基于CRUISE的设施农业电动拖拉机仿真分析

宋心宇 刘元义 牛国栋 张悦 宋昕烔 邴坤

摘要：利用CRUISE软件建立面向设施农业的电动拖拉机仿真模型并对仿真模型各组成部分进行参数设置。设置电动拖拉机最大牵引力、最大爬坡度、最高车速及加速时间仿真任务，并通过分析电动拖拉机仿真工况绘制电池组SOC曲线计算整车续航时间。仿真结果对项目后期样车生产具有理论指导作用，对设计的电动拖拉机进行了参数匹配，证明其具有可行性，并通过对电动拖拉机仿真结果的分析可以看出所设计的整车参数及各部件的参数匹配均合理正确，达到设计要求。

关键词：设施农业；电动拖拉机；CRUISE；仿真分析

基金项目：山东省农机装备研发创新计划项目（2018YF005）。

引言

塑料大棚、日光温室等设施农业已逐步成为我国现代农业发展的重要模式，它有别于传统农业耕作环境。温室大棚属于比较密闭的环境，其中农作物对于环境质量要求尤为严格［1］，我国农机制造企业针对温室大棚空间狭小的特点生产了各种大棚拖拉机机型，但大部分大棚机型的动力系统仍然采用内燃机，无法避免尾气对设施农业内部环境的影响。

国内外的学者在电动拖拉机上都有设计和开发，但是我国现阶段因设施农业发展相对滞后，目前对于面向设施农业的电动拖拉机研究相对较少。研制适合设施农业用的电动拖拉机具有零污染，高效率的诸多优点，是解决目前环境污染、能源短缺等问题的有效途径之一。研制适合设施农业工作环境下使用的设施农业电动拖拉机，对于推动中国设施农业机械化发展，提高设施农业作业环境和操作者舒适度具有重要的意义［2］。

近些年来，新能源汽车飞速发展，AVL公司的CRUISE软件逐渐成为必要的科研软件之一，其主要功能包括分析车辆和传动系结构、通过分析动力性优化车辆以及分析车辆热管理系统等，特别适合用来评估纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等新能源汽车。与一众仿真软件如ADAMS、CarSim比较，CRUISE被运用于电动汽车仿真领域的频率更高，而且可以通过与Simulink或者与dSPACE进行联合仿真将设计的逻辑相集成［3］。

一、仿真模型建立及参数设置

（一）电动拖拉机整车模型的搭建

本项研究基于CRUISE软件，以项目前期设计的面向设施农业的小型电动拖拉机为研究对象展开工作，电动拖拉机概念图如图1所示。

电动拖拉机的牵引电机为永磁无刷电动机，其动力电池组使用磷酸铁锂电池，电动拖拉机的基本参数如表1所示，各挡位传动比如表2所示。

使用CRUISE軟件建立电动拖拉机的仿真模型，首先生成电动拖拉机项目，然后建立拖拉机模型。拖拉机模型的总框架如图2所示，在拖拉机模型中再分别建立子模块，包括整车模块、动力模块、变速箱模块、差速器模块、主减速器模块、轮胎模块、遥控模块和VCU控制模块等。

子模块建立后通过插入能量链接的形式将机械部件相连接，动力由电机输出，分别通过离合器、变速箱、后桥和制动器模块传递到轮胎完成扭矩的传递。完成能量链接插入后最重要的便是在子模块中分别输入相关数据，在整车模块中，考虑到拖拉机的作业速度和设施农业的工作环境，可以忽略风阻对拖拉机的影响，在设置拖拉机整备质量和实际质量参数时，因本项目中的电动拖拉机为遥控驾驶，无需考虑驾驶员质量，所以实际质量为拖拉机整备质量、农机具质量和其它附件质量之和；动力电池组模块为牵引电机提供能量，需要设置相关的电池参数；牵引电机模块需设置额定电压、功率、转速和扭矩等参数；离合器模块中需要定义传动扭矩；变速箱模块中的主要参数为各档位传动比；后桥包括主减速器模块和差速器模块，需要定义主减速器传动比等参数；行走机构中包括制动器模块和轮胎模块，需在轮胎模块中定义轮胎的滚动半径和滚阻系数等参数；VCU控制模块中的控制逻辑使用Simulink软件完成，然后通过编译成DLL格式文件嵌入CRUISE的仿真模型中。

完成各子模块数据输入后，通过插入信息链接来完成信号传递，对子模块的数据输入进行配置之后便完成了电动拖拉机整车模型的搭建。

（二）仿真模型各子模块详细参数设置

在进行电动拖拉机整车模型的搭建中，子模块参数和信息链接的设置尤为重要，本文将详细阐述主要包括整车、能源、动力、传动和行走机构等模块的参数设置。其中整备质量为900kg，实际质量为1150kg，轴距为1000mm。动力电池模块是电动拖拉机的重要能量来源，首先设置单体电池的容量为6.5Ah，单体电池的额定电压为3.2V，单体电池45个串联、34个并联组成动力电池组；设置该电池的充放电特性曲线，定义电池在不同的SOC荷电状态下的电压。牵引电机模型参数设置中，选择电机型号为PSM电机，设定额定电压为144V，最大转速为3800rpm，设置电机的外特性曲线图与电机效率MAP图；电机的负载信息来源于VCU控制模块中的“load_signal_TM”信号。在传动系的参数设置中，变速箱模块中各档位传动比参照表2进行输入。在主减速器模块中设置好主减速比、输入和输出的转动惯量等参数，在差速器模块中设置效率和转动惯量等参数。电动拖拉机行走机构的参数设置中，行走机构由制动器模块和轮胎模块组成。在轮胎模块中，设置滑移特性曲线，分别输入前轮与后轮的静态半径及滚动半径；在制动器模块中设置信息链接，制动压力信号需要由VCU整车控制器中的“brake_pressure”信号提供。

二、仿真结果及分析

（一）动力性仿真分析

电动拖拉机加速性能的模拟数据见图3，面向设施农业的电动拖拉机工作主要以耕犁作业为主，一般铧式犁的耕作速度在4.5km/h至6km/h之间，从图中可以看出本电动拖拉机起步加速至6km/h加速时间为4.19s，加速距离为3.24m，满足电动拖拉机的工作需求，加速性能较好，可在10s内加速至最高车速35km/h，加速距离30m，最高车速可以满足电动拖拉机在各大棚间的运输要求。

电动拖拉机的最大爬坡度模拟中，设施农业的田地平整，作业时对爬坡度要求低，在Ⅰ档0.4km/h的速度下的最大爬坡度为28.03%，爬坡性能良好，可以满足电动拖拉机在设施农业中的基本爬坡和越障需求。

電动拖拉机最大牵引力模拟中，在Ⅰ档3km/h的速度下的最大牵引力为7873.71N，电动拖拉机预留20%的储备牵引力后，电动拖拉机的最大牵引力为6298N，满足所设计电动拖拉机在设施农业中工作的最大牵引力要求。

（二）作业时间仿真分析

为计算电动拖拉机的续航能力，可从电池组SOC值的变化规律中获得电动拖拉机在充满电状态下的持续工作时间。在设施农业中，电动拖拉机作业时多为匀速行驶，在CRUISE软件中建立Cycle Run循环工况仿真任务，设定一个400s的等速循环工况进行仿真分析，通过记录400s内动力电池电量的变化可以得出动力电池的SOC曲线。

根据对仿真时不同时间点动力电池的SOC，记录下400s循环内动力电池电量的变化，得到动力电池的SOC曲线如图4所示。动力电池的SOC值变化曲线比较平稳，400s等速循环工况仿真完成时，SOC值降低至97.5%，即电动拖拉机400s内电量消耗了2.5%，将动力电池的SOC值变化曲线视为线性曲线，可粗略估算电动拖拉机的续航能力，满电状态下可持续工作4.4h左右，基本可满足电动拖拉机在设施农业中的作业续航要求。

三、总结

本文以面向设施农业的电动拖拉机为研究目标，运用CRUISE软件对电动拖拉机进行仿真分析，建立了整车模块、动力模块、变速箱模块、差速器模块和VCU控制模块等子模块，介绍了重要模块中的参数设置、能量链接和信息链接，在仿真结果中，电动拖拉机可在10s内加速至最高车速35km/h、起步加速到6km/h工作速度的时间为4.19s、最大牵引力≥6kN、最大爬坡度为28.03%、连续作业时间在4.4h左右，仿真结果都与设计的电动拖拉机评价指标相吻合，能够满足在设施农业中的作业要求，证明了本文设计的电动拖拉机在参数匹配方面是合理的，为以后样机开发奠定了理论基础。

参考文献：

［1］骆飞，徐海斌，左志宇等.我国设施农业发展现状、存在不足及对策［J］.江苏农业科学，2020，48（10）：57-62.

［2］Huisong Gao， Jinlin Xue. Modeling and economic assessment of electric transformation of agricultural tractors fueled with diesel［J］.Sustainable Energy Technologies and Assessments，2020，39.

［3］农业农村部规划设计研究院设施农业研究所. 我国设施农业的发展现状［N］. 中国农机化导报，2019-04-22（006）.

［4］Wang B H，Luo Y G.AVL cruise-based modeling and Simulation of EQ6110 hybrid electric public bus［C］// 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling（ICCASM 2010）. IEEE，2010.

（作者单位：山东理工大学农业工程与食品科学学院）