国内电动拖拉机研究现状

邴 坤，刘元义，宋发成，张晟昊，胥 备，于圣杰

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049；2.山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255049）

0 引言

电动拖拉机相对于传统拖拉机来说有着不可比拟的优势。电动拖拉机相对于传统拖拉机最为突出的优点就是污染极小，而且因为采用电动机，拖拉机整车的噪音和振动也同样会大大减小，更有利于驾驶员拥有舒适的驾驶体验，摒弃了传统拖拉机的油箱、空气滤清器、排气装置等，可能带来拖拉机整体结构的巨大改进；可以更为方便的布置操纵系统，采用电动机可以更为方便的输出拖拉机的工作状态，使驾驶员更简单的去了解代替传统的啮合套换挡方式。采用电液控制动力换挡，可以进一步提高工作效率。但目前电动拖拉机仍存在许多关键性技术难题并未解决。

1 电动拖拉机发展史

我们一般把国外对电动拖拉机的研究分成两个阶段，第一阶段是20世纪70年代以前电网供电时代的电动拖拉机，这一阶段只有德国、美国、瑞典、前苏联等少数几个国家对电动拖拉机有所研究，这时候的电动拖拉机由于需要用电网供电，每台拖拉机都要用非常长的电线和电网相连，因此工作效率比较低。20世纪70年代以后是电动拖拉机的第二阶段，此时的电动拖拉机进入了车载电源时代。这一阶段许多国家都进行了对电动拖拉机的研究，如美国通用公司研发的Elec-Trak系列的电动拖拉机，美国的Allis-Chamers公司生产的通过控制起作用的燃料电池的数量来调节行驶速度的电动拖拉机，加拿大Electric Tractor公司推出的可实现清扫、割草和耕地等功能的OX2型电动拖拉机，美国约翰迪尔研制的能持续提供约127 kW的功率，低转矩时最大输出功率能达到292 kW的全球首辆全电动拖拉机[1，2]。

国内1960年仿照前苏联电动拖拉机在哈尔滨制作了国内第一台电动拖拉机——“电牛28”并且经过了田间试验证明可以参加生产作业，性能良好。并且在这个基础上还设计了履带式电动拖拉机——“电牛55”[3]。然而在此后接近半个世纪再无人对电动拖拉机进行研究，直到2007年南京农业大学的高辉松博士又重新开始了对电动拖拉机的研究。随后越来越多的人加入了对电动拖拉机的研究。

2 电动拖拉机现阶段的关键技术

2.1 动力电池技术

电池作为电动拖拉机的唯一动力源对于电动拖拉机的发展有着举足轻重的作用，评价车载电池的性能指标主要包括安全性能、容量、能量密度、比能量、比功率、使用寿命、经济性等。因此如何设计安全性能高、容量大、比能量高、比功率大、成本低的车载电池成为一大技术难题。现阶段电动拖拉机的动力电池主要存在电池寿命比较短，续航能力差等问题。

河南科技大学徐立友教授团队提出将电动拖拉机的动力电池用燃料电池/蓄电池混合动力来提供，选取质子交换膜燃料电池和磷酸铁锂电池作为电动拖拉机的动力源，并设计了一种能量管理策略，降低了动力电池的成本并且提高了电池的续航能力[4]。西北农林科技大学李旭光研制出一种双电源电动拖拉机，设计了一种新的动力源和电力驱动系统方案。提高了电动拖拉机的续航能力[5]。

2.2 驱动系统的设计

目前，我国电动拖拉机用的电动机主要有直流串励电动机、三相异步交流电动机、永磁无刷直流电动机3类。

传统的电动拖拉机驱动系统结构复杂并且大部分电动拖拉机都保留了内燃机电动拖拉机的传动系统，只是把内燃机换成了电动机。这种结构会使电动拖拉机存在操控性能降低、马力不足和电池组过大等缺点。和电动汽车相比较，电动拖拉机工作在田间自然环境中，耕作时易受到多方向载荷冲击、泥水沾染等强烈干扰并且不同的工作环境和负载对电动拖拉机的性能要求也不同，普通电动车驱动系统无法在此环境下正常工作，因此需要设计一种驱动系统来满足电动拖拉机工作需求。

南京农业大学高辉松博士设计了将电动机和变速箱相结合传动系统的结构方案，以及提出电驱动系统的主要参数设计计算的方法，并且建立了模块化电驱动系统试验台。为以后的电动拖拉机的驱动系统提供了依据[6]。南京农业大学王小冰主要针对新型混合动力拖拉机，比较了四种驱动系统设计方案的优缺点，并选择最优的驱动系统搭建试验平台进行了相关实验[7]。安徽农业大学陈黎卿教授团队设计了一种在丘陵山区条件下耕作用的拖拉机电驱动系统，并在试验台进行了可靠性测试，实验结果验证了其电驱动系统设计的合理性[8]。河南科技大学毛鹏军教授团队完成了对电动拖拉机电驱动系统试验台的设计搭建，运用LabVIEW软件开发电驱动系统试验台界面，实现了采集数据、存储数据、显示数据等功能[9]。

2.3 系统仿真技术

南京农业大学高辉松博士团队对ADVISOR软件进行了二次开发，建立仿真模型，设计了一种电动拖拉机的仿真系统，并对电动拖拉机的整机性能进行了仿真分析，为电动拖拉机的优化设计提供了重要的设计参数[10]。河南科技大学丁月华团队使用MATLAB软件中的SIMULINK工具建立了异步电机仿真模型，并进行了仿真实验[11]。江苏大学蔡高奎等人通过Adams软件建立了电动拖拉机的电动悬挂系统仿真模型，并对悬挂系统的动态特性进行了仿真分析，对悬挂杆件的各连接点进行了优化[12]。现阶段系统仿真技术已经普遍应用到了电动车辆的设计中。但专门针对于电动拖拉机的系统仿真软件并没有，一般利用通用的系统仿真软件来对电动拖拉机建立模型进行仿真研究。倘若能够开发出用于电动拖拉机的系统仿真软件，那么对日后电动拖拉机的研究设计必有重大的帮助。

3 结语

尽管传统的内燃机拖拉机仍然占据主流，但发展清洁无污染的电动拖拉机已是大势所趋，也是社会发展的必然选择。电动拖拉机经过一个多世纪的发展，其应用范围已经非常宽广，各项性能也得到了很大的改善。未来电动拖拉机的发展趋势主要有几点：目前来看，设计出的电动拖拉机体积和质量依然比较大，适用于温室大棚的机型尺寸还有待减小。所以，未来电动拖拉机在能够实现正常功能的前提下应尽量简化其结构，使之小型化、微型化；无线充电技术将应用在电动拖拉机上，避免了充电电压过高对人体造成危险，简化了充电过程；燃料电池几大技术难题解决，降低核心材料成本，提升燃料电池低温存储和启动性能，提升使用寿命和系统效率，电池的重量也将大大减轻。尽管电动拖拉机相较于传统拖拉机来说具有许多的优点，但无疑会增加拖拉机的成本，目前我国大多数为36.5～51.1 kW拖拉机，价格相对较低，而电动拖拉机高的价格不容易被接受，届时还需国家对电动拖拉机加大补贴力度，才更有利于电动拖拉机的推广。