純電動拖拉機與傳統燃油拖拉機性能對比分析

方樹平，王寧寧，徐立友，易克傳

(1.安徽科技學院，安徽 鳳陽 233100；2.河南科技大學，河南 洛陽 471003；3.中國一拖集團有限公司，河南 洛陽 471004)

純電動拖拉機與傳統燃油拖拉機性能對比分析

方樹平1，王寧寧1，徐立友2,3，易克傳1

(1.安徽科技學院，安徽 鳳陽 233100；2.河南科技大學，河南 洛陽 471003；3.中國一拖集團有限公司，河南 洛陽 471004)

針對傳統燃油拖拉機排放差、變速箱擋位多及底盤布置柔性化差等問題，基于某型傳統燃油拖拉機提出了一種純電動拖拉機動力系統驅動方案。分別在CI=700的麥茬地、CI=900的麥茬地、柏油路和土路4種典型作業路面，充分考慮滑轉率、牽引效率的影響，借助MatLab軟件預測了兩種拖拉機作業性能。結果表明：新設計的純電動拖拉機作業速度曲線、牽引功率曲線基本能夠覆蓋傳統燃油拖拉機，作業性能更優。這說明，所設計的純電動拖拉機傳遞方案可行，且結構簡單、擋位少、底盤布置柔性化，具備傳統燃油拖拉機的作業能力。

純電動拖拉機；動力系統；作業性能

0 引言

目前我國的拖拉機技術發展水平不高，處于國外20世紀70-80年代的水平[1]，電子控制技術剛剛得到應用[2]。拖拉機排放性不佳[3]，隨著拖拉機專業化增強、智能化程度增高，變速器將采用增加擋位、動力換擋技術及無極變速技術來適應各種復雜工況[4-5]，因此拖拉機的成本將大幅提高，可靠性也帶來挑戰。“十三五”規劃中，我國明確提出了“牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，走環境友好的農業現代化道路”[6-8]。

隨著環境污染問題和石油短缺問題的嚴峻化，電驅動系統以其環保、傳輸功率損失小、調速范圍寬、易實現智能化的優點，被國內外不少企業、高校和科研院所研究。

文獻[9-10]對分別對功率為5kW和8kW的純電動拖拉機進行了研究，并分析了牽引性能，但均是在原車基礎上改型，底盤布置上并未重新布置設計。文獻[11-12]研究了串聯式混合動力拖拉機驅動系統及其能量管理策略；文獻[13-17]對并聯式混合動力拖拉機進行了研究，由于混合動力拖拉機傳動系統復雜、底盤布置不方便、控制系統復雜且控制難度大，使得對混合動力拖拉機的研究還停留在理論層面。本文對15kW純電動拖拉機展開研究，根據牽引電動機外特性重新進行底盤布置設計，并分析其牽引性能，擬通過與原同馬力拖拉機進行性能對比分析，來評價兩種拖拉機的性能優劣，為純電動拖拉機的開發提供理論依據。

1 純電動拖拉機驅動系統結構方案

純電動拖拉機驅動系統結構方案如圖1所示。

1.蓄電池組 2.電機控制器 3.牽引電動機 4.聯軸器 5.拖拉機驅動輪 6.差速器 7.變速器輸入軸 8.變速器中間軸 9.變速器 10.拖拉機前輪 11.軸承 12.動力輸出軸圖1 純電動拖拉機驅動系統結構方案

工作時，由蓄電池組通過電機控制器給牽引電動機提供電能，通過兩擋變速器和差速器將動力傳遞給拖拉機驅動輪；該變速器同時提供動力輸出軸，用于旋耕等作業工況。該拖拉機有以下特點：傳遞方案簡單，蓄電池組、電機控制器和牽引電動機之間柔性連接，因此在底盤上布置更加方便，利于載荷分配系數的調整；采用兩檔變速器，擋位少，倒擋通過電機反轉實現，簡化操作；增加了動力輸出軸，使更多作業工況成為可能。

2 兩種拖拉機主要參數對比

純電動拖拉機的選型依據文獻[5-11]，這里簡單講述純電動拖拉機傳動比的選擇。該純電動拖拉機傳動比的選擇依據最常用的作業工況。由于拖拉機經常在麥茬地上進行犁耕、耙地及旋耕等作業，也經常從事運輸作業，故設置1個犁耕擋和1個運輸擋。犁耕作業時推薦速度為4～6km/h，運輸作業時推薦速度為30km/h。根據公式(1)設置傳動比，即

(1)

式中u—拖拉機作業速度(km/h)；

rq—驅動輪半徑(m)；

ne—牽引電機額定轉速(r/min)；

ig—變速器傳動比；

i0—主減速器傳動比；

ηδ—滑轉效率。

得到的純電動拖拉機和原有傳統燃油拖拉機性能參數表1所示。

表1 兩種拖拉機主要參數

續表1

3 性能曲線分析

采用表1中的參數，用以下主要公式[18-23]對兩款拖拉機進行性能分析，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—驅動力(N)；

TM—牽引電動機/發動機輸出扭矩(N)；

ηT—牽引效率；

ηm—機械效率；

ηf—滾動效率，ηf=1-Ff/Fq；

φ—附著系數；

φmax—極限附著系數；

λ—質量分配因數；

G—拖拉機的使用質量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)；

Zq—驅動輪處載荷(N)；

u0—拖拉機純滾動時車速(km/h)。

為了使兩種拖拉機的性能分析具有可比性，在分析拖拉機性能時采用同樣的思路和計算方法：分別從發動機和牽引電動機的外特性出發，充分考慮不同作業工況下的牽引效率與驅動力變化關系、驅動力與滑轉率變化關系，分別得出兩種拖拉機牽引特性。其計算分析程序流程圖如圖2所示。

圖2 牽引性能分析流程圖

根據牽引電動機外特性和發動機外特性實驗數據，采用三次多項式擬合，擬合精度達到98%以上，得到了擬合后的牽引電動機和發動機外特性曲線圖，如圖3所示。

由圖3可以看出：牽引電動機外特性與發動機外特性曲線區別較大，牽引電動機表現出“低轉速恒扭矩，高速恒功率”的輸出特性，具體表現為轉速nM<2 400r/min，輸出轉矩TM=60N·m，nM>2 400r/min轉速時，電動機輸出功率P=TM·nM≈15kW；而發動機輸出扭矩隨著轉速的增大表現為先增大后減小，并在轉速1 544r/min時扭矩達到最大值 73.61N·m。根據拖拉機行駛平衡方程式，拖拉機起步時，車速低；需要較大的扭矩；車速高時，需要較大的功率。因此，傳統燃油拖拉機需要增加很多個擋位來滿足行駛功率需求。比較發現，牽引電動機外特性更適合拖拉機作業功率需求。

在計算中，選取4種典型路面，分別為犁耕、耙地等作業下對應的不同土壤圓錐指數為700和900的麥茬地，運輸作業下對應柏油路和土路。不同路面下，滾動阻力系數、特征滑轉率、附著系數最大值及作業速度推薦值的取值情況如表2所示[18]。

表2 4種作業路面的特征參數取值

根據表2中數值和相關計算公式，計算得到滑轉率隨驅動力關系曲線，如圖4所示。

圖4 滑轉率隨驅動力變化關系

由圖4可以看出：在4種不同的路面下，滑轉率均隨驅動力的增大而增大；土壤圓錐指數CI=700的麥茬地(下文中簡稱為麥茬地1)和CI=900的麥茬地(下文中簡稱為麥茬地2)曲線比較接近。在驅動力Fq=6 000N時，滑轉率分別為0.335 6和0.293 1；在Fq>6 000N時，滑轉率急劇增大。柏油路和土路的滑轉率比較接近，當驅動力Fq=6 500N時，土路滑轉率分別為0.141 6；當Fq>6 000N時，滑轉率急劇增大；當驅動力為Fq=6 000N時，柏油路滑轉率為0.195 3；當Fq>6 500N時，滑轉率急劇增大。因此，在利用拖拉機進行作業時，驅動力應當控制在一定的變化范圍內，避免過大滑轉功率損失。

拖拉機的牽引效率除了與動力系統有關，還與驅動輪輪胎和土壤條件關系密切[21]。通常在動力足夠情況下，拖拉機牽引效率主要受到驅動輪輪胎和土壤條件的限制，因此在輪胎型號選定的條件下，隨著土壤條件的不同，拖拉機牽引效率曲線不同。由圖5可知，牽引效率隨著驅動力增大而先增加、后減小。在柏油路和土路，由于滾用阻力系數較小，因此驅動力在相當大的范圍內牽引效率均較高，并隨著驅動力增大有減小的趨勢。柏油路牽引效率最大值為0.83，對應驅動力為4 213.69N；土路牽引效率最大值=0.75，對應驅動力為4 351.58N。但在麥茬地1和麥茬地2上，同樣驅動力下，牽引效率要比在柏油路和土路上小得多，主要因為在麥茬地上滾動系數較大，滾動損失較大，同時滑轉效率也較低所致。麥茬地1的牽引效率最大值=0.66，麥茬地2的牽引效率最大值=0.67，對應牽引力分別為4 038.17N和4 157.24N。

圖5 不同工況下拖拉機牽引效率的變化關系

拖拉機經常在柏油路和土路上從事運輸作業，因此分析兩種拖拉機分別在兩種路面的作業性能，如圖6所示。在柏油路上，純電動拖拉機在驅動力Fq=681.16N時達到最大作業速度41.7km/h，其最大驅動力可達到6 747.80N，而傳統燃油拖拉機最大驅動力為4 789.07N。傳統燃油拖拉機最大運輸速度超過50km/h，但現實中超過35km/h以后并不實用。驅動力在[681.16N，6 747.80N]范圍內時，純電動拖拉機作業速度曲線完全覆蓋傳統燃油拖拉機。在土路上，純電動拖拉機在驅動力Fq=778.65N時達到最大運輸速度41.49km/h，最大的驅動力可達到6 048.85N，而傳統燃油拖拉機最大驅動力為4 345.01N。綜上所述，純電動拖拉機運輸時表現出“更有勁”，運輸速度設置更加合理。

拖拉機從事犁耕、旋耕、耙地等作業，通常在麥茬地上進行，因此分析了兩種拖拉機在CI=700和CI=900麥茬地的作業性能，如圖7所示。無論在麥茬地1還是麥茬地2，純電動拖拉機的作業速度曲線完全覆蓋了傳統燃油拖拉機，說明在驅動力相同的情況下純電動拖拉機可以比傳統燃油拖拉機有更高的作業速度。

圖6 柏油路和土路上純電動拖拉機和傳統燃油拖拉機作業速度隨驅動力變化關系

圖7 兩種麥茬地上純電動拖拉機和傳統燃油拖拉機作業速度隨驅動力變化關系

圖8為兩種拖拉機牽引功率隨驅動力的變化關系。由圖8可以看出：在不同的作業工況下，純電動拖拉機牽引功率曲線基本覆蓋了傳統燃油拖拉機，也就是說同樣驅動力下純電動拖拉機能夠輸出更高的功率。這需要傳統燃油拖拉機設置更多的擋位才能實現，也是隨著拖拉機功率增大，拖拉機擋位設置越多的原因。近年來，傳統燃油拖拉機變速箱向著多檔化、無級變速發展，也加大了成本和操作控制難度[4-5]，而純電動拖拉機則不必設置過多擋位就可以實現眾多作業功能。

1.純電動拖拉機-柏油路 2.傳統拖拉機-柏油路 3.傳統拖拉機-土路 4.純電動拖拉機-土路 5.純電動拖拉機-麥茬地2 6.純電動拖拉機-麥茬地1 7.傳統拖拉機-麥茬地2 8.傳統拖拉機-麥茬地1圖8 牽引功率隨驅動力變化關系

由于續航能力一直是純電動車輛的弱點，因此研究了所設計純電動拖拉機在3種典型工況下的作業時間，如圖9所示。

圖9 純電動拖拉機作業時間隨作業速度變化關系

犁耕工況為在麥茬地1中進行犁耕作業；空載工況為柏油路上空載行駛；極限工況為在麥茬地1中拖拉機在驅動力最大值時工作的情況。由圖9可知，純電動拖拉機作業時間均隨作業速度增大而降低。犁耕作業采用6km/h時的作業時間為5.7h，若采用4km/h犁耕時的作業時間為7.2h，滿足設計要求。傳統燃油拖拉機由于加油方便、時間短，可認為傳統燃油拖拉機續航里程無窮大，而純電動拖拉機充電需要很長時間，所以在續航里程上與傳統燃油拖拉機存在較大差距。續航里程、充電時間是限制純電動拖拉機發展的一個重要因素。

4 結論

1)所設計的純電動拖拉機采用兩個前進檔，擋位少，但在4種典型路況下作業性能曲線都能夠基本覆蓋傳統燃油拖拉機，而且表現出傳統燃油拖拉機裝載無級變速器才能實現的性能特性。可以看出，純電動拖拉機不必設置更多擋位即可完成多種作業。

2)純電動拖拉機使用電動力傳遞，在底盤布置上更靈活，質量分配更方便。

3)受到動力電池比功率低的限制，純電動拖拉機續航里程與傳統燃油拖拉機依然有較大差距。

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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”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B04)；中國博士后科學基金項目(2015M582212)；2016年安徽省校級引進人才項目(830138)；安徽省科技攻關計劃項目(1501031095)

方樹平(1989-)，男，河南信陽人，助教,(E-mail)fangsp2015@qq.com。

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

S219

A

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