國內(nèi)電動拖拉機(jī)研究現(xiàn)狀

邴 坤，劉元義，宋發(fā)成，張晟昊，胥 備，于圣杰

（1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255049；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049）

0 引言

電動拖拉機(jī)相對于傳統(tǒng)拖拉機(jī)來說有著不可比擬的優(yōu)勢。電動拖拉機(jī)相對于傳統(tǒng)拖拉機(jī)最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是污染極小，而且因?yàn)椴捎秒妱訖C(jī)，拖拉機(jī)整車的噪音和振動也同樣會大大減小，更有利于駕駛員擁有舒適的駕駛體驗(yàn)，摒棄了傳統(tǒng)拖拉機(jī)的油箱、空氣濾清器、排氣裝置等，可能帶來拖拉機(jī)整體結(jié)構(gòu)的巨大改進(jìn)；可以更為方便的布置操縱系統(tǒng)，采用電動機(jī)可以更為方便的輸出拖拉機(jī)的工作狀態(tài)，使駕駛員更簡單的去了解代替?zhèn)鹘y(tǒng)的嚙合套換擋方式。采用電液控制動力換擋，可以進(jìn)一步提高工作效率。但目前電動拖拉機(jī)仍存在許多關(guān)鍵性技術(shù)難題并未解決。

1 電動拖拉機(jī)發(fā)展史

我們一般把國外對電動拖拉機(jī)的研究分成兩個(gè)階段，第一階段是20世紀(jì)70年代以前電網(wǎng)供電時(shí)代的電動拖拉機(jī)，這一階段只有德國、美國、瑞典、前蘇聯(lián)等少數(shù)幾個(gè)國家對電動拖拉機(jī)有所研究，這時(shí)候的電動拖拉機(jī)由于需要用電網(wǎng)供電，每臺拖拉機(jī)都要用非常長的電線和電網(wǎng)相連，因此工作效率比較低。20世紀(jì)70年代以后是電動拖拉機(jī)的第二階段，此時(shí)的電動拖拉機(jī)進(jìn)入了車載電源時(shí)代。這一階段許多國家都進(jìn)行了對電動拖拉機(jī)的研究，如美國通用公司研發(fā)的Elec-Trak系列的電動拖拉機(jī)，美國的Allis-Chamers公司生產(chǎn)的通過控制起作用的燃料電池的數(shù)量來調(diào)節(jié)行駛速度的電動拖拉機(jī)，加拿大Electric Tractor公司推出的可實(shí)現(xiàn)清掃、割草和耕地等功能的OX2型電動拖拉機(jī)，美國約翰迪爾研制的能持續(xù)提供約127 kW的功率，低轉(zhuǎn)矩時(shí)最大輸出功率能達(dá)到292 kW的全球首輛全電動拖拉機(jī)[1，2]。

國內(nèi)1960年仿照前蘇聯(lián)電動拖拉機(jī)在哈爾濱制作了國內(nèi)第一臺電動拖拉機(jī)——“電牛28”并且經(jīng)過了田間試驗(yàn)證明可以參加生產(chǎn)作業(yè)，性能良好。并且在這個(gè)基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了履帶式電動拖拉機(jī)——“電牛55”[3]。然而在此后接近半個(gè)世紀(jì)再無人對電動拖拉機(jī)進(jìn)行研究，直到2007年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松博士又重新開始了對電動拖拉機(jī)的研究。隨后越來越多的人加入了對電動拖拉機(jī)的研究。

2 電動拖拉機(jī)現(xiàn)階段的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動力電池技術(shù)

電池作為電動拖拉機(jī)的唯一動力源對于電動拖拉機(jī)的發(fā)展有著舉足輕重的作用，評價(jià)車載電池的性能指標(biāo)主要包括安全性能、容量、能量密度、比能量、比功率、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性等。因此如何設(shè)計(jì)安全性能高、容量大、比能量高、比功率大、成本低的車載電池成為一大技術(shù)難題。現(xiàn)階段電動拖拉機(jī)的動力電池主要存在電池壽命比較短，續(xù)航能力差等問題。

河南科技大學(xué)徐立友教授團(tuán)隊(duì)提出將電動拖拉機(jī)的動力電池用燃料電池/蓄電池混合動力來提供，選取質(zhì)子交換膜燃料電池和磷酸鐵鋰電池作為電動拖拉機(jī)的動力源，并設(shè)計(jì)了一種能量管理策略，降低了動力電池的成本并且提高了電池的續(xù)航能力[4]。西北農(nóng)林科技大學(xué)李旭光研制出一種雙電源電動拖拉機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新的動力源和電力驅(qū)動系統(tǒng)方案。提高了電動拖拉機(jī)的續(xù)航能力[5]。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，我國電動拖拉機(jī)用的電動機(jī)主要有直流串勵(lì)電動機(jī)、三相異步交流電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)3類。

傳統(tǒng)的電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且大部分電動拖拉機(jī)都保留了內(nèi)燃機(jī)電動拖拉機(jī)的傳動系統(tǒng)，只是把內(nèi)燃機(jī)換成了電動機(jī)。這種結(jié)構(gòu)會使電動拖拉機(jī)存在操控性能降低、馬力不足和電池組過大等缺點(diǎn)。和電動汽車相比較，電動拖拉機(jī)工作在田間自然環(huán)境中，耕作時(shí)易受到多方向載荷沖擊、泥水沾染等強(qiáng)烈干擾并且不同的工作環(huán)境和負(fù)載對電動拖拉機(jī)的性能要求也不同，普通電動車驅(qū)動系統(tǒng)無法在此環(huán)境下正常工作，因此需要設(shè)計(jì)一種驅(qū)動系統(tǒng)來滿足電動拖拉機(jī)工作需求。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)高輝松博士設(shè)計(jì)了將電動機(jī)和變速箱相結(jié)合傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，以及提出電驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，并且建立了模塊化電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺。為以后的電動拖拉機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)提供了依據(jù)[6]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王小冰主要針對新型混合動力拖拉機(jī)，比較了四種驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇最優(yōu)的驅(qū)動系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)[7]。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)陳黎卿教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種在丘陵山區(qū)條件下耕作用的拖拉機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)，并在試驗(yàn)臺進(jìn)行了可靠性測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性[8]。河南科技大學(xué)毛鵬軍教授團(tuán)隊(duì)完成了對電動拖拉機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)搭建，運(yùn)用LabVIEW軟件開發(fā)電驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺界面，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)等功能[9]。

2.3 系統(tǒng)仿真技術(shù)

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)高輝松博士團(tuán)隊(duì)對ADVISOR軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，建立仿真模型，設(shè)計(jì)了一種電動拖拉機(jī)的仿真系統(tǒng)，并對電動拖拉機(jī)的整機(jī)性能進(jìn)行了仿真分析，為電動拖拉機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的設(shè)計(jì)參數(shù)[10]。河南科技大學(xué)丁月華團(tuán)隊(duì)使用MATLAB軟件中的SIMULINK工具建立了異步電機(jī)仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)[11]。江蘇大學(xué)蔡高奎等人通過Adams軟件建立了電動拖拉機(jī)的電動懸掛系統(tǒng)仿真模型，并對懸掛系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，對懸掛桿件的各連接點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化[12]。現(xiàn)階段系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用到了電動車輛的設(shè)計(jì)中。但專門針對于電動拖拉機(jī)的系統(tǒng)仿真軟件并沒有，一般利用通用的系統(tǒng)仿真軟件來對電動拖拉機(jī)建立模型進(jìn)行仿真研究。倘若能夠開發(fā)出用于電動拖拉機(jī)的系統(tǒng)仿真軟件，那么對日后電動拖拉機(jī)的研究設(shè)計(jì)必有重大的幫助。

3 結(jié)語

盡管傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)拖拉機(jī)仍然占據(jù)主流，但發(fā)展清潔無污染的電動拖拉機(jī)已是大勢所趨，也是社會發(fā)展的必然選擇。電動拖拉機(jī)經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)非常寬廣，各項(xiàng)性能也得到了很大的改善。未來電動拖拉機(jī)的發(fā)展趨勢主要有幾點(diǎn)：目前來看，設(shè)計(jì)出的電動拖拉機(jī)體積和質(zhì)量依然比較大，適用于溫室大棚的機(jī)型尺寸還有待減小。所以，未來電動拖拉機(jī)在能夠?qū)崿F(xiàn)正常功能的前提下應(yīng)盡量簡化其結(jié)構(gòu)，使之小型化、微型化；無線充電技術(shù)將應(yīng)用在電動拖拉機(jī)上，避免了充電電壓過高對人體造成危險(xiǎn)，簡化了充電過程；燃料電池幾大技術(shù)難題解決，降低核心材料成本，提升燃料電池低溫存儲和啟動性能，提升使用壽命和系統(tǒng)效率，電池的重量也將大大減輕。盡管電動拖拉機(jī)相較于傳統(tǒng)拖拉機(jī)來說具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但無疑會增加拖拉機(jī)的成本，目前我國大多數(shù)為36.5～51.1 kW拖拉機(jī)，價(jià)格相對較低，而電動拖拉機(jī)高的價(jià)格不容易被接受，屆時(shí)還需國家對電動拖拉機(jī)加大補(bǔ)貼力度，才更有利于電動拖拉機(jī)的推廣。