浅谈电动拖拉机的开发研究

黄盛杰，郑 巍，孙传东

（1.江苏省农业机械试验鉴定站，江苏 南京 210000；2.连云港市兴安机械制造有限公司，江苏 连云港 222000）

拖拉机电动化、智能化形式的相关研究在近年来受到极大重视，最具代表性的就是电动拖拉机的研发。与传统燃油拖拉机相较而言，电动拖拉机具有无排放、无需消耗燃油、依靠电机进行起动调速等优点，这些优点使得电动拖拉机更适合未来新型农业，同时也有利于解决能源危机。

农业方面，电动拖拉机因无排放可以很好适用于设施农业，使设施农业能够得到大规模的推广，极大缓解我国农耕地不足的问题；新能源利用方面，因其作业区域大多在野外，可在风能发电、光伏发电场区就近充电，这样能够减少电力系统网络损耗与变电损耗；除此之外，我国风能、太阳能比较聚集的地区如西部地区和西北地区，这些地区传统农业相对比较薄弱，需要大规模推广设施农业，以此发挥其能源优势与空间优势，电动拖拉机在其中起到了决定性作用。

电动拖拉机一直无法成功进入市场，原因有两个：性能不达标和成本高。作为农田动力源，拖拉机在性能上需要有驱动外挂农机设备进行田间作业的能力，在防护与输出上还要有应对恶劣的作业环境以及田地负荷的冲击的能力。在开发过程中，遇到的主要问题有动力电池、电机驱动、整车电控，这些问题导致电动拖拉机在市场中难以得到推广。

1 电动拖拉机的发展现状

20世纪70年代，因自然资源短缺爆发了能源危机，能源节约和新能源的开发迫在眉睫，在这个背景下，以欧美日本为首的发达国家研制了由蓄电池供电的电动拖拉机，然而因电池技术的限制，使得这项研究寸步难行，时至今日仍未有大的进展，各方面均无法满足用户需求，难以量产。

我国对电动拖拉机的研究起步较晚，从2007年开始，各大院校的相关专业才着手进行研究。与此同时，国内许多相关企业或独立或联合高校也对电动拖拉机的整车生产进行了尝试，可惜因驱动系统方面的核心问题无法解决而始终无法定型推广。

2 电动拖拉机的构成

电动拖拉机主要由动力电池、控制系统和驱动系统组成，具有更高的驱动效率、更灵活的控制方法和更准确的控制精度，同时使底盘布置更加灵活方便，实现低噪音、零尾气排放的作业需求。

2.1 动力电池

目前市场上可用于电动拖拉机的动力电池主要有两种：蓄电池和燃料电池。蓄电池具有功率密度高、动态响应快、成本低等优势，但是能量密度较低，电池使用寿命也较短；燃料电池的能量密度高，使用寿命长，燃料的利用率也较高，缺点是放电特性偏软，冷启动性能差，成本较高。为了更好的利用两种电池的优势，电动拖拉机可以采用蓄电池和燃料电池相结合的混合动力系统作为主要动力源。

2.2 控制系统

电动拖拉机的控制系统主要包括驱动控制系统、转向控制系统和刹车控制系统。此处以智能化无人驾驶电动拖拉机为例，其驱动控制系统主要通过解析遥控器传来的控制数据，输出相应的模拟电压（电子油门），以控制驱动电机转速，即控制拖拉机的加速或减速以及档位转换；转向控制系统则采用SES（steer-by-electric system）系统，此系统集成度高，采用传统的齿轮传动，传动精度高、可靠性好、使用寿命长，同时将电控转向系统和机械转向系统相耦合，又使之互不干涉，在满足设计要求的条件下使整个转向机构的稳定性、可靠性和自动化程度达到更高水平，适合拖拉机的智能驾驶方案；刹车控制系统运用了电子制动系统，主要分为两种类型：一种为电子液压制动系统，利用电子控制系统的同时保留了部分液压系统；另一种为电子机械制动系统，为电动机提供制动能源，驱动执行机构进行制动。

2.3 驱动系统

作为拖拉机电气化改造的关键环节，驱动系统对车辆动力性与成本有着直接的影响，电动拖拉机工作时间长度和效率也是由驱动系统决定的。目前，电动拖拉机研发遇到的主要技术难题就是驱动系统。

国内研究人员在研究电动拖拉机时最初的驱动系统沿用了电动汽车的驱动系统方案，然而这些方案因机械技术、电机技术和电控技术等问题使得电动拖拉机无法像电动汽车那样在市场上得到推广。

按照工程研究的思路，电动拖拉机驱动系统的设计分为以下几个步骤：总体方案布局，确定主要部件的类型，对部件的参数进行选型，驱动程序的设计、仿真和试验。电动拖拉机的研究不能直接照搬电动汽车的经验，而传统电动拖拉机的研究人员也无法很好地吸收其他专业中对电动拖拉机有利的新技术，这样在研发过程中容易出现分歧，但目标是一致的：通过提高驱动效率与加装增程器延长续航能力。

传统电气自动化人员习惯于将新能源汽车中获得成功的分布式驱动方案应用于电动拖拉机上，却忽视了拖拉机作业环境与汽车不同，恶劣的作业环境要求拖拉机具备更高的机械性能和防护性能。

传统拖拉机研究人员因专业方向不同可以避免上述问题,却无法像电气自动化人员那样掌握各类电机的机械及控制特性，在选用电机时只能选取市面上的成熟电机，缺乏灵活性，选取驱动系统方案时也比较保守，无法解决能耗和续航问题。

3 作业环境对电动拖拉机的基本要求

3.1 功能性要求

在作业过程中，拖拉机的行驶速度受到作业负荷与农机具机械强度的影响，在这种环境下，拖拉机的性能要比普通汽车更加强大和多样化，如：升降悬挂、PTO旋转输出、惯性轮动力输出、液压动力输出等，都是拖拉机在普通汽车的基础上增加的功能。因拖拉机驱动系统各部件间关联性和灵活性太强，所有子系统无法独立分析，会导致拖拉机“牵一发而动全身”，所以这些功能在选取时需要考虑整机条件和作业要求，逐个分析，慎重取舍。

3.2 适应性要求

电动拖拉机在农田中工作，容易受到多方干扰，如泥水浸润、土石嵌入，这对拖拉机的电力系统和绝缘性要求非常高，而牵引农机具的工作则对拖拉机的机械性能和电机特性要求很高。因此电动拖拉机在设计时不应直接采用普通电动汽车的驱动系统，还应考虑到拖拉机的环境适应性和工作适应性。

4 电动拖拉机发展趋势

电动拖拉机用电能转化为机械能，取代了传统拖拉机内燃机产生的机械能，拥有无污染的特性，且效率较高，在农业生产中，拥有传统拖拉机无法企及的优势。虽然目前电机成本高于机械传动，电动拖拉机尚未在市场得到推广，但是随着电机设计与农机智能化等技术的进步，电机成本会逐步下降，届时，电动拖拉机将会成为农耕作业的主力军。

5 结语

电动拖拉机的研发涉及的专业较多，综合性很强，所以在研发过程中需要多专业的研究人员共同合作。电动拖拉机研发成功并推广后有利于解决能源短缺、新能源利用、环境污染等问题，配合设施农业还能解决粮食生产问题，应受到重视，并加大投入，尽快完成研发、使用和推广工作，其中，电动拖拉机的驱动系统的研发设计尤为重要。

在电动汽车的研发过程中，人们对电力驱动系统已经有了一定的经验和理念，有些可以借鉴，比如蓄电池、电力电子器件等通用部件，可以应用于电动拖拉机的驱动系统中，而在选用电机以及机械传动的部分，则需要根据拖拉机和其作业环境的特性另行分析。另外，在设计电动拖拉机驱动系统时，研发人员不能只片面地看重动力性续航等技术指标，还应考虑到功能与环境的适应性、配件成熟度、成本等方面，全面地看待电动拖拉机研发中应注意的问题，才能研发出更实用、更环保、更高效、更便捷的产品，这样的产品才会更易于被市场接受，更易于市场推广。