基于CRUISE的純電動拖拉機作業性能研究

方樹平，王寧寧，易克傳， 緱瑞賓，徐立友，夏先文

(1.安徽科技學院 機械工程學院，安徽 滁州 233100；2.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽471003；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

目前，石油資源日益匱乏，環境污染問題日趨嚴重，純電動拖拉機采用電驅動模式，具備不耗費石油、結構簡單、污染小的優點，是農業機械的發展趨勢之一[1-3]。在電動拖拉機開發中，拖拉機作業工況的真實性對作業性能預測具有重要影響，而目前對拖拉機作業工況的研究較少，不少學者采取恒速作業作為仿真輸入，其得到的結果與拖拉機真實作業性能尚有差距。不同于電動汽車仿真軟件種類繁多，針對純電動拖拉機的仿真軟件并不多見。方在華、胡世根等[4-6]開發了一些拖拉機性能預測軟件，取得了預期的效果，但由于這些軟件年代久遠、通用性不高、移植性不強及知識產權的問題，并未被廣泛的同行企業人員所掌握，并且通常不能進行動態仿真分析。為了避免選型過程中的盲目性，CRUISE軟件在混合動力汽車的開發中被廣泛使用。國內有學者也嘗試將該軟件用于新能源拖拉機的性能預測中[7-9]。文獻[8]利用CRUISE軟件對純電動拖拉機進行了仿真，但在仿真過程中未考慮工況和拖拉機滑轉率的控制；文獻[9]利用CRUISE軟件對增程式電動拖拉機進行了仿真分析，完成了性能的預測。上述研究的電動拖拉機均在原車的基礎上進行開發，將傳統燃油拖拉機用電動機代替，并未對傳動系統結構形式做出大的改變。本文通過分析拖拉機作業工況，采用CRUISE軟件，針對研發中的15 kW純電動拖拉機(An Hui Ke Ji Xue Yuan-Pure Eeletric Tractor，以下簡稱AK-PET)搭建仿真平臺，將制定的拖拉機作業工況導入仿真平臺進行作業性能仿真分析，以期為純電動拖拉機開發提供技術支持。

1 拖拉機作業工況分析

工況作為仿真系統的輸入，其真實準確性對拖拉機作業性能的分析至關重要。然而，目前從知網檢索的文獻來看，針對國內拖拉機作業工況的采集研究較少。由于各地域氣候、環境、土質等呈現多樣性，最佳作業工況理當不盡相同。拖拉機開發設計時一般采用恒定作業速度來代替作業工況，并不能夠反映拖拉機加減速、阻力突變等工況所造成的電力損耗，因此造成了性能分析時的原理誤差。本文針對以上問題，著重分析拖拉機常見的運輸工況和旋耕工況。

拖拉機的運輸工況主要結合城鄉常見路況，考慮了3種路面：土路、水泥路和柏油路。柏油路運輸速度為40 km/h，水泥路為28 km/h，土路為20 km/h。其運輸工況如圖1所示。

拖拉機旋耕工況的采集地選擇安徽科技學院玉米試驗田，其坡度為0°，長*寬=100 m*62.5 m。文獻[10-11]表明，采用深松35 cm+旋耕的耕作方式，玉米能夠得到較高的產量。旋耕作業采用橫軸式旋耕機，耕地寬度為1.25 m，深度14 cm左右，從寬度方向中心線左側起耕，采用內翻法進行深松后的玉米地旋耕作業，旋耕速度6 km/h，旋耕機主軸轉速控制在180 r/min左右。到地頭降速轉彎，轉彎時旋耕機不工作，轉彎速度為3 km/h，經過25次往返作業，用時3 250 s，完成了0.625 hm2地的旋耕作業，得到的拖拉機旋耕作業工況如圖2所示。由圖1和圖2可知，運輸工況和旋耕工況都存在著頻繁的加減速情況。作業工況的制定為將來AK-PET作業性能仿真提供輸入信號。

圖1 拖拉機運輸工況Fig.1 Working conditions of tractor transportation

圖2 拖拉機旋耕工況Fig.2 Woking conditions of tractor rotary tillage

2 AK-PET動力系統傳遞方案及主要參數

設計的純電動拖拉機驅動系統結構方案如圖3所示,其傳遞路線及特點在前期研究文獻[12-14]中已作詳細介紹，這里不再贅述。其主要參數見表1。

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3 純電動拖拉機驅動系統結構方案Fig.3 Structure program of pure electric tractor drive system

表1 純電動拖拉機主要參數
Tab.1 Pure electric tractor main parameters

部件參數數值整車整備質量/kg990額定牽引力/N1 600機械效率0.92動力電池組額定容量/Ah100電池組數4牽引電機額定功率(最大功率)/kW15(30)額定轉速(最大轉速)/r·min-12 400(6 500)額定轉矩(最大轉矩)/N·m60(160)變速系統變速器傳動比9.76,3.78,9.76(倒檔)主減速器傳動比7.11驅動輪規格/(半徑/m)600-12人字花/0.467

3 基于CRUISE的AK-PET動態仿真平臺建立

CRUISE作為一種前向式仿真軟件，廣泛應用于車輛系統動力學的仿真，可實現對復雜動力傳動系統的動態仿真分析、控制策略的開發，被眾多高校研究人員和企業所采用[7-9]。考慮到AK-PET結構方案與汽車有較多相同部件，如動力電池、驅動電機、變速系統等，故采用CRUISE平臺搭建了AK-PET仿真模型，如圖4所示。該模型主要包括動力電池、驅動電機、兩擋變速箱和駕駛員模型。

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

針對拖拉機與汽車的異同，對圖4所示的仿真模型做了以下修改:拖拉機的滑轉特性與汽車有明顯不同[4-6]，基于此在車輪模型中定義了附著系數隨滑轉率變化的關系；由于AK-PET低速起步轉矩大，為了防止起步時產生過大滑移率而導致其失去操控穩定性，故施加了起步驅動防滑控制模塊ASC，并編寫了簡易控制程序；對驅動控制模塊(e-drive)和制動控制模塊(e-brake)重新編寫了程序，以適應AK-PET的田間作業工況；針對兩擋式變速器，編寫了基于速度換擋的簡易換擋策略。經過以上4個步驟，圖4所示的AK-PET仿真平臺基本完成。在仿真模型機械連接完畢、相關模塊程序編寫完成后，進行了信號線之間的連接。

作業工況的處理是本文中的重點和難點。將速度信號按照指定格式編寫，并將文件命名為Tractor_transportation.pro(運輸工況)和Rotary tillage.pro(旋耕工況)，存放在CRUISE安裝文件中的Profiles中。待仿真完成后，生成的結果數據存放在Driving Cycles下的Rotary tillage文件夾和Tractor_transportation文件夾中。

根據表1所示參數，在基于CRULSE搭建的AK-PET仿真界面中輸入相應數據。因部件較多，這里簡要介紹驅動電機特性參數的輸入。所采用的驅動電機MAP圖如圖5所示。所采用的驅動電機轉速在[0，650 0] r/min，驅動電機的轉矩在[0，160] N·m，因為驅動電機額定轉矩為60 N·m，極限轉矩為160 N·m，有一定的過載系數，但工作過程中過載時間不宜過長，以免造成電機發熱嚴重和電池壽命的縮短，因此考慮將驅動電機的輸出轉矩控制在60 N·m以下。驅動電機的效率在[0.50，0.895]之間，而且在轉速2 400 r/min左右、轉矩60 N·m時，效率處于較高值。驅動電機控制策略應當使驅動電機工作在較高效率的區域。

圖5 AK-PET驅動電機MAP圖Fig.5 MAP of AK-PET drive motor

4 仿真實驗結果分析

在完成以上步驟后試運行，發現了75個錯誤，找出出錯位置并改正后，最終能夠順利進行仿真實驗。

4.1 運輸工況仿真實驗結果

采用運輸工況作為仿真輸入，經過10 s的仿真運算時間，牽引1 000 kg貨物按照圖1所示的工況從事運輸作業，仿真結果如下：

(1)圖6所示為運輸工況下AK-PET需求車速與實際車速對比圖。在400 s的仿真時間里，實際車速與需求車速之間的差值最大值為1.08 km/h，發生在仿真時間21 s。整個仿真過程中，速度誤差的平均值為0.01 km/h，說明實際車速能夠良好地跟隨需求車速，AK-PET未出現動力不足的情況。

圖6 運輸工況下AK-PET需求車速與實際車速對比圖Fig.6 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under transportation condition

圖7 運輸工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線Fig.7 SOC curve of AK-PET batteries under transportation condition

(2)圖7所示為運輸工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線。在400 s的仿真時間里，電池SOC由初始值95%降低到了93.82%，在加速階段，SOC下降速度增大，車速越高，SOC值降低越快；減速停車階段SOC值下降速度明顯放緩。整個過程中SOC變化曲線基本上比較平順，電池工作狀態良好。

(3)圖8所示為運輸工況下AK-PET驅動電機轉速與扭矩輸出曲線。在400 s的仿真時間里，可以看出，起步階段，驅動電機輸出轉矩由0迅速增大到20.44 N·m，而驅動電機額定轉矩設置為60 N·m，說明自身編寫的ASC程序起到了作用；整個工作范圍，驅動電機輸出轉矩平均值為12.58 N·m，說明AK-PET牽引1 000 kg貨物從事運輸作業，載荷較小，應該能夠承受更重的載荷工作。驅動電機的平均轉速為3 975 r/min，最高轉速6 114 r/min，說明為了跟隨需求車速，電機工作在高轉速區域。

圖8 運輸工況下AK-PET驅動電機轉速與轉矩輸出曲線Fig.8 Speed and torque output curve of AK-PET motor under transportation condition

(4)圖9所示為運輸工況下AK-PET驅動電機功率與效率輸出曲線，在400 s的仿真時間里，驅動電機輸出機械功率最大值為9.21 kW，平均值為5.47 kW。驅動電機工作效率最高值為0.826，平均值為0.748。說明驅動電機完全能夠承受1 000 kg貨物按照需求車速行駛，機械功率尚有富余。而效率平均值偏離驅動電機效率最佳值0.895約0.147，證明電機的工作狀態還有上升的空間。為提高工作效率，有兩種途徑可以嘗試，即通過調整變速器速比和增加運輸貨物的重量，但有待進一步深入研究。

圖9 運輸工況下AK-PET驅動電機功率與效率輸出曲線Fig.9 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under transportation condition

4.2 旋耕工況仿真實驗結果

采用旋耕工況作為仿真輸入，旋耕阻力為4 663.2 N，經過15 s的仿真運算時間，仿真完成，在輸出結果界面中找到仿真數據，得到AK-PET旋耕工況下需求車速與實際車速對比圖如圖10所示。從圖10中可以看出，需求車速與實際車速誤差的平均值為0.10 km/h，說明實際旋耕速度較好地跟隨工況中的需求車速。

圖10 AK-PET旋耕工況下理想車速與實際車速對比圖Fig.10 Comparison chart of required speed and actual speed of AK-PET under rotary tillage

圖11所示為旋耕工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線，在完成0.625 hm2地的連續旋耕作業以后，用時3 250 s，動力電池SOC值由初始的95%降低到了81.47%，整個電池工作狀態較為平穩。

圖11 旋耕工況下AK-PET動力電池SOC變化曲線Fig.11 SOC curve of AK-PET batteries under rotary tillage

圖12所示為旋耕工況下AK-PET驅動電機轉速與轉矩輸出曲線，驅動電機轉速集中在[1 180，2 468] r/min之間，這個轉速基本處于“低速恒轉矩”輸出階段，與設計初的期望一致。電機的轉矩也在34.07～57.95 N·m之間變化，低于額定轉矩60 N·m，均與設計初的期望一致。說明所選型驅動電機能夠勝任當前的旋耕工作，不存在過載的情況。

圖12 旋耕工況下AK-PET驅動電機轉速與扭矩輸出曲線Fig.12 Speed and torque output curve of AK-PET motor under rotary tillage

圖13所示為旋耕工況下AK-PET驅動電機功率與效率輸出曲線，驅動電機輸出功率最大值為11.8 kW，平均值為9.63 kW，而驅動電機的額定功率為15 kW，不存在過載現象；效率的平均值為0.859，說明驅動電機的工作狀態良好，處于高效區域。

圖13 旋耕工況下AK-PET驅動電機功率與效率輸出曲線Fig.13 Power and efficiency output curve of AK-PET motor under rotary tillage

我們前期在Matlab中通過編寫M文件的方式，也分析了純電動拖拉機的作業性能[12-13]。旋耕工況采用6 km/h的等速工況，運輸工況采用24 km/h的等速工況。兩種仿真環境下得到的主要性能參數對比見表2。

表2 兩種仿真環境下拖拉機主要參數對比
Tab.2 Comparison of the main parameters of tractors in two simulation environments

環境指標旋耕工況運輸工況作業時間/h最高作業速度/km·h-1平均滑轉率最大牽引力/N作業時間/h最高作業速度/km·h-1平均滑轉率最大牽引力/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

從表2中看出，兩種環境下，得到的主要指標除了滑轉率偏差超出了5%以外，其它偏差都在5%以內。主要原因在于用MATLAB分析時，作業工況均采用了等速工況代替，未考慮加減速對電池SOC變化的影響及驅動電機的動態特性輸出等原因，造成了MATLAB中預測的指標與CRUISE中的預測指標的差異。而MATLAB中編寫的專用分析程序也存在著功能單一，忽略了部分影響因素如溫度、動載荷變化、制動系統對車速的影響等問題，與商業化CRUISE軟件相比存在著不足之處，但二者結果相互印證，也證明了本文CRUISE軟件仿真模型建立的準確性。

5 結論

(1)本文根據拖拉機實際作業工況制定了旋耕工況和運輸工況，繪制了兩種工況下的速度曲線，為拖拉機的動態性能研究提供了良好的工況信號借鑒。但隨著作物耕作技術的發展，更多的作業工況例如深松、開溝等有待研究，以更全面地分析研究拖拉機的作業性能。

(2)基于CRUISE軟件搭建了AK-PET的仿真平臺。仿真實驗結果表明，在兩種工況下，AK-PET均能夠緊密跟隨工況車速，其電機的輸出轉速、扭矩、功率等均在電機MAP圖特性范圍內，滑轉率平均值均控制在0.17以下，表明所研發的拖拉機適用于這兩種工況。

(3)文中基于CRUISE搭建的AK-PET仿真平臺仿真方式多樣，監測數據全面，優于我們在MATLAB中通過M文件編寫的仿真程序，為后期AK-PET參數優化匹配、電池管理系統研究、制動系統能量回收策略研究、電機控制策略制定、整車控制策略開發等工作都提供了良好的平臺。