基于Simulink的纯电动拖拉机传动系统仿真研究

张鑫 赵光龙 葛红恩

摘要：针对燃油拖拉机目前存在高污染、高油耗等问题，电动拖拉机的研发应用成为当前农业机械化的一个重要发展方向。在理论计算的基础上对牵引电动机、变速器和动力电池组等进行了选型设计，并对设计研发中的纯电动拖拉机传动系统进行了仿真研究。研究表明，所建模型能够真实地反映电动拖拉机的运行状态，实际速度与目标速度吻合良好，两者误差绝对值的平均值为0.298，电动拖拉机在运输工况下持续工作时间可达4.5 h，在犁耕工况下工作时长为4.2 h。

关键词：纯电动拖拉机;传动系统;仿真研究;动力性能;农业机械

中图分类号：S219.032.1   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0229-04

拖拉机作为农业生产中必不可少的动力机械，其保有量呈逐年增加态势。“十二五”期间，我国农业机械化主动适应经济发展新常态、农业农村发展新要求，各方面工作稳步推进，“十二五”规划目标任务全部完成，大中型拖拉机保有量达到607.3万台，是“十一五”末的1.5倍[1]。但在现阶段，我国农业生产使用的仍然是传统类型的燃油拖拉机，由此引发的环境污染问题日趋严峻。“十三五”规划提出农机生产要围绕发展资源节约型、环境友好型机械化的目标，改善农业机械的技术状态，提高能源利用效率，促进节能减排[2-3]。因此，发展对环境更友好的纯电动拖拉机对改善以上问题具有重大意义。

我国目前对电动拖拉机的研究较少，主要集中在高校团队，南京农业大学的高辉松团队研究了电动拖拉机各部件的匹配方法，西北农林科技大学的卢毅等研究设计了一种可遥控的小型履带电动拖拉机[4]。本研究在理论计算、设计选型的基础上，主要对纯电动拖拉机的传动系统进行仿真并对其性能进行分析。

1 电动拖拉机传动系统设计

1.1 牵引平衡方程式

图1为电动拖拉机的受力结构。

3 仿真结果与分析

电动拖拉机在完成基本的运输作业之外，还要完成耕种、播种、收获等田间任务。针对电动拖拉机作业情况的复杂性，在结合实际生产的基础上，建立了2种测试工况：运输作业测试工况和犁耕作业测试工况。如图5所示，选取低速市郊行驶工况（extra urban driving cycle，简称EUDC）测试工况为运输作业测试工况。该工况运行时间共400 s，平均速度为12-51 km/h，最高速度为17.83 km/h，运行距离共1.39 km，怠速时间共42 s[10]。

犁耕作业时，电动拖拉机匀速行驶，结合实际生产作业情况，选取作业速度为5 km/h，故选择等速测试工况作为犁耕作业测试工况。

对所建立的仿真模型进行工况输入，以EUDC测试工况作为输入，采取PID[比例（proportion）、积分（integral）、微分（differential）]模糊控制原理，运行后得到实际速度与目标速度的对比曲线，为更直观表现两者之间的误差，作出两者之间的差值曲线（图6）。

由图6的仿真结果可以看出，在仿真过程中，电动拖拉机的实际速度曲线和设定的目标循环工况运行速度吻合情况良好，两者之间差值的绝对值的最大值为2.02，最大值出现在时间为375 s处，此时拖拉机处在由最大速度减速至停车的阶段，由此产生一个较大的误差，并且较大的误差值多出现在速度突变处。差值的绝对值的平均值为0.298，速度误差相较于运行速度较小。由此可以说明，所建立的电动拖拉机仿真模型能够在贴近实际的情况下真实地模拟拖拉机在道路上的行驶情况。

在验证了所建模型能够真实反映拖拉机行驶特性的基础上，对电动拖拉机模型进行仿真，测试研发中的电动拖拉机的性能，其中电动拖拉机的主要参数如表1所示，得到电动拖拉机的仿真结果如下所示。

3.1 爬坡性分析

由图7可知，在低速时电动拖拉机具有较好的爬坡性能，超过一定速度后，随着速度的增加，电动拖拉机的爬坡性能降低。

3.2 加速时间分析

由图8可知，在路况良好的路面上行驶时，当拖拉机行驶速度为0～10 km/h时，加速时间为1 s;当行驶速度为0～25 km/h 时，加速时间为3.8 s。

3.3 剩余电量分析

以低速EUDC测试工况为运输作业工况输入，等速测试工况为犁耕工况输入，设定SOC初始值为85%，在完成5个EUDC测试工况循环后，记录电动拖拉机SOC值的变化情况（图9、图10）。

由图9可知，在完成5个测试工况循环后，电动拖拉机动力电池组的剩余电量从85%减少到74.6%，消耗量为10.4%。

随着时间的延长，电池的SOC呈平缓下降趋势，在怠速期间，电池电量保持短时间基本不变。根据能量守恒定律，通過换算可以得出，电量消耗到0的时间约为16 346 s，即约为 4.5 h，符合设计初始要求。

由图10可知，当电动拖拉机在匀速状态下持续工作时，电池的SOC呈直线下降趋势，在经过2 000 s的持续作业后，电池SOC由85%下降到73.8%。通过能量守恒计算，得到电池电量消耗到0的时间约为15 178 s，即约为4.2 h，满足犁耕作业环境下对电动拖拉机持续作业时间的要求。

4 结论

根据目前电动拖拉机的发展现状，本研究结合电动车辆在农用机械领域的应用前景，基于拖拉机的作业特点，对电动拖拉机的动力传动系统进行设计，并且在Simulink仿真环境下对设计研发中的电动拖拉机进行仿真测试。测试结果表明，电动拖拉机的仿真速度能够很好地跟随目标速度，实际速度与目标速度差值绝对值的平均值为0.298;电动拖拉机在低速状态下爬坡性能较好，随着速度增加，其爬坡性明显减弱;电动拖拉机的加速性能能够满足设计要求。对电动拖拉机分别进行运输作业工况和犁耕作业工况测试，电动拖拉机在运输工况下持续作业时间约为4.5 h，在犁耕工况下持续作业时间可达4.2 h。

参考文献：

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[2]霍春宝，门光文，王 京，等. 纯电动汽车复合电源系统控制的仿真研究[J]. 汽车技术，2018（1）：51-55.

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[5]周一鸣. 汽车拖拉机学：汽车拖拉机理论[M]. 北京：中国农业大学出版社，2000.

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[10]高辉松. 电动拖拉机驱动系统研究[D]. 南京：南京农业大学，2008.