我国是农业大国, 随着经济的高速发展和国家各项农机补贴政策的出台, 拖拉机的保有量和使用显著增加。由于拖拉机主要在工作环境较为恶劣的农田作业, 耗油量大且排放性能差, 因此开展新型节能拖拉机迫在眉捷。混合动力驱动系统不仅具备良好的动力性能, 且清洁环保, 对于缓解能源、环境压力, 实现农业的可持续发展具有重要意义^[1]。

目前, 国外对混合动力拖拉机的研究较多, 部分成品已成功面市。2009年汉诺威国际农机展的银奖作品Belarus-3023即为400马力的串联式混合动力无级变速拖拉机; 德国ZF公司也开发了一种串联式混合动力拖拉机的轮边驱动系统^[2-3]。此外, 国内外各大高校也对混合动力拖拉机展开了研究, 韩国大邱加图立大学的Kim等^[4]设计了并联式混合动力拖拉机, 测试了不同工况下输出的机械功率和电功率; 韩国LS集团的Kim等^[5]对并联式混合动力拖拉机在不同工况下输出的驱动力矩及其分配策略进行了研究, 证明混合动力拖拉机的经济性和燃油性均好于传统拖拉机; 西班牙莱昂大学的Gonzalez-de-Soto等^[6]研究结果表明, 柴电混合动力拖拉机的废气排放量比传统拖拉机减少了50%;韩国首尔大学的Lee等^[7]对并联式混合动力拖拉机的功率分配进行了优化分析; 伊朗德黑兰大学的Mousazadeh等^[8]则对太阳能插电式混合动力拖拉机的电池组性能展开了对比分析。国内对混合动力拖拉机的研究相对较少, 南京农业大学的邓晓亭等^[9]设计了一种并联式混合动力拖拉机的传动系统, 与传统拖拉机对比可最高节能24%;河南科技大学的方树平等^[10]、周志立等^[11]和徐立友等^[12]对串、并联混合动力拖拉机均进行过研究, 证明混合动力拖拉机的动力性和经济性优于传统拖拉机。

以上提到的混合动力拖拉机都保留了传统拖拉机的桥式驱动结构和部分传动结构, 如变速箱、差速器等, 驱动系统的机械结构没有较大改变。笔者设计了一种以轮毂电机直接驱动车轮行走的串联式混合动力拖拉机驱动系统, 对驱动部件的参数设计和匹配方法进行探讨, 提出了动力性能评价指标, 并结合实例验证其合理性。

1 驱动系统结构方案

目前, 串联式混合动力车辆的驱动方式主要有驱动电机和变速器总成驱动、后轮独立驱动、四轮独立驱动。其中, 第1种方式通常利用一台电动机通过变速器、差速器、传动轴来驱动左右轮, 保留了拖拉机传统驱动方式中的较多结构, 虽然控制简单, 但是占用拖拉机内部空间较大, 使整机质量较重; 后2种方式常采用多台电动机通过减速器分别驱动左、右轮, 降低了单台电机的功率, 减小了电机的尺寸和质量, 精简了离合器和变速器等, 既可以保证较大的驱动扭矩, 又能更容易实现驱动系统的电子差速和无级变速, 且降低了噪音、减轻了整机质量, 使整体结构紧凑^[13-14]。由于拖拉机常用后轮驱动, 且相对于四轮独立驱动而言, 两轮独立驱动更易于控制, 故本文采用后轮独立驱动方案, 结构如图 1所示。

该驱动系统主要由发动机、发电机、整流器、锂电池组、轮毂电机控制器、轮毂电机、减速器等组成。发动机为第一动力源, 通过发电机和整流器向轮毂电机提供电能; 锂电池组为第二动力源, 直接向轮毂电机提供电能, 可利用发动机发电机组充电或直接从电网充电。

2 驱动系统主要参数的设计

串联式混合动力拖拉机的驱动系统主要由发动机、发电机、锂电池组、轮毂电机、减速器等部件组成, 正确选择各部件的参数并合理匹配, 可提高该驱动系统的动力性^[15]。

2.1 轮毂电机功率

轮毂电机驱动拖拉机行驶, 输出功率由电机提供的牵引力和行驶速度决定。轮毂电机提供的牵引力需满足拖拉机多种工况的行驶要求, 即大于等于拖拉机在行驶过程中所受的最大阻力。

拖拉机的工况主要分为犁耕工况和运输工况。犁耕工况下, 拖拉机所受阻力包括犁耕阻力、滚动阻力、空气阻力和加速阻力; 运输工况下, 拖拉机所受阻力包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力。由于拖拉机的行驶速度较低, 变化范围较小, 故空气阻力和加速阻力忽略不计^[13]。

2.1.1 犁耕工况所需功率

犁耕阻力为克服配套铧式犁产生的牵引阻力, 即:

(1)

式中:F_q0为牵引阻力, N; k为土壤比阻, kPa; Z为犁铧数; b_n为犁体耕作幅宽, cm; h为耕深, cm。

滚动阻力为拖拉机作业过程中由于轮胎变形、路面变形、轮胎与路面摩擦而产生的与滚动方向相反的力^[16]。计算公式为:

(2)

式中:F_f为拖拉机所受滚动阻力, N; f为滚动阻力系数; m_s为拖拉机使用质量, kg; g为重力加速度, m·s^-2。

因此, 犁耕工况下, 拖拉机所需牵引力F_q1应大于犁耕阻力与滚动阻力之和, 即:

(3)

故轮毂电机需提供的功率P₁为:

(4)

式中:v₁为拖拉机在犁耕工况下的行驶速度, km·h^-1。

2.1.2 运输工况所需功率

拖拉机在运输过程中会受到滚动阻力, 计算公式为:

(5)

如遇坡道, 则拖拉机所受滚动阻力由其重力垂直于坡面的分力产生, 计算公式为:

(6)

式中:α为坡度角, rad。

当拖拉机在爬坡过程中, 重力沿坡面的分力阻碍拖拉机爬坡, 产生坡度阻力F_α, 计算公式为:

(7)

因此, 运输工况下, 拖拉机所需牵引力F_q2应大于滚动阻力与坡度阻力之和, 即:

(8)

故轮毂电机需提供的功率P₂为:

(9)

式中:v₂为拖拉机在运输工况下的速度, km·h^-1。

考虑到拖拉机在工作过程中农具和路况会发生变化, 故需预留10%~20%的功率储备^[9], 因此, 轮毂电机需提供的最大功率P_m应为:

(10)

由于该串联式混合动力系统选用后轮驱动, 故需2个轮毂电机, 则:

(11)

式中:P_m0为单个轮毂电机的功率。

2.2 发电机功率

发电机负责将发动机的机械能转换成电能, 经整流变压后直接驱动轮毂电机工作, 是该串联式驱动系统的电能来源之一; 同时, 当锂电池的荷电状态(state of charge, SOC)降低到某一值后, 也需利用发电机对其充电; 此外, 发电机还需供拖拉机内的电子器件工作, 需额外增加10%~20%的储备功率。

由于发电机产生的交流电在整流成直流电时, 会产生一定的损耗, 因此, 发电机需提供的功率P_g为:

(12)

式中:η_m为轮毂电机的工作效率; η_g为整流器的工作效率。

2.3 发动机功率

发动机是该串联式驱动系统的主要供能设备, 为了保证整个系统的供电正常, 需始终与发电机同步转动。考虑到发动机的机械能在转化成电能时会有损耗, 故发动机需提供的功率P_e为:

(13)

式中:η_e为发电效率。

2.4 锂电池组功率

锂电池组是该串联式驱动系统的另一重要动力源, 可直接驱动轮毂电机工作, 其参数决定了轮毂电机单独工作时提供的最大动力。当拖拉机处于运输或轻载工况时, 锂电池组应满足其最大功率需求, 即锂电池组的最大放电功率P_b为:

(14)

2.5 减速器速比

减速器的功能是减速增矩, 应用在轮毂电机之后, 可使轮毂电机的转速下降至适合拖拉机犁耕和运输的速度范围内, 同时提供拖拉机工作所需的大扭矩。减速器采用双排行星轮系设计, 与传统圆柱齿轮传动相比, 具有结构紧凑、体积小、质量轻和传动比大的优点^[17]。

减速器的传动比由轮毂电机的额定转速和拖拉机的工作速度确定, 计算公式为:

(15)

式中:n为轮毂电机的额定转速, r·min^-1; r为轮胎半径, m; v为拖拉机的工作速度, km·h^-1。

3 动力性能评价指标

拖拉机的动力性能包括犁耕工况下牵引和驱动配套铧式犁的能力, 以及运输工况下的爬坡和载质量能力, 二者是决定拖拉机作业生产率的重要条件^[18-19]。评价指标包括犁耕工况下的牵引力、牵引效率, 以及运输工况下的爬坡度、最大载质量。

3.1 犁耕工况 3.1.1 牵引力

串联式混合动力拖拉机的牵引力由轮毂电机提供, 轮毂电机通过减速器驱动拖拉机的后轮转动, 后轮与地面接触时产生的与行驶方向相同的力即为拖拉机的牵引力F_q, 其计算公式为:

(16)

式中:M_q为后轮所受扭矩, N·m; r_q为驱动轮半径, m; M_m为电机输出扭矩, N·m; η_c为轮毂电机到驱动轮的传动效率; i为减速比。

3.1.2 牵引效率

当拖拉机处于纯电动驱动模式时, 牵引效率η_q是牵引功率P_q与锂电池组放电功率P_b的比值, 计算公式为^[16]:

(17)

当拖拉机处于混合动力驱动模式时, 牵引效率η_q是牵引功率P_q与发动机输出功率P_e的比值, 计算公式为^[20]:

(18)

3.2 运输工况 3.2.1 爬坡度

当拖拉机处于犁耕工况时, 坡度忽略不计; 当拖拉机处于运输工况时, 根据式(8) 可以得出坡度角的计算公式:

(19)

则拖拉机的爬坡度i为:

(20)

3.2.2 最大载质量

当拖拉机在一定坡度角的田间道路运输时, 根据式(8) 可得出拖拉机可承载的最大质量m₀为:

(21)

4 试验与分析

混合动力拖拉机驱动系统的试验可分为实车试验和台架模拟试验^[21], 由于实验室条件有限, 故采用台架模拟试验。

4.1 参数设计与匹配结果

在本试验中, 当拖拉机处于犁耕工况时, 土壤设定为留茬地, 土壤比阻为50 kPa, 允许滑转率为20%, 附着系数为0.60~0.65, 滚动阻力系数为0.08~0.10, 犁具选择常用的三铧犁, 单个犁宽为25 cm, 耕深为15 cm, 工作速度为5~8 km·h^-1, 质量240 kg; 当拖拉机处于运输工况时, 田间道路的滚动阻力系数为0.04~0.05, 路面坡度不超过12%, 田间运输速度5~12 km·h^-1; 拖拉机的结构质量设定为1 950 kg, 驱动轮规格为12.4-28型号。

应用上述理论和公式对驱动系统进行设计匹配, 可得各驱动部件的参数如表 1所示。

4.2 台架组成

试验台由机械系统、电控系统构成。机械系统包括:发动机、发电机、整流器、轮毂电机、减速器、磁粉制动器。电控系统包括:锂电池组及其管理系统(BMS)、扭矩传感器、电流传感器、电压传感器、NI信号采集卡和上位机。

磁粉制动器用于模拟拖拉机在工作中受到的阻力, BMS可采集电池的SOC, 上位机与采集卡、传感器联合使用可采集驱动系统在不同时刻的多项数据, 如发动机输出端的扭矩和转速、发电机输出的交流电压和电流、轮毂电机输出端的扭矩和转速、轮毂电机输入端的直流电压和电流、电池输出端的电压和电流等。

4.3 试验与结果分析

串联式混合动力拖拉机的动力源有2个, 发动机发电机组和锂电池组。当拖拉机所受载荷较小且电池电量充足时, 使用锂电池组直接驱动轮毂电机, 即纯电动驱动模式; 当拖拉机所受载荷较大且电池电量不充足时, 使用发动机发电机组驱动轮毂电机, 即混合动力驱动模式。

根据式(3) 计算可知, 本文设计的串联式混合动力拖拉机驱动系统需至少提供牵引力7 342 N。

4.3.1 纯电动驱动模式下的牵引试验

调节2个轮毂电机的转速电压, 使之同时在最高速运转; 之后调节2个磁粉制动器的励磁电流, 先逐渐加载, 后匀速卸载, 保证试验过程中2个电机输出的力矩相同。根据试验采集的数据, 可计算出该驱动系统可提供的牵引力、输出功率、牵引效率、爬坡度以及不同坡度下的最大载质量。

由图 2可知, 在纯电动驱动模式下, 满足犁耕所需牵引力的车速范围是6.6~7.5 km·h^-1, 当车速为6.6 km·h^-1时, 驱动轮提供的牵引力最大, 约为8 775.1 N; 当车速大于7.5 km·h^-1时, 可满足较小耕深的犁耕作业。由图 3可知, 系统的牵引效率随输出功率的增加而增加, 当输出功率逐渐增大至额定功率时, 牵引效率趋为恒定, 约0.85。

由图 4、5可知, 在纯电动驱动模式下, 拖拉机可达到的最大爬坡度为40.2%, 此时对应的车速为6.64 km·h^-1; 令拖拉机在不同的坡度下工作, 则拖拉机的最大载质量与坡度大小成反比, 当坡度为零时最大载质量为9 088.2 kg, 坡度为4%的最大载质量为5 408.8 kg, 坡度为8%的最大载质量为3 569.1 kg, 坡度为12%的最大载质量为2 465.3 kg。

4.3.2 混合驱动模式下的牵引试验

启动发动机, 待发电机正常发电后启动2个轮毂电机, 并使之同时在最高速运转; 之后调节磁粉制动器的励磁电流, 匀速增加阻力矩, 待电机转速下降至额定转速附近时停止加载, 匀速卸载。通过该试验测得的数据可计算出驱动系统的牵引力、输出功率、牵引效率、爬坡度以及不同坡度下的最大载质量。

由图 6、7可知, 在混合动力驱动模式下, 满足犁耕所需牵引力的车速范围是7.17~7.70 km·h^-1, 当车速为7.17 km·h^-1时驱动轮提供的牵引力最大, 约为8 115.2 N; 当车速大于7.70 km·h^-1时, 可进行较小耕深的犁耕作业。系统的牵引效率与输出功率的变化基本一致, 浮动范围为0.60~0.85, 当输出功率达到额定功率时, 牵引效率约0.85。

由图 8、9可知, 在混合动力驱动模式下, 拖拉机可达到的最大爬坡度为37.3%, 此时对应的车速为7.18 km·h^-1; 令拖拉机在不同的坡度下运输, 则拖拉机的最大载质量随坡度的增加而逐渐减小, 其中路面无坡度时拖拉机的载质量最大, 为8 516.0 kg, 路面坡度为4%、8%、12%时拖拉机的最大载质量依次递减, 分别为5 027.4、3 283.1、2 236.4 kg。

综上所述, 在纯电动和混合动力驱动模式下, 拖拉机的动力性能均可满足配套犁耕机的作业要求和田间道路的运输要求。由于纯电动驱动模式的传动结构简单, 功率损失较小, 因此牵引效率较高, 在同样的输入功率下可输出更大的牵引力, 完成更大坡度和载质量的运输作业; 但是由于电池电量有限, 不能持续使用纯电动驱动模式, 因此需根据拖拉机的作业负荷和电池的剩余电量, 对拖拉机的驱动模式进行及时切换。

5 结论

1) 设计了一种串联式混合动力拖拉机的驱动系统方案, 给出了该驱动系统中各驱动部件主要参数的设计和匹配方法。

2) 提出了串联式混合动力拖拉机的动力性能评价方法, 其中犁耕工况以牵引力、牵引效率为评价指标, 运输工况以爬坡度、最大载质量为评价指标, 并以研制中的某串联式混合动力拖拉机为例, 搭建了试验台进行了牵引试验。

3) 分析该串联式混合动力拖拉机的作业特性可知, 当拖拉机处于纯电动驱动模式时, 系统提供的最大牵引力可达8 775.1 N, 牵引效率为0.82~0.86, 最大爬坡度可达40.2%, 在坡度为0、4%、8%、12%的路面行驶可承受的最大载质量分别为9 088.2、5 408.8、3 569.1、2 465.3 kg; 当拖拉机处于混合动力驱动模式时, 系统提供的最大牵引力可达8 115.2 N, 牵引效率为0.60~0.85;最大爬坡度可达37.3%, 在坡度为0、4%、8%、12%的路面行驶可承受的最大载质量分别为8 516.0、5 027.4、3 283.1、2 236.4 kg。