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T/CAAMMXXXX—202X/T/NJXXXX—202X

混合動力拖拉機驅動系統設計技術規范

TechnicalspecificationfordesignofHybridTractorPowertrainSystem

202X-XX-XX發布202X-XX-XX實施

發布

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混合動力拖拉機驅動系統設計技術規范

1范圍

本文件規定了規定混合動力拖拉機驅動系統相關的術語和定義、范圍、一般要求、設計規范等內容。

本文件適用于混合動力拖拉機。

2規范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期的對應版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文

件。

GB/T6960.2拖拉機術語第2部分：傳動系

GB/T1147.2中小功率內燃機第2部分：試驗方法

JB/T9827拖拉機傳動箱技術條件

JB/T6697機動車及內燃機電氣設備基本技術條件

GB/T24643拖拉機機組田間作業耗油量

HJ1014非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求

GB16151農業機械運行安全技術條件

GB/T24648拖拉機可靠性考核

3串聯混合動力拖拉機驅動系設計與計算方法

3.1驅動系設計

3.1.1傳動方案

圖1為本文所采用串聯式混合動力拖拉機驅動系傳動方案，主要由發動機、發電機、蓄電池、電耦

合裝置、牽引電動機、電動機控制器、變速器和后橋等組成。圖2為驅動系統功率流示意圖，柴油機/發

電機作為主能源，蓄電池組作為輔助能源，2路功率流通過由整流器及DC-DC變換器組成的電耦合裝

置進行匯流。拖拉機動力總成由能源系統提供電能，通過電機控制器調整牽引電動機的輸出特性，控制

其正向或反向運轉。拖拉機工作時，根據農業工程學報2014年12運行模式及控制策略調整其能源方

案；不工作時，通過充電器由電網向蓄電池組進行充電。

1.發動機Engine2.發電機Generator3.電力耦合器Electriccoupler4.蓄電池組Storagebattery5.電機

控制器Motorcontroller6.牽引電動機Tractionmotor7.變速器Gearbox8.中央傳動Centraltransmission

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圖1串聯混合動力拖拉機驅動系統結構

Fig.1Structureofserieshybridelectrictractor

圖2串聯混合動力拖拉機功率流

Fig.2Powerflowofserieshybridelectrictractor

3.1.2額定牽引力

拖拉機工作時，其驅動力需克服拖拉機本身滾動阻力以及其他行駛阻力，才能進行作業。如圖3所

示，拖拉機作業時其驅動力與各種阻力的平衡關系為：

=++++(1)

????????????

式中：為驅動力，；為耕作阻力，????????????????????????????；????????為滾動阻????????????????????力，；為坡度阻力，；為空

氣阻力，????????????；為加速阻力，????????????????。????????????????????????????????????????????????????

拖拉機額定牽引力，通常由其主要配套農機具在常用工作條件下的平均牽引阻力（耕作阻力）

????????????????????????

來確定，考慮其工作條件及農具性能變化所引起的阻力變化因素，應留有10%～20%的儲備。在農業

????????????

生產中，犁耕是最基本且負載較大的作業，額定牽引力的確定，首先應滿足犁耕工況的要求。拖拉機犁

????????

耕牽引力為：

=?(2)

????????????

式中：為犁鏵個數；為單個犁鏵寬度，cm；為耕深，cm；為土壤比阻，/。

???????????????????????????????????

拖拉機額定牽引力為：2

?????????????????????????????????????

=(1.1~1.2)(3)

????????????????????????

注：為拖拉機前軸到重心距離，m；為后軸到重心距離，m；為后軸到農具理論受力點距離，m；

為重心高度，m；為前輪半徑，m；為后輪半徑，m。

????????????

Note:aisthedistancebetweentractor’sfrontaxleanditsbarycenter,m;bisthedistancebetweentractor’s

?????????????????

rearaxleanditsbarycenter,m;cisthedistancesbetweentractor’srearaxleandimplement’sforcebearingpoint,

m;histheheightofbarycenter,m;Rfistheradiusoffrontwheel,m;Rristheradiusofrearwheel,m.

圖3拖拉機牽引機組作業受力示意圖

Fig.3Sketchofwheeledtractorworkingwithimplement

3.1.3牽引電動機功率

串聯混合動力拖拉機牽引功率應滿足額定牽引力的要求。牽引電動機在低轉速范圍內具有恒轉矩特

性，在高轉速范圍內具有恒功率特性。針對串聯混合動力拖拉機，利用其牽引電動機低轉速時的恒轉矩

特性，以拖拉機進行犁耕作業時的最大設定速度作為確定牽引電動機恒轉矩工況最大轉速的設定依據。牽

引電動機功率應滿足拖拉機犁耕作業時所需的額定牽引力，即：

3.6(4)

=

????????????????????

式中：為牽引電動機功率，；為拖拉機耕作速度，????????????/；為牽引效率。

????????

由式（4）計算出牽引電動機的功率，在產品目錄上選擇合適的電動機，其額定功率應滿足：

?????????????????????????????????????????

????????????????????

(5)

?????????????????????

3.1.4發動機/發電機功率

發動機/發電機組是混合動力拖拉機主要供能單元，其在拖拉機正常工作時不僅需要產生供給牽引電

動機的功率，還需產生附加功率以承載非牽引、連續的輔助功率，如機載GPS、照明設備、車內負載、

通信設備、電子系統以及輔助設備（如風冷風扇等）所需的功率，估算這部分功率需求為3～15。同

時發動機/發電機組還需提供驅動液壓懸掛裝置的功率，并需要在蓄電池組的SOC（stateofcharge）降低時

????????

根據控制策略對其進行充電。因此發動機/發電機的額定功率設計值為：

()(6)

=????????

????????

????+????????+3～15

式中：為輸電效率；為驅動液壓懸掛裝置所需????????????功率，????????；為懸掛系統效率。

3.1.5變速器排擋設置

????????????????????????????????

按照拖拉機用途不同，將其工作方式分為作業模式和行駛模式2種。當拖拉機處于作業模式時，利

用牽引電動機低轉速時的恒轉矩特性進行工作；當拖拉機處于行駛模式時，利用牽引電動機高轉速時的

恒功率特性進行工作，使其具有較大的車速變化范圍。因此，應根據拖拉機不同工況下的負荷大小進行

變速器排擋設置。根據拖拉機負荷率的不同，其作業模式分為3種：100%負荷率時的重載模式、85%負

荷率時的中載模式、70%負荷率時的輕載模式。本文所述裝機對象設置4個排擋，即按照拖拉機作業模式

不同的3個作業模式擋和一個以55%負荷率為設定值的行駛模式擋。在牽引電動機達到額定轉速時有：

.

=100%=(7)

36?????1?????1

1????????T

?????????.????

=85%=(8)

36?????2?????2

2????????T

?????????.????

=70%=

(9)

36?????3?????3

3????????T

?????????.????

=55%=(10)

36?????4?????4

4????????

式中：為各擋負荷，；????為各擋負載阻力，?????????T；為各擋行駛速度，/。

由于拖拉機行駛速度變化較緩，可假設在各擋位下工作時的拖拉機均以一擋（本文定義為基本工作擋）

????1～????4????????????1～????4????????????1～????4?????????

時的額定轉速作為參照值，那么在某一時刻，電動機輸出轉速、轉矩與功率之間存在下列關系：

(11)

=9550

????????

式中：為擋時變速器輸出端的最大轉矩，????????N·m；為電動機輸出功率，kW；為一擋額定轉

????1

速，r/min。

????????????????????????1

則第n擋傳動比in為：

=(12)

????1

式中：ξ為配比系數。????????????

????????

3.1.6能量存儲裝置功率和能量設計

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鑒于拖拉機實際作業時會出現負載突變，為了保證混合動力拖拉機正常作業，本文使用蓄電池組補

充負載突變所需的峰值功率，可表示為：(13)

????????????=

????????

式中：為某擋位標定負荷率下的輸入功率，????????????kW；?????????為負載突變時所需牽引功率，????kW。

?????????????????

對于本文所述混合動力拖拉機而言，其蓄電池的功率為：

????????????????????(14)

15%

????????

取鋰電池的比能量/比功率為0.1h，可得鋰電池組的能量容量為：

???????????????????????????????????

=0.1(15)

3.1.7質量參數設計

????????????????

最大使用質量應使所設計的拖拉機在所屬工況下工作時，滑轉率不超過規定值的情況下發揮

出額定牽引力，即：

????????????????????

=(16)

????????????

式中：為滑轉率為規定值時的附著系數；????????????????????為動態質量分配系數；為滾動阻力系數。在對發電