小型纯电动田间转运车设计

李明生，叶 进，王留步，杨 仕，曾百功，柳 剑

(西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

0 引言

以内燃机为动力的传统车辆面临着能源枯竭和环境污染两大难题，为保护人类赖以生存的自然环境、保持社会的可持续发展，世界各国开始寻求开发低排放、综合利用能源的新型车辆，纯电动车辆日渐成为研究的热点[1]。

丘陵山地运输机械是一种介于汽车和拖拉机之间的运输机械，适于短距离、载重不大的缓坡作业，对于提高丘陵山地机械化水平、降低劳动强度具有重要意义。目前，国内丘陵山地运输机械仍以传统内燃机作为动力源，如新疆机械研究院研制的LG-1型多功能果园作业机[2]、河北农业大学设计的多用型的果园作业平台[3]、浙江省农业机械研究院研制的小型化履带式手扶田间作业机[4]，以及西北农林科技大学研制的液压驱动型多功能果园作业机[5]等。

随着电机技术尤其是低速大扭矩电机技术的不断进步和日趋成熟，电动农业装备的发展具备了坚实的基础条件。为解决传统内燃机带来的问题，设计了一款小型纯电动田间转运车，对关键部件进行设计选型，并进行了仿真和实车试验验证。

1 总体设计

设计小型纯电动田间转运车主要由动力电池、驱动电机、机械传动系统及车厢等构成，如图1所示。动力电池为整体提供能量，机械传动系统将驱动电机的转矩传输到驱动轴，进而带动驱动轮驱动履带行驶。使用驱动电机进行调速以简化机械传动机构，同时驱动电机能带载启动以省去传统车辆的离合器，使结构更加紧凑。

图1 田间转运车整车布局示意图Fig.1 Schematic diagram of the field transfer vehicle

电动田间转运车整车模型如图2所示。直线行驶时，转动加速把手，霍尔元件把加速把手转动的角度转换成控制信号，该信号被控制器所接受，进而控制驱动电机的转速，实现行驶速度的调节；转向时，差速器与左、右制动系统共同作用，通过抱死左侧驱动轮或右侧驱动轮来实现左转向或右转向；两侧驱动轮同时抱死来实现整车制动。

2 关键部件设计

2.1 可扩展式车厢设计

根据果园运输车的工作要求，设计车厢为可扩展式，如图3所示。在正常工作状态下，车厢设计为可容纳4个标准果框；当需要增加装载量时，车厢向外扩展，可容纳6个标准果框。标准果筐长宽高为530mm×390mm×230mm，以此为基准，设计田间转运车的总体参数如表1所示。

图2 电动田间转运车整车模型Fig.2 Model of the field transfer vehicle

图3 可扩展式车厢Fig.3 Extendable carriage表1 田间转运车基本参数Table 1 Basic parameters of the field transfer vehicle

名称单位参数值长×宽×高mm2160×910×1240整备质量kg250最大载重kg300最大续航里程km30前后轴距mm1200驱动轮半径mm100履带接地长度mm920低速挡最大爬坡度(°)25高速/低速km/h4.5/2.0

2.2 驱动电机性能参数计算及选型

驱动电机除满足整车动力性能和经济性能要求外，还需适应车辆行驶时的变速和频繁启停要求[6]。因此，所选用的驱动电机应具有以下特性：大启动力矩、强短时过载能力、宽调速范围、高能量转换效率和快速响应。

1)驱动电机最大功率计算。驱动电机的最大功率应同时满足田间转运车在满载最高车速和最大坡度爬坡工况下的功率需求。田间转运车所需功率计算公式为

(1)

式中ηt—系数，ηt=0.92；

ηLv—系数，ηLv=0.90；

v—行驶速度(m/s)。

牵引力FK计算公式为

FK=mgfcosα+jmg+mgsinα

(2)

式中m—满载时人机物总质量(kg)，m=625;

g—重力加速度(N/kg)，g=9.8；

f—履带滚动阻力系数，f=0.06；

α—坡度(°)；

j—惯性阻力系数，j=0.01。

当田间转运车在平直路面以最高车速vm=4.2km/h行驶时，坡度α=0°，此时所需功率P1为

(3)

当田间转运车在低速vi=2.0km/h行驶，坡度α=25°，此时所需功率P2为

(4)

综上可得，所选用驱动电机功率应不低于2.0kW。

2)驱动电机额定转速选择。按照转速范围分类，驱动电机可以分为低速电动机、中速电动机和高速电动机。其中，低速电机按转速分4级，如表2所示。

表2 低速电机转速等级Table 2 Speed level of low speed motor

电动田间转运车行驶速度较低，为简化传动系统，选用10级低速电机。

3)驱动电机选型。常见的驱动电机有直流电机、交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机等[7]。永磁无刷直流电机保持了有刷直流电机优良控制特性且克服了其弊端，具有调速范围宽、调速平滑、启动力矩大、效率高、免维护及寿命长等优点。为此，选择永磁无刷直流电机作为田间转运车的驱动电机，其基本参数如表3所示。

表3 驱动电机基本参数Table 3 The driving motor basic parameters

2.3 动力电池计算及选型

本文使用等速法，即根据田间转运车半载等速vb=3.6km/h行驶时的续航里程计算动力电池组的容量，此时田间转运车总质量mh=475kg。

1)动力电池功率计算。根据驱动电机的额定电压，确定电池组电压为72V。根据式(4)，考虑电池放电效率ηd1、驱动电机及控制器的运行效率ηd2均为90%，计算所需动力电池的功率Pl为

(5)

2)动力电池容量计算。根据续航里程，计算所需动力电池组的总容量C为

(6)

式中L—续航里程(km)，L=30；

U—动力电池组电压(V)，U=72；

ηmc—动力电池放电深度(%)，ηmc=90。

3)动力电池选型。目前，电动车辆上常用的动力电池主要有铅酸电池、镍基电池、锂基电池和超级电容等类型[8]。铅酸电池技术较为成熟、制造成本低、性能稳定、性价比高，适用于大功率起动，能以3～5倍甚至10倍的倍率放电。为此，选择6-EVF-32铅酸电池为动力电池，其参数和连接方式如表4所示。

表4 动力电池参数Table 4 Power batteries parameters

2.4 传动系统传动比计算

传动系统的最小传动比imin是变速器高挡传动比和主减速器传动比的乘积，由驱动电机转速和田间转运车最高车速决定；传动系统的最大传动比imax是变速器的低挡传动比与主减速器传动比的乘积，由驱动电机的输出转矩和田间转运车最大爬坡度决定。

1)最大传动比计算。根据最大爬坡度和路面附着情况计算田间转运车的最大传动比为

(7)

式中T—驱动电机额定扭矩(N·m)，T=38.2。

2)最小传动比计算。根据最高车速和驱动电机最高转速计算田间转运车的最小传动比，则有

(8)

式中nmax—驱动电机最高转速(r/min)，nmax=600。

最终确定电动田间转运车各挡传动比和车速如表5所示。

表5 各挡传动比、车速Table 5 The transmission ratio and vehicle speed

3 性能仿真试验

在Cruise仿真软件中对田间转运车进行建模，模型各子模块包括整车模块、车轮模块、电池模块、制动器模块、驱动电机模块、差速器模块、主减速器模块、变速器模块、驾驶室模块、防滑模块、法兰模块、函数模块、在线监控模块、常量模块，以及各控制器模块等。

3.1 最高车速仿真

将上文所述有关设计参数输入到所建立的Cruise模型中，仿真得到电动田间转运车最高车速如图4所示。

图4 加速时间及最高车速仿真Fig.4 The acceleration time and maximum speed

仿真结果显示：田间转运车的最高车速为4.54km/h，略低于理论最高车速4.60km/h。这是由于理论计算最高车速时并未考虑驱动电机的转矩输出问题，驱动电机输出转矩时，其转速要低于空载转速，因此实际最高车速要低于理论最高车速。

3.2 最大爬坡度仿真

仿真得到电动田间转运车最大爬坡度，如图5所示。

图5 最大爬坡性能仿真Fig.5 The results of climbing performance

仿真结果显示：电动田间转运车在满载时低速挡最大爬坡度为116.66%(49.40°)；满载时高速挡最大爬坡度值为50%(26.57°)，均满足25°的最大爬坡度要求。

3.3 最大续航里程仿真

设置电动田间转运车半载，以常用车速3.6km/h等速行驶，动力电池SOC开始值设置为95%，剩余值设置为5%。仿真结果显示：电动田间转运车一次充电续航里程为30.72km，满足设计要求。

4 实车试验

为检验所设计电动田间转运车的性能，于2017年12月在西南大学国家与地方联合共建智能传动重点实验室的试验平台对其进行测试，如图6所示。

图6 电动田间转运车性能试验Fig.6 Performance test of electric field transporter

4.1 最高车速试验

根据《载重型电动三轮车通用技术条件》试验方法，在试验区域设置50m的测试区间，田间转运车以最高车速通过测试区间，用秒表记录田间转运车通过测试区域的时间，测量4次，分别得到田间转运车在在空载、半载、满载等3种载荷状态下的最高车速，如表6所示。

表6 田间转运车最高车速Table 6 Maximum speeds of field transporter km/h

由表6可知：电动田间转运车在不同载荷下的最高车速均大于4.38km/h，满足设计要求。随着载荷增大，驱动电机需要输出更大的转矩，驱动电机最高转速降低，电动田间转运车最高车速降低。

4.2 爬坡性能试验

在25°标准试验坡道上，分4次测试低速挡下电动田间转运车在空载、半载和满载时通过10m坡道的时间，如表7所示。

表7 田间转运车爬坡时间Table 7 Climbing time of the field transporter s

由表7可知：电动田间转运车在各载荷下均能满足25°爬坡度要求；随着载荷增大，驱动电机转速降低，电动田间转运车的爬坡时间增加。

5 结论

设计了一种小型纯电动田间转运车，进行了整体方案设计，通过理论计算对关键部件进行了选型。在Cruise中建立所设计的纯电动田间转运车模型并进行性能仿真分析，仿真结果表明：最高车速为4.54km/h；满载时低速挡最大爬坡度为49.40°，高速挡最大爬坡度值为26.57°；半载以常用车速3.6km/h等速行驶时的最大续航里程为30.72km。实车试验表明：电动田间转运车在不同载荷下的最高车速均大于4.38km/h，能满足不同载荷下的25°爬坡度要求。