电动拖拉机驱动系统设计

张江涛 ,张贺龙 ,黄闯 ,曹现超

摘要：积极研究、开发和利用电动拖拉机，相较于电动汽车，拖拉机在动力输出方面有着自身的特点，除了输出行驶驱动力外还需要提供耕整地、播种等农机作业的动力输出，因此对电动拖拉机驱动系统进行优化设计，实现输出功率的合理分配是一个重点也是难点。电动拖拉机驱动系统设计，需要从系统的角度考虑，分析各个环节，做好各个节点的设计优化，继而保证电动拖拉机驱动能力。

关键词：电动；拖拉机；驱动系统

一、电动拖拉机电驱动系统方案设计

动力源和驱动装置是电动拖拉机与燃油拖拉机的主要区别，纯电动拖拉机具有高效、清洁、无污染等优点。电动拖拉机主要由三部分组成：能源子系统、电驱动传动子系统和辅助子系统。动力能源子系统主要是动力电池及其能量管理和充电系统。动力电池是动力源。它可以通过充电补充能量，为电动拖拉机提供动力能量，通过制动可以回收能量。能量管理和充电系统共同控制电池充电并检测实际用电量。辅助控制子系统一般采用低压铅酸蓄电池作为电源，主要用于主电控系统的自检和初始化以及车辆的快速启动，为电动助力转向、照明、等提供低压电源。电驱动子系统主要由电控软件单元、驱动电机和传动装置组成，它是电动拖拉机底盘的关键部件。

二、电动拖拉机关键部件技术分析

电驱动传动系统和能源系统是电动汽车的两大核心系统，其中核心部件是驱动电机及其控制系统和动力电池。根据其当前技术水平的发展和电动拖拉机的运行特点，合理匹配选型，确定电动拖拉机整机的设计参数，有利于提高整车性能。

电动拖拉机的工作性质不同于电动汽车。除了车辆行走外，它还匹配各种农具来驱动动力输出和工作油泵，用于各种复杂的作业。此外，工作环境不同，电动拖拉机的工作环境较差。因此，对驱动电机的性能要求高于电动汽车。

电动拖拉机驱动电机必须具备以下特点：电动拖拉机作业种类繁多，工况复杂多变，驱动电机必须适应拖拉机作业过程中频繁地启停、加减速。它可以在低速时输出大扭矩。输出转矩与转动惯量之比大，过载能力强，过载系数应达到3～4，瞬时输出功率大，以满足工作过程中负载的突变；调速范围广。拖拉机作业包括运输、耕作、挖沟、施肥等作业。运输作业速度快，可达30～40km/h。挖沟作业速度较慢，速度控制在0.2～0.6km/h。因此，驱动电机必须具有较宽的调速范围和较宽的效率区域。

二、电动拖拉机电驱动系统结构分析

电动拖拉机的电驱动系统包括能量系统、电驱动传动系统和机械传动系统三部分。它是电动汽车的心脏，也是影响电动拖拉机动力性能的重要因素。动力电池是整个电驱动系统的能源。控制器根据电动拖拉机的电压、电流和运行输入信号进行分析计算后，输出适当的指令控制驱动电机，电机驱动机械传动装置实现车轮运行。

2.1 电动拖拉机的电驱动输出特性

对于电动拖拉机的电驱动传动系统，它在恒功率输出范围内具有宽广高效的调速性能，扭矩与车速的关系呈现凹双曲线关系。这种运行特性非常适合驱动拖拉机，使拖拉机在任何速度下都能输出最大功率，保证整机在低速时能发挥很大的牵引力，同时也保证拖拉机能有高速，非常适合电动拖拉机的业务需求。因此，内燃机拖拉机往往设置多种复杂的工作档位，以满足拖拉机各种工作状态的需要。

2.2电动拖拉机电驱动系统设计及总体结构布局

电动拖拉机具有固定作业工况，且车速较低，其额定功率确定原则为满足作业工况对于能耗的需求。由于犁耕作业是电动拖拉机负荷最重的作业， 因此将拖拉机犁耕作业产生的牵引力设置为额定牵引力，驱动电机的额定功率一般为犁耕作业所需功率的 1.1~1.2 倍，峰值功率取额定功率的 1.5~4 倍，

即：式中： PN 为电机额定功率，kW； Pq3 为犁耕作业功率，kW； PNM 为电机峰值功率， kW。

电池组数量设计，动力电池作为电动拖拉机能量存储和供能装置，其电池组数量的确定应遵循两个原则：电池输出功率大于电机最大功率；电池能量满足连续作业时间要求。（1）功率需求：为满足电机最大功率，电池作为供能装置，其输出功率需大于电机峰值：

式中： Pbmax 为蓄电池最大输出功率，kW； Km 为驱动电机控制器效率。
（2）能量需求：电动拖拉机的全部能量由动力电池提供，因此动力电池应满足拖拉机的总能量的需求。总能量应根据该电动拖拉机设计的续航时间来确定，即电池总能量大于额定作业时间所消耗的能量：

式中： Cb 为蓄电池额定容量， A∙h； Vi 为电动拖拉机作业速度， km/h； E0 为电池初始电压， V； TN 为额定作业时间， h； Dη为电池放电深度；KT 为传动系效率。

传动比参数设计，电动拖拉机采用无刷直流电机作为驱动电机，该电机调速范围广，可满足电动拖拉机三种典型工况对于速度和扭矩的要求。变速箱有三个档位，每一个档位对应一个作业工况，一档需满足犁耕作业牵引力、理论工作速度以及爬坡度要求，二档位速比可根据旋耕工况的理论速度计算，三档以设计的最高车速来计算。

三、电动拖拉机作业环境和作业特点

一方面，拖拉机需要为各种作业形式配备各种作业机具，需要配备各种齿轮速度。电动拖拉机能充分发挥和利用零转速、高转矩起动、宽调速特性、驱动电机正反转等优点，依靠驱动电机的调速特性来实现行走无级变速的要求，可以大大简化机械齿轮的设计。另一方面，拖拉机需要输出固定速比的旋转功率，进行液压举升，提供液压输出功能。动力输出和液压驱动油泵需要以相对恒定的速度运行。这样就形成了行走无级变速，动力输出和油泵以恒定速度工作。他们对驱动电机的要求是矛盾的。纵观电动汽车和电动叉车的发展以及目前电动汽车驱动系统的结构形式，根据拖拉机作业环境、作业对象和作业特点，本文在设计电动拖拉机驱动系统结构方案时，参考电动汽车和电动叉车的电动驱动结构形式，确定电动拖拉机的电动驱动传动方式，采用与电动叉车相似的电动驱动传动方式，即：采用双电机驱动形式。一个马达驱动行走，另一个马达驱动动力输出和液压油泵。

四、电动拖拉机行走路线控制

电动拖拉机行走传动路线主要包括牵引电机、电机控制器、减速箱、驱动桥、制动器等。牵引电机通过减速箱将动力传递给驱动桥，驱动车轮。去掉了传统的离合器，简化了多齿轮机械传动装置，压缩了整机的整体尺寸，减轻了整机的重量，充分发挥和利用了零转速、高转矩起动、宽调速特性的优点，电机正反转，既具有节能的效果，又能实现电流无级变速，电机反向旋转和车辆反向。动力输出和液压油泵的传动路线主要包括工作电机和控制器、减速机、动力输出、液压油泵等，减速后工作电机分别将功率传递给动力输出和液压油泵，为动力输出和液压油泵提供动力。

结束语

积极研究、开发和利用电动拖拉机，相较于电动汽车，拖拉机输出方面有着自身的特点，除了输出行驶驱动力外还需要提供耕整地、播种等农机作业的动力输出，因此对于电动拖拉机驱动系统设计方面是一个难点。电动拖拉机驱动系统设计，需要从系统的角度考虑，分析各个环节，做好各个节点的设计优化，继而保证电动拖拉机驱动能力，为实现“双碳”目标在农业生产领域的进一步推进提供助力。

参考文献

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