黃盛杰，鄭 巍，孫傳東

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 南京 210000；2.連云港市興安機(jī)械制造有限公司，江蘇 連云港 222000）

拖拉機(jī)電動(dòng)化、智能化形式的相關(guān)研究在近年來(lái)受到極大重視，最具代表性的就是電動(dòng)拖拉機(jī)的研發(fā)。與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)相較而言，電動(dòng)拖拉機(jī)具有無(wú)排放、無(wú)需消耗燃油、依靠電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得電動(dòng)拖拉機(jī)更適合未來(lái)新型農(nóng)業(yè)，同時(shí)也有利于解決能源危機(jī)。

農(nóng)業(yè)方面，電動(dòng)拖拉機(jī)因無(wú)排放可以很好適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)，使設(shè)施農(nóng)業(yè)能夠得到大規(guī)模的推廣，極大緩解我國(guó)農(nóng)耕地不足的問(wèn)題；新能源利用方面，因其作業(yè)區(qū)域大多在野外，可在風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電場(chǎng)區(qū)就近充電，這樣能夠減少電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗與變電損耗；除此之外，我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能比較聚集的地區(qū)如西部地區(qū)和西北地區(qū)，這些地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相對(duì)比較薄弱，需要大規(guī)模推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)，以此發(fā)揮其能源優(yōu)勢(shì)與空間優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)拖拉機(jī)在其中起到了決定性作用。

電動(dòng)拖拉機(jī)一直無(wú)法成功進(jìn)入市場(chǎng)，原因有兩個(gè)：性能不達(dá)標(biāo)和成本高。作為農(nóng)田動(dòng)力源，拖拉機(jī)在性能上需要有驅(qū)動(dòng)外掛農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行田間作業(yè)的能力，在防護(hù)與輸出上還要有應(yīng)對(duì)惡劣的作業(yè)環(huán)境以及田地負(fù)荷的沖擊的能力。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，遇到的主要問(wèn)題有動(dòng)力電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、整車電控，這些問(wèn)題導(dǎo)致電動(dòng)拖拉機(jī)在市場(chǎng)中難以得到推廣。

1 電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，因自然資源短缺爆發(fā)了能源危機(jī)，能源節(jié)約和新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫，在這個(gè)背景下，以歐美日本為首的發(fā)達(dá)國(guó)家研制了由蓄電池供電的電動(dòng)拖拉機(jī)，然而因電池技術(shù)的限制，使得這項(xiàng)研究寸步難行，時(shí)至今日仍未有大的進(jìn)展，各方面均無(wú)法滿足用戶需求，難以量產(chǎn)。

我國(guó)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究起步較晚，從2007年開(kāi)始，各大院校的相關(guān)專業(yè)才著手進(jìn)行研究。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多相關(guān)企業(yè)或獨(dú)立或聯(lián)合高校也對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的整車生產(chǎn)進(jìn)行了嘗試，可惜因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的核心問(wèn)題無(wú)法解決而始終無(wú)法定型推廣。

2 電動(dòng)拖拉機(jī)的構(gòu)成

電動(dòng)拖拉機(jī)主要由動(dòng)力電池、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，具有更高的驅(qū)動(dòng)效率、更靈活的控制方法和更準(zhǔn)確的控制精度，同時(shí)使底盤布置更加靈活方便，實(shí)現(xiàn)低噪音、零尾氣排放的作業(yè)需求。

2.1 動(dòng)力電池

目前市場(chǎng)上可用于電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力電池主要有兩種：蓄電池和燃料電池。蓄電池具有功率密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、成本低等優(yōu)勢(shì)，但是能量密度較低，電池使用壽命也較短；燃料電池的能量密度高，使用壽命長(zhǎng)，燃料的利用率也較高，缺點(diǎn)是放電特性偏軟，冷啟動(dòng)性能差，成本較高。為了更好的利用兩種電池的優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)拖拉機(jī)可以采用蓄電池和燃料電池相結(jié)合的混合動(dòng)力系統(tǒng)作為主要?jiǎng)恿υ础?/p>

2.2 控制系統(tǒng)

電動(dòng)拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和剎車控制系統(tǒng)。此處以智能化無(wú)人駕駛電動(dòng)拖拉機(jī)為例，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要通過(guò)解析遙控器傳來(lái)的控制數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的模擬電壓（電子油門），以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即控制拖拉機(jī)的加速或減速以及檔位轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)則采用SES（steer-by-electric system）系統(tǒng)，此系統(tǒng)集成度高，采用傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)將電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相耦合，又使之互不干涉，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下使整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度達(dá)到更高水平，適合拖拉機(jī)的智能駕駛方案；剎車控制系統(tǒng)運(yùn)用了電子制動(dòng)系統(tǒng)，主要分為兩種類型：一種為電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，利用電子控制系統(tǒng)的同時(shí)保留了部分液壓系統(tǒng)；另一種為電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，為電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)能源，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行制動(dòng)。

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

作為拖拉機(jī)電氣化改造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛動(dòng)力性與成本有著直接的影響，電動(dòng)拖拉機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)度和效率也是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定的。目前，電動(dòng)拖拉機(jī)研發(fā)遇到的主要技術(shù)難題就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)研究人員在研究電動(dòng)拖拉機(jī)時(shí)最初的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿用了電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，然而這些方案因機(jī)械技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電控技術(shù)等問(wèn)題使得電動(dòng)拖拉機(jī)無(wú)法像電動(dòng)汽車那樣在市場(chǎng)上得到推廣。

按照工程研究的思路，電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：總體方案布局，確定主要部件的類型，對(duì)部件的參數(shù)進(jìn)行選型，驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)。電動(dòng)拖拉機(jī)的研究不能直接照搬電動(dòng)汽車的經(jīng)驗(yàn)，而傳統(tǒng)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究人員也無(wú)法很好地吸收其他專業(yè)中對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)有利的新技術(shù)，這樣在研發(fā)過(guò)程中容易出現(xiàn)分歧，但目標(biāo)是一致的：通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)效率與加裝增程器延長(zhǎng)續(xù)航能力。

傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化人員習(xí)慣于將新能源汽車中獲得成功的分布式驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用于電動(dòng)拖拉機(jī)上，卻忽視了拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境與汽車不同，惡劣的作業(yè)環(huán)境要求拖拉機(jī)具備更高的機(jī)械性能和防護(hù)性能。

傳統(tǒng)拖拉機(jī)研究人員因?qū)I(yè)方向不同可以避免上述問(wèn)題,卻無(wú)法像電氣自動(dòng)化人員那樣掌握各類電機(jī)的機(jī)械及控制特性，在選用電機(jī)時(shí)只能選取市面上的成熟電機(jī)，缺乏靈活性，選取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案時(shí)也比較保守，無(wú)法解決能耗和續(xù)航問(wèn)題。

3 作業(yè)環(huán)境對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的基本要求

3.1 功能性要求

在作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)的行駛速度受到作業(yè)負(fù)荷與農(nóng)機(jī)具機(jī)械強(qiáng)度的影響，在這種環(huán)境下，拖拉機(jī)的性能要比普通汽車更加強(qiáng)大和多樣化，如：升降懸掛、PTO旋轉(zhuǎn)輸出、慣性輪動(dòng)力輸出、液壓動(dòng)力輸出等，都是拖拉機(jī)在普通汽車的基礎(chǔ)上增加的功能。因拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件間關(guān)聯(lián)性和靈活性太強(qiáng)，所有子系統(tǒng)無(wú)法獨(dú)立分析，會(huì)導(dǎo)致拖拉機(jī)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，所以這些功能在選取時(shí)需要考慮整機(jī)條件和作業(yè)要求，逐個(gè)分析，慎重取舍。

3.2 適應(yīng)性要求

電動(dòng)拖拉機(jī)在農(nóng)田中工作，容易受到多方干擾，如泥水浸潤(rùn)、土石嵌入，這對(duì)拖拉機(jī)的電力系統(tǒng)和絕緣性要求非常高，而牽引農(nóng)機(jī)具的工作則對(duì)拖拉機(jī)的機(jī)械性能和電機(jī)特性要求很高。因此電動(dòng)拖拉機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)直接采用普通電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還應(yīng)考慮到拖拉機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和工作適應(yīng)性。

4 電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)拖拉機(jī)用電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，取代了傳統(tǒng)拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能，擁有無(wú)污染的特性，且效率較高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，擁有傳統(tǒng)拖拉機(jī)無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)。雖然目前電機(jī)成本高于機(jī)械傳動(dòng)，電動(dòng)拖拉機(jī)尚未在市場(chǎng)得到推廣，但是隨著電機(jī)設(shè)計(jì)與農(nóng)機(jī)智能化等技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)成本會(huì)逐步下降，屆時(shí)，電動(dòng)拖拉機(jī)將會(huì)成為農(nóng)耕作業(yè)的主力軍。

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)拖拉機(jī)的研發(fā)涉及的專業(yè)較多，綜合性很強(qiáng)，所以在研發(fā)過(guò)程中需要多專業(yè)的研究人員共同合作。電動(dòng)拖拉機(jī)研發(fā)成功并推廣后有利于解決能源短缺、新能源利用、環(huán)境污染等問(wèn)題，配合設(shè)施農(nóng)業(yè)還能解決糧食生產(chǎn)問(wèn)題，應(yīng)受到重視，并加大投入，盡快完成研發(fā)、使用和推廣工作，其中，電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)尤為重要。

在電動(dòng)汽車的研發(fā)過(guò)程中，人們對(duì)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的經(jīng)驗(yàn)和理念，有些可以借鑒，比如蓄電池、電力電子器件等通用部件，可以應(yīng)用于電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，而在選用電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)的部分，則需要根據(jù)拖拉機(jī)和其作業(yè)環(huán)境的特性另行分析。另外，在設(shè)計(jì)電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，研發(fā)人員不能只片面地看重動(dòng)力性續(xù)航等技術(shù)指標(biāo)，還應(yīng)考慮到功能與環(huán)境的適應(yīng)性、配件成熟度、成本等方面，全面地看待電動(dòng)拖拉機(jī)研發(fā)中應(yīng)注意的問(wèn)題，才能研發(fā)出更實(shí)用、更環(huán)保、更高效、更便捷的產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品才會(huì)更易于被市場(chǎng)接受，更易于市場(chǎng)推廣。