见图5 为车辆的整体装配设计，该车辆的尾部采用三点悬挂装置，可以与旋耕装置、施肥装置、除草装置、开沟装置等多种工作装置相连接，三点悬挂装置被广泛的应用在农业机械车辆中[12]。在车架的上方安装了增程器、发电机、蓄电池、驱动电机和变速箱等装置，燃油机带动发电机给蓄电池供电，蓄电池连接驱动电机通过变速箱中的减速机构将动力分别传递到后轮和旋耕装置上，以此驱动车辆行走工作[13]。

图5 整车装配设计Fig.5 Vehicle assembly design

增程器、电池、驱动电机是该车辆的核心动力部件，它们之间的运转需要根据不同工况来确定，动力系统之间控制策略的好坏对车辆的功率输出、油耗、排放性能都起着决定性作用[14]。

3 结语

本文根据果园管理车辆的设计要求，并且对转向系统加以改造，对增程器、发电机、驱动电机、蓄电池等进行了计算和选型，最后在三维软件CATIA 中建立了车辆的模型，进行装配。此方案设计可以实现增程式动力的传输，可以实现耕地等果园作业，在纯电动工况中，增程器停止运转，噪音分贝极大降低。并且可以在增程器运转发电过程中，增程器可以维持在一个节能的运转工况中，极大地提高了能源转换效率，为果园农业机械的发展提供了一种可参考的设计方案。