混合動力玉米收割機可行性分析及應用

李明

摘 要：對目前國內玉米收割機進行調研，目前玉米收割機仍然采用傳統內燃機驅動。在目前提倡環保節能的大趨勢下，研發一種采用混合動力驅動的玉米收割機勢在必行。采用混合動力系統驅動，可以大大降低玉米收割機在作業時的廢氣排放量，避免傳統內燃機驅動系統復雜的機械液壓傳動結構，從而提高傳動效率，降低損耗?；靹酉到y可以使搭載的內燃機最大限度地工作在高效率燃燒區間。

關鍵詞：混合動力玉米收割機；新能源；節能減排；效率提升

中圖分類號：S225 文獻標志碼：A

0 前言

目前玉米收割機仍然采用傳統內燃機驅動。在排放法規越來越嚴格的今天、在目前提倡環保節能的大趨勢下，研發一種采用混合動力驅動的玉米收割機勢在必行。采用混合動力系統驅動，可以大大降低玉米收割機在作業時的廢氣排放量、減少燃油消耗，避免傳統內燃機驅動系統復雜的機械液壓傳動結構，從而提高傳動效率，降低損耗?；靹酉到y可以最大限度地發揮電傳動的效率，使用電動機驅動各系統協調運轉，使用電纜將動力傳輸到各系統，省去復雜的機械及液壓傳動結構。不僅提高傳動效率，而且能夠降低故障率、提高整機穩定性。電傳動也更利于各系統的參數調節，方便各系統的參數標定，更利于布置傳感器檢測各系統的工作狀態?；靹酉到y可以使搭載的內燃機最大限度地工作在高效率燃燒區間。通過能量回收、太陽能電池板發電、內燃機高燃效運轉發電三者結合，達到節能減排的效果。

1 燃油驅動玉米收割機系統分析

由于玉米收割機機體龐大，功能模塊較多，因此采用單一燃油驅動發動機作為動力系統，就需要將動力分散傳遞到各功能模塊。對于傳統機械傳動來說，無非是采用鏈條、皮帶或傳動軸的方式，這樣帶來的問題就是傳動機構異常復雜，鏈條鏈輪層層疊疊，傳動軸縱橫交錯。不僅給設計、制造帶來麻煩，而且給用戶的日常維修保養帶來不小的困難，一臺玉米機一個工作周期內需要保養和涂抹潤滑油的位置多達近百處。為避免傳動沖擊采用皮帶傳動的機構，更是由于皮帶壽命相對較短，每個作業季都需要更換皮帶。在某些極端條件下，一些大功率傳遞動力的皮帶輪甚至有將皮帶燒毀導致停機的情況。

近些年逐漸發展起來的全液壓驅動玉米收割機，使整體玉米收割機傳動系統復雜程度有所降低，但是液壓傳動效率較低，容易發熱，各功能模塊之間距離較遠，液壓管路過長且管徑受到限制造成傳動效率低。特別是行走系統需要傳遞的功率很大，需要大功率液壓泵和液壓馬達且采用高壓傳遞，因此對液壓元件要求高，成本高。由于整車液壓傳動系統龐大，因此需要的液壓油數量很多，且每個作業季都需要更換，對于使用成本影響很大。

此混動系統中，裝有一臺發電機，一臺行走系統驅動電機和其余8個主要功能模塊的驅動電機，除此之外，還有一臺4.0L阿特金森循環渦輪增壓缸內直噴燃油發動機、電動CVT變速箱和為電動機提供能量的動力電池組成。特殊說明一下，發電機和行走系統驅動電機內置于電動CVT變速箱內部。

發電機最大發電功率達到250kW。

行走系統驅動電機最大功率100kW，最大扭矩500Nm。

其余電動機最大耗電功率約為110kW。

車輛的電池組采用最新的錳氫氣電池組，電池組容量為300kWh。錳氫氣電池具有高倍率的放電電流100mA/cm2，大于1萬次的穩定充電放電循環，以及較高的質量能量密度139Wh/kg和體積能量密度210Wh/L。

這套混合動力系統具備3種不同的動力輸出模式，分別是純電機驅動模式、混合動力驅動模式以及發動機驅動模式，根據不同的工況，自動切換動力輸出模式，達到最佳的燃油利用率。

純電驅動模式：此時車輛僅依靠電動機強勁動力實現驅動，發動機和發電機此時處于關閉狀態。當電池組為滿電狀態時，可維持此模式工作1h左右。此為極限測試狀態，實際使用時，當電池組電量下降到某一數值，發動機會強制介入，帶動發電機提供電能。

混合動力驅動模式：在混合動力驅動模式下，發動機啟動帶動發電機來獲取電能，高燃效的燃油發動機通過電動CVT變速箱與發電機連接，將動力傳遞給發電機進行發電。發電機發出的電能通過電纜和PCU（功率控制單元）輸送給玉米機各功能模塊的電動機，驅動電動機運轉。另外加上電池的電能可以讓電動機產生最大動力。利于玉米收獲機行走于松軟的土地和利于脫困時的大動力需求。當然發電機發出的多余電能、能量回收的電能、太陽能電池板發出的電能均存入電池組，需要使用時均傳輸到各模塊的電動機使用。此時的發動機不參與驅動，玉米機依然依靠電動機來驅動行駛，和各模塊工作。

發動機驅動模式：實際上這套混合動力系統，發動機直接驅動的情況非常少。當玉米收割機完成田間作業，準備專場去下一個作業區域時，專場路況良好，車輛勻速行駛，所有其他工作模塊關閉，并且恰好此時發動機處于最佳燃效轉速區間時，電動CVT變速箱將發動機與行走驅動橋直連，實現發動機驅動。由于傳動結構簡單，因此系統傳動效率非常高。當系統檢測到發動機并未處于最佳燃效區間時，將自動切換為混合動力驅動模式。

這種混合動力的結構，燃油發動機將由行車電腦控制，驅動混合動力模塊（如圖1所示）使其一直工作在高燃效轉速區間驅動發電機進行發電，產生的電能用于驅動各部分運行。這樣就避免了復雜的機械傳動系統，避免了故障率和傳動效率低的液壓驅動系統，減少液壓油的使用。降低日常使用的成本。動能回收系統可以回收制動系統浪費的動能、玉米收割機其他功能模塊需要頻繁變速時損失的動能等。太陽能電池板也能夠輔助提供一部分電能。以上能量均由電池組存儲，在需要的時候驅動玉米機各系統運行。

此混合動力系統也將采用插電式混動形式，可以在空閑時進行充電操作。混合動力玉米收割機混動系統原理（如圖1所示），此系統將進一步減少內燃機的使用率，達到最大限度的節能減排效果。

2 結論

插電式混動玉米收割機將改變農用機械高能耗高污染低技術含量的現狀。未來如果電池技術還沒有質的飛躍，純電動玉米收割機則無法滿足實際作業中連續集中高強度的使用要求，因此要高效利用石油資源高能源密度的特點，集高燃效內燃機、動能回收、太陽能發電及插電功能于一身，在不影響實用性和續航能力的前提下最大限度地降低農機對石油的依賴，更加高效地利用石油資源，減少排放。簡化玉米收割機這種復雜農機的系統結構，降低使用成本。

參考文獻

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