基于SRM的電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)設計與仿真

張宇，李志偉*，王璨，解繼紅,2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801；2.晉中學院 機械工程學院，山西 晉中 030600)

電動拖拉機(Electric Tractor，ET)作為新型農(nóng)用動力源，具有污染小、噪聲低、效率高、操作方便、易于遙控等優(yōu)點，對減輕環(huán)境污染、緩解能源危機與操作人員的勞動強度、促進農(nóng)業(yè)自動化與設施農(nóng)業(yè)的推廣具有重要意義。然而，電動拖拉機作業(yè)環(huán)境的惡劣與低速大扭矩工作狀態(tài)增加了其推廣應用的難度。拖拉機主要在田間作業(yè)，泥土雜質(zhì)與徑向沖擊負載較多，包括犁地、耕整地等持續(xù)性大負載，且需長時間保持低轉(zhuǎn)速大扭矩狀態(tài)，普通電動汽車用驅(qū)動電機無法在此環(huán)境下正常工作。

國內(nèi)對電動拖拉機的研究相對歐美國家起步較晚[1,2]。高輝松等[2～4]利用ADVISOR軟件對驅(qū)動系統(tǒng)與整機進行仿真與理論方法研究；楊福增等[5,6]對履帶式電動拖拉機進行了實體驗證與后期開發(fā)；徐立友等[7,8]對驅(qū)動系統(tǒng)進行了實體驗證與后期開發(fā)；商高高等[9,10]對履帶式拖拉機做了優(yōu)化與改進；謝斌等[11,12]在對傳動性進行實體驗證的基礎上做了智能化改進。本文通過優(yōu)選電機與驅(qū)動系統(tǒng)，在滿足工作要求、提高節(jié)能性的同時獲得更多續(xù)航時間，為電動拖拉機(包括增程式電動拖拉機純電動模式)續(xù)航時間短、整機比功率不足等問題的解決提供一種方法和途徑。

1　驅(qū)動系總方案

1.1　傳動系方案

由于變速箱與離合器自身為非動力源，占用空間較大，且工作時將減少整機比能量，不利于電機散熱，故本文取消變速箱，以電動機加減速器直接驅(qū)動，從而進一步減少傳動系尺寸和重量，提高整車能量比與布置靈活性，降低整機成本與駕駛強度[13]。

傳動系由電動機代替發(fā)動機并取消離合器、變速箱后，僅通過后橋減速器與輪軸連接，且動力輸出軸(Power Take Off，PTO)由后橋驅(qū)動。該電動拖拉機傳動系仿真模型如圖1所示。

圖1　純電動拖拉機頂層仿真模型Fig.1　Block Diagram model of Electric Tractor (ET)

1.2　電機類型選擇

力矩電機由于價格高昂，目前只適用于精密特種車輛。輪邊電機由于其布置緊鄰輻板輪輞，難以抵御拖拉機犁耕等大功率作業(yè)時正向與側(cè)向土石泥沙的沖擊與嵌入，只適合園藝類輕載小負荷拖拉機使用。異步電機帶載啟動能力弱、啟動時間長，直接驅(qū)動不宜采用。

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)因其轉(zhuǎn)子無繞組、靠長短磁路勵磁提供感應轉(zhuǎn)矩，具有結(jié)構簡單、散熱好、無發(fā)熱退磁現(xiàn)象、制造成本低、調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高、控制方式多樣等優(yōu)點，可大負載直接啟動，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速均可調(diào)，并可快速切換正反轉(zhuǎn)[14～16]，因此，本文以開關磁阻電機為驅(qū)動電機，輔助電機則采用普通小功率直流電機。

2　驅(qū)動系統(tǒng)設計

2.1　作業(yè)工況分析

設計機型面向北方旱田，作業(yè)時多梯田、地塊狹小、地長較短。通常拖拉機犁耕作業(yè)時負載最大，對應工作速度3～6 km·h-1。

不計風阻與加速阻力，機組受力平衡關系：

FqN≥FT+Ff+Fα

(1)

式中：FqN為拖拉機額定驅(qū)動力/N；FT為拖拉機需提供的牽引力/N；Ff為拖拉機滾動阻力/N；Fα為坡道阻力/N。

2.2　牽引平衡方程

在最大使用重量下，水平區(qū)段、中等濕度的茬地上，牽引負荷最大功率等速行駛，有：

FTplough=Z·bl·h·k0

(2)

FT=Fq-Ff

(3)

Ff=μmg

(4)

式中：FTplough為犁耕牽引力，N；Z為犁鏵個數(shù)；bl為單體犁鏵寬度/cm；h為耕深/cm；k0為土壤比阻/N·cm-2；Fq為拖拉機驅(qū)動力/N；μ為滾動阻力系數(shù)，旱田0.05～0.1；m為拖拉機質(zhì)量/kg；g為重力加速度/N·kg-1。

要求車輪驅(qū)動力在額定工況不低于1.119 kN，最大工況不低于4.706 kN，最大瞬時峰值不低于31.372 kN。

2.3　效率與功率

2.3.1牽引效率

在牽引農(nóng)機具做功功率確定的前提下，牽引電機輸出功率與傳動系統(tǒng)的傳動效率、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)效率、滾動效率有關，即

ηT=ηmηδηf

(5)

ηm=0.98a×0.95b

(6)

式中：ηT為牽引效率；ηm為傳動效率；a、b分別為后橋傳動系的圓柱齒輪對數(shù)和圓錐齒輪對數(shù)(兩級傳動無PTO輸出時取2、0)；ηδ為滑轉(zhuǎn)效率；ηf為滾動效率。

2.3.2電機功率

SRM具有在低速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩、在中高速范圍內(nèi)恒功率的特性。以拖拉機進行犁耕作業(yè)時的最大設定速度作為確定牽引電動機恒轉(zhuǎn)矩工況最大轉(zhuǎn)速的設定依據(jù)，忽略滾動阻力并考慮工況和路況的變化可能引起的阻力變化，預留一定功率儲備后得到SRM功率滿足：

(7)

PSRM≥PT

(8)

式中：PT為牽引電動機功率/W；FTN為犁耕所需額定牽引力/N；VT為拖拉機作業(yè)速度/km·h-1；β為功率儲備系數(shù)，取2.3；PSRM為SRM額定功率，W，取整得10 kW。

輔助電機因其提升距離短、做功間隔長，功率主要影響提升快慢。按額定提升重量600 kg、提升高度30 cm、提升時間10 s計算，提升功率為600×9.8×0.3/10=176.4 W。

2.3.3電機轉(zhuǎn)速

為適應拖拉機低速大扭矩的運行特點、節(jié)約減速比，選用低速區(qū)段電機。

當車輪滑轉(zhuǎn)率δ為0時，電機轉(zhuǎn)速與車速呈線性關系，驅(qū)動輪選用6.50～16車胎，外徑：(765±8) mm，后橋減速比35，傳統(tǒng)拖拉機犁耕作業(yè)時最大車速5～6 km·h-1，運輸作業(yè)時最高車速取18 km·h-1。求得各主要轉(zhuǎn)速、車速如表1所示。

表1　主要車速及對應輪軸、電機轉(zhuǎn)速Table 1　Key Speeds of ET, wheel, and SRM

2.4　電機電壓與其他參數(shù)選擇

2.4.1電機額定電壓

一方面，由于小型拖拉機工作時振動與機械沖擊都較大，對絕緣防護級別要求高，為安全起見，選用較低電壓驅(qū)動。另一方面，在功率一定下，額定電壓過低時對應的額定電流過大，過低的電壓會增加電力電子器件的開關損耗(如IGBT管)，過大的電流又會造成開關管通態(tài)壓降變大、功耗增加(如MOS管)，降低電路的可靠性與經(jīng)濟性?？紤]SRM額定功率后，采用IGBT驅(qū)動的最低適宜電壓200 V，對應額定電流50 A。輔助電機因其功率小，故選擇安全電壓36 V。

2.4.2電機其他參數(shù)

極數(shù)方面，極數(shù)過少時振動噪聲過大，反之功率區(qū)間過低，結(jié)合目前廠家生產(chǎn)技術成熟度與電動車應用經(jīng)驗，選三相12/8極。

散熱方面，拖拉機慢速行駛時電機自然冷卻條件差，故采用液冷系統(tǒng)，同時能為功率電路、蓄電池等發(fā)熱設備提供額外散熱條件。

綜上，主驅(qū)動電機選用HSR12SL-25型三相12/8極SRM，額定功率10 kW(最大功率12 kW)，額定電壓200 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1(最大轉(zhuǎn)速5 000 r·min-1)，液體循環(huán)冷卻。輔助電機選QBL5704-94-04-042無刷直流電機，額定功率175.9 W，額定電壓36 V，額定轉(zhuǎn)速4 000 r·min-1，額定(最大)扭矩0.059(0.42)Nm，重量1.3 kg。

對應SRM尺寸[17]：長400 mm，外徑200 mm，可連同傳動系統(tǒng)一置于車座下方；輔助電機：長25 mm，外徑57 mm，裝于車尾，如圖2所示。

圖2　電動拖拉機傳動系統(tǒng)結(jié)構方案Fig.2　Structure scheme for driving line of ET注：1. 蓄電池組 2. 控制器與調(diào)壓電路 3. 電動機4.后橋差速器總成 5. 升降輔助電機Note:1. Batteries 2. Controller and Chopper 3. Motor 4.Integration of final drive and differential 5. Auxiliary DC Motor

2.5　動力電池組設計

動力電池組作為純電動拖拉機唯一動力源，設計時須考慮體積、容量、電壓限制、電流限制等邊界條件。本文基于以上因素提出先按電動機最大功率和機身體積容量確定電池數(shù)，再按照電壓、電流限制驗證修正的方法選擇電池組型號與數(shù)量。

按照剩余SOC30%使用下限與20 h放電率，對應SRM額定功率，蓄電池單體數(shù)n滿足：

(9)

同體積電動拖拉機最大容納單體n滿足：

(10)

式中，E0為蓄電池單體額定電壓/V；C20為20h率額定容量/Ah；ηmC為SRM及控制器的效率；A為體積調(diào)整系數(shù)，取1.1；VC為參照拖拉機機頭體積/m3；V0為單個蓄電池體積/m3。n取n1范圍內(nèi)最大值，得蓄電池組實際輸出電壓UB：

UB=nE0

(11)

拖拉機用電力線與調(diào)壓電路的載流量一般不超過60 A，過流時可通過并聯(lián)分流實現(xiàn)功率傳輸與變換，并聯(lián)支路數(shù)不超過3，否則支路過多將導致電路成本過高、體積過大。

選擇型號6-QW-110(Icc)(下固定式)，其額定電壓12 V，20 h率額定容量110 Ah，外形尺寸169 mm×209 mm×230 mm，對應SRM最大功率12 kW，蓄電池單體數(shù)n滿足：

110×12n×(1-30%)≥12 000

(12)

以飛象牌微型拖拉機為參照，機頭體積0.264 m3，同體積電動拖拉機最大容納單體n滿足：

0.169×0.209×0.230n≤0.264

(13)

聯(lián)立(12)、(13)解得12.987≤n≤32.497，n取最大值32，此時體積0.259m3，若電池組全部串聯(lián)時輸出額定電壓384 V，-18 ℃啟動電流Icc=432 A，具備拓撲設計余量。依據(jù)輸出額定電壓與SRM額定電壓的匹配度，輸出額定電壓204 V接近負載額定電壓，調(diào)整設計蓄電池組串聯(lián)17組、并聯(lián)2路，體積0.276m3，滿容供額定負載時電路電流52.08 A。

2.6　重量參數(shù)設計

電動拖拉機的最大使用重量GSmax應使所設計的拖拉機在滑轉(zhuǎn)率不超過規(guī)定值的情況下發(fā)揮出額定牽引力，即：

(14)

式中：φδ為滑轉(zhuǎn)率為δ時的附著系數(shù)；λqN為動態(tài)質(zhì)量分配系數(shù)。

選定蓄電池、SRM的重量應滿足約束條件：

(15)

式中：G1電動機及控制電路重量，0.1 kN；G2蓄電池組重量，1.8 kN；Gstructure裝機前拖拉機結(jié)構重量，4.6 kN。

布置蓄電池組時應使整機重心在驅(qū)動輪處的前后轉(zhuǎn)矩不小于最大牽引力時負載對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩。

3　電機控制及建模

3.1　SRM建模

由于Simulink8.7(R2016a)庫中不含有12/8極SRM，故需先構建模型[18]。搜索到powerlib．mdl文件，去掉只讀屬性；再將Switched Reluctance Motor模塊解鎖并保存后即可修改庫文件；

復制Switched Reluctance Motor、粘貼為新模塊并重命名為SRM128后，解除與模型庫之間的關聯(lián)。因新版Lookup Table(2-D)已過時、僅可在原模型中使用，故將原表中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至2-D Lookup Table，多出位數(shù)用0補齊。編輯SRM128的Mask項，將Parameter頁Type項中8/6、10/8數(shù)據(jù)刪除并隱藏該項；在Initialization頁面中命令窗口修改函數(shù)加入PosSensor=45；ITBLD=2*ITBLD；initialw=[0，30，15]，最后把Regulator(調(diào)節(jié)器)中位置檢測模塊減半為45，轉(zhuǎn)速積分模塊相應改為[0，15，30]。

3.2　SRM調(diào)速電路模型

SRM及控制模型如圖3所示，調(diào)節(jié)器采樣位置信號后經(jīng)過內(nèi)部運算給出控制器各相通斷信號，控制器內(nèi)多路分配器按照指令依次控制各開關組將電能分配給SRM各相繞組。

圖3　SRM控制模型Fig.3　Model of SRM Control Sets

可由單片機控制圖4中Turn-on angle與Turn-off angle(導通角與關斷角)，實現(xiàn)對SRM的效率與功率的調(diào)整，阻力一定時輸出功率的調(diào)整即車速的調(diào)整。

3.3　輔助電機調(diào)壓電路

電池組工作的一致性要求輔助電機電壓為36 V，通過對比目前常用降壓斬波電路，選擇Cuk Chopper作為本研究的調(diào)壓電路，其電源電流和負載電流均連續(xù)，有利于輸入、輸出濾波[19]，使用元件較少、降壓效率較高；其仿真模型如圖5所示。

輔助電機作業(yè)時用靜態(tài)負載阻抗代替，用脈沖發(fā)生器代替MCU控制IGBT的通斷角，其他參數(shù)如圖5。仿真結(jié)果表明，該電路在IGBT導通角0.15～0.2、脈沖頻率10 kHz時，可將204 V降低至36 V，改變導通角可適應啟動脈沖并能調(diào)整輔助電機輸出功率。

4　仿真設計與數(shù)據(jù)分析

4.1　SRM與整機電動特性

SRM單機特性通過Ansoft Maxwell仿真獲取，其他參數(shù)由廠家設定。忽略傳動效率后電動拖拉機與SRM輸出機械特性保持線性關系，故統(tǒng)一分析。低速區(qū)具有良好的啟動性能，并在直接啟動時具備一定帶載能力，能在田間作業(yè)時提供較大牽引力，圖6為未加限幅控制時SRM特性及車輛最大驅(qū)動力曲線，圖7為電機功率特性曲線。

圖4　調(diào)節(jié)器內(nèi)部模型Fig.4　Internal Model of Regulator

圖5　降壓電路仿真模型Fig.5　Model of Cuk Chopper for lift motor of PTO

圖6　電機機械特性與車速牽引力關系Fig.6　Mechanical characteristics of SRM and relation between vehicle speed and traction

圖7　轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線Fig.7　Relation between speed and traction power

電機轉(zhuǎn)速在1 600～7 000 r·min-1時對應拖拉機運輸作業(yè)的中高速區(qū)，車速6.58～28.8 km·h-1，此時車輛所受阻力除傳動系機械摩擦外，車輪滾動阻力對最大車速度影響較大。

正常耕作時滑轉(zhuǎn)率為0，除作業(yè)以外，蓄電池組電能主要消耗在控制電路、電動機內(nèi)部損耗與機械傳動摩擦上。

圖8　轉(zhuǎn)速與效率曲線Fig.8　Efficiency characteristic of SRM

考慮電路功耗與傳動損耗后，得到電池輸出總功率，由電池放電特性獲得工作時長(見圖9，犁地時功率9.6 kW，運輸時取1.4 kW)。

圖9　電池放電特性Fig.9　Discharge characteristic of batteries

滑轉(zhuǎn)率為0時，由電機功率曲線與各級傳動的效率，可得各功率點的電池能耗曲線，從而求得各固定功率下作業(yè)時間(圖10)。

圖10　一次充電作業(yè)時間曲線Fig.10　Curve diagrams of continuous working time

4.2　計算結(jié)果分析

車輛及SRM主要性能參數(shù)如表2所示。由表2可知，所選SRM啟動轉(zhuǎn)矩滿足車輛直接啟動要求，且具有一定帶載啟動能力，當啟動負載較低時可通過電流斬波控制實現(xiàn)限幅恒轉(zhuǎn)矩啟動；加速階段功率經(jīng)小幅振蕩后達到最大瞬時功率25 kW，設計蓄電池組符合-18 ℃啟動要求；此時電機處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，滿足車輛峰值堵轉(zhuǎn)要求。重載工作階段功率范圍9～23 kW，并有2 kW穩(wěn)定余量；重載最低轉(zhuǎn)速時SRM連續(xù)堵轉(zhuǎn)，滿足車輛最大工況要求；額定狀態(tài)滿足車輛額定工況要求。車輛運輸行駛時，最高車速達22.4 km·h-1，滿足通用拖拉機行駛要求。

調(diào)速特性方面，在高頻控制脈沖的情況下，認為可連續(xù)改變IGBT通斷角。在固定負載時，通過減小導通時間可對SRM進行無級調(diào)壓調(diào)速，調(diào)速范圍在500 r·min-1至特性曲線之間，對應車速達1.723 km·h-1以上。

由圖10可知，額定功率作業(yè)時續(xù)航時間約5 h，最多犁地21 467m2(以幅寬1 m計)；以1.4 kW運輸時運輸距離約150 km。

5　結(jié)論

本研究基于SRM特性設計的電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)，通過“直驅(qū)電機電控”形式，實現(xiàn)了拖拉機作業(yè)條件下的無級變速功能；采用Cuk Chopper調(diào)壓電路與輔助電機借助減速裝置實現(xiàn)了小型拖拉機犁耕農(nóng)機具的升降并具有一定調(diào)速功能；增加蓄電池組并進行優(yōu)化，延長了電動拖拉機工作時間。該系統(tǒng)亦可用于特種工程車輛驅(qū)動系統(tǒng)的電氣化改進，為電動拖拉機的整機設計與完善提供理論依據(jù)。

表2　車輛及SRM主要性能匯總Table 2　Main Characteristics of ET, and SRM