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构架混合动力拖拉机动力系统设计及参数匹配计算研究魏明亮，席德翔，董东升，王蕊，隆武强，田华（智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ；大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 ；洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 ）摘要：拖拉机是从事农业生产活动必不可少的工具，而传统拖拉机存在油耗与排放较高等问题，研究表明开展农用混合动力拖拉机动力系统研究可以有效改善拖拉机的燃油经济性和排放。拖拉机具有作业模式多样、作业时发动机负荷高、作业地面环境复杂引起负荷变化范围大等特点。因此，基于拖拉机作业模式特点和功率范围特征开展混合动力拖拉机系统设计十分必要。本研究针对一款中型拖拉机，分析其作业特点和功率需求，设计了一种并联式 构架的拖拉机混合动力系统，并对混合动力系统的发动机、电动机、电池等主要参数进行了匹配计算。计算表明在犁耕作业模式下，发动机固定在高效率工作点与作业时功率需求有关；电动机功率与混合度、发动机作业时的功率有关，随混合度的增大而增大；电池容量与纯电续航、混合度有关，随纯电续航时间和混合度的增大而增大。关键词：混合动力；拖拉机；驱动系统；参数匹配中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；在农业领域，拖拉机被广泛应用，是农业生产活动中不可或缺的设备。随着技术的发展和排放法规越来越严格，拖拉机的传统动力系统效率较低、排放较高的问题越来越突出，使用的能源和环境成本高。因此，开展混合动力拖拉机、电动拖拉机等新能源拖拉机的技术开发来提升效率、降低排放已经成为行业发展的趋势 。混合动力拖拉机使用柴油发动机和电动机的组收稿日期：基金项目：拖拉机动力系统国家重点实验室开放基金（）第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，合提供动力 。当柴油发动机需要额外的动力时，电动机会为其提供帮助，从而降低油耗和排放 。此外，电动机可以自行运行，尤其是在执行需要低功率的任务时，从而实现更低的排放。混合动力拖拉机的优点很多，包括油耗低、排放水平低和维护要求低。混合动力拖拉机的低排放和更好的效率意味着它们可以在有严格环境法规和限制的地区运行。此外，与传统拖拉机相比，由于其燃油效率和流线型系统设计，降低了运行成本 。运用混合动力技术，将燃油动力与电池技术相结合，提高了拖拉机的燃油经济性和耗能效率，降低了噪音和排放，有助于提高农业生产的可持续性和绿色发展 。除了环境和经济效益外，混合动力拖拉机还提供了优于传统拖拉机的动力和控制。电动机为车轮或机具提供即时精确的扭矩，从而实现更精确的控制、更快的响应和更高效的操作 。全球最大的农业设备制造商 推出了 系列混合动力拖拉机，与传统拖拉机相比，该拖拉机的燃油节约高达 。此外，系列拖拉机配备了 动力换档变速器，可将油耗额外降低 。公司是一家领先的农业机械制造商，旗下品牌包括 、和 ，该公司也对降低排放和电力成本的混合动力技术表现出了浓厚的兴趣。该公司已经在各种条件下对其混合动力拖拉机进行了测试，并报告称排放量和油耗显著减少了 。拖拉机混合动力系统构架主要有串联式、并联式和混联式三种 ，其中并联式和混联式混合动力系统中发动机和电机都可以独立灵活控制提供动力 。且电机的快速响应性的特点可以充分发挥。本研究针对拖拉机工作特点，围绕一款中型拖拉机开展混合动力技术构架研究，选定了并联式混合动力系统构架作为研究对象，拖拉机以发动机和电动机作为动力源，两者可单独或共同为整车提供动力。开展发动机高效工作点选配、电动机和电池的性能参数匹配计算与匹配，为整车系统仿真提供基础参数。拖拉机整车参数和动力性指标要求拖拉机混合动力系统的设计需要了解整车的设计参数，主要包括整车质量、车轮半径等；需要满足整车的性能指标，主要包括最高车速、爬坡度和最大作业功率等。拖拉机整车参数和动力性指标如表 所示。表 整车的基本参数和动力性指标 参数数值迎风面积 最大使用质量 最小使用质量 车轮半径 最高车速（）最低车速（）爬坡度 额定牵引功率 连续作业时长 拖拉机混合动力系统构架设计拖拉机混合动力系统的设计需要结合作业工况的特点，拖拉机作业功率输出主要包括牵引作业和 输出作业两大类，牵引作业常用工作模式为犁耕作业，输出作业常用工作模式代表为旋耕作业。为了更好地分析作业功率需求，采用拖拉机实地作业的方法获取了犁耕作业的瞬态功率，其中犁耕作业功率和油耗随作业时间的瞬态变化如图 所示。拖拉机作业时功率变化呈现梯形的特点，主要是因为拖拉机作业时存在田间地头掉头作业的特点，即作业 掉头 作业，且存在掉头和作业模式下的功率需求相差巨大。犁耕作业时间段内，功率需求也存在较大变化，功率需求在 之间持续变化，这主要是由于田间地块的平整度不同导致功率需求的不断变化。而功率需求持续变化的特点也导致发动机负荷的变化，这不利于发动机燃油消耗和排放的降低，同时对发动机的瞬态响应提出了更高的要求。而电动机具有瞬态响应快的特点，这就为采用混合动力技术来提高拖拉机性能提供了可能。图 拖拉机犁耕作业瞬态功率和油耗 结合以上分析，设计了一种拖拉机并联式混合动力系统，系统构架如图 所示。采用并联 构架，主要包括发动机、电机、动力电池、电机控制器、动力耦合器等。发动机和电动机都可以单独驱动拖拖拉机与农用运输车第 期 年 月拉机行走，转场模式下采用纯电驱动，犁耕作业模式下发动机和电动机共同驱动作业。犁耕作业时，发动机负荷固定不变，保持在高效率工作点 ，电动机兼具驱动和发电的功能，犁耕作业功率需求大于 时，动力电池放电，电机提供额外功率来补足功率需求；牵引作业功率需求小于 和掉头时，电机作为发电机发电吸收多余功率储存在动力电池中。图 并联式混合动力拖拉机构架 图 牵引作业功率分配 关键部件性能参数匹配计算 发动机参数的确定发动机功率的确定是混合动力系统参数匹配的关键部分，发动机功率是由最高车速、牵引作业下发动机分配功率和爬坡度决定的。（）根据最高车速要求确定最大功率拖拉机以最高速行驶时，要求的最大功率为 ()（）式中，传动系统总效率 ，重力加速度 ，滚动阻力系数 ，半载质量 。根据最高车速 的设计要求，计算可得 。（）根据牵引作业最大功率确定发动机最大功率拖拉机在犁耕作业时所需最大功率 ，混合度 ，故最大牵引功率下发动机所需功率为 （）（）可得 。（）根据爬坡度确定汽车的最大功率拖拉机以最低车速 沿斜爬坡向上行驶，假设所受空气阻力和加速阻力为 ，此时所需要的最大功率为 （）（）（）其中 是 时的最大爬坡度，且 ；为拖拉机的最大使用质量，且 ，将数值代入上式，经计算可得 。在 、中选取最大的一个，记为 ，由上面计算可知，。电动机参数的确定（）根据并联式混合动力拖拉机纯电动转场模式下最高车速确定电动机峰值功率 ()（）其中，经过计算，可得 。（）混合驱动时电机最大功率（）其中 为拖拉机最大牵引功率，混合度 ，计算得 。电动机功率选取 、两者最大值，故电动机功率 。电池组参数的确定动力电池是并联式混合动力拖拉机动力系统的重要组成部分，在转场和作业过程中，动力电池组充电、放电频率较高，有必要把因制动接收的再生能量转换为电能存储起来。作为混合动力拖拉机动力源的电池组，应具有较高的比功率和比能量，因此储能装置不能太大，也不能过重。首先确定电池容量，假设拖拉机牵引作业时，作业时间为 时所需蓄电池总能量为 （）其中 为牵引作业功率，；为混合度。接下来确定电池总容量 （）式中，为动力电池放电深度，根据已经确定的电机的电压等级，选取 为蓄电池的电压等级，计算得电池容量 。选择单体容量为 的电池，则电池单体数量（）（下转第 页）魏明亮等：构架混合动力拖拉机动力系统设计及参数匹配计算研究图 启动过程监控（侧）（）试验小结通过上述方案的设计、验证和过程监控，最终对各项数据分析和对比，该方案具备以下优越性：（）启动方式相比传统动方式，取消了启动机装置，低压蓄电池的设计容量大幅减少，整体制造成本降低；（）整机启动方式更加智能化，该方法相较于传统动方式（主要通过 控制）增加了整车控制器（）的参与，启动过程可根据车辆状态（环境温度差异、发动机工作模式等），通过 的自适应策略控制发电机的转速和转矩，克服启动阻力，实现发动机的启动。（）启动效率提高，试验结果显示，发动机的启动时间更短和效果更加优异。（）整机能量转化效率更高，启动过程通过标定发动机和整机参数，能使能量转换效率更高。同时，本次试验在较少温度平台上进行，需在更多的温度平台上对发动机和整车控制器进行标定，持续优化不同温度平台下发动机的各项参数以及整车控制器的启动功率，最终达到更节能和高效。结束语通过该型混合动力拖拉机启动方案的设计、实施和最终的实验验证，对拖拉机启动过程的相关部件工作方式和工作特性做了简单梳理，同时对不同方案进行了对比总结。整体而言该方案具有较好的效果和参考意义，顺利完成整机启动的同时，改善了整机的常温，尤其是低温冷启动特性，为项目后续开展和优化奠定基础。参考文献：，柴油机启动性能试验方法 ，业拖拉机 试验规程 第 部分：低温启动 （编辑张晓超）作者简介：薛占坡（），男，主要从事新能源拖拉机及电气控制研发设计工作檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷。（上接第 页）代入数据后，经过计算可得电池的数量为 块，由于计算结果为理论值，考虑到计算带来的偏差和理 论值偏小的实际情况，可将电池数量设为 块。结论本文根据拖拉机作业模式和工作特点分析获取了混合动力拖拉机的设计需求，设计了并联 构架作为研究对象，通过理论分析和计算明确了并联式混合动力拖拉机基本参数与设计目标，进行了混合动力系统动力参数匹配和计算，确定了动力系统中各个部件主要参数。为下一步拖拉机混合动力系统的仿真和试验测试提供了基础。参考文献：黄安琪，张群立，张艳杰，等 混合动力拖拉机技术研究进展 电气传动，（）：胡慧民，王春雷，王万运，等 混合动力柴油机在拖拉机上的应用 湖南农业大学学报，（）：吕岩峰，裴桂香，杨文静，等 基于 的混合动力同步发电系统电控策略分析 电力系统保护与控制，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：（编辑张晓超）作者简介：魏明亮，男，本科，主要研究方向为农用柴油机的设计与研发。通讯作者：董东升（），男，助理研究员，主要研究方向为发动机燃烧与排放、混合动力系统。拖拉机与农用运输车第 期 年 月