混合動(dòng)力玉米收割機(jī)可行性分析及應(yīng)用

李明

摘 要：對(duì)目前國(guó)內(nèi)玉米收割機(jī)進(jìn)行調(diào)研，目前玉米收割機(jī)仍然采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。在目前提倡環(huán)保節(jié)能的大趨勢(shì)下，研發(fā)一種采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的玉米收割機(jī)勢(shì)在必行。采用混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，可以大大降低玉米收割機(jī)在作業(yè)時(shí)的廢氣排放量，避免傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而提高傳動(dòng)效率，降低損耗?；靹?dòng)系統(tǒng)可以使搭載的內(nèi)燃機(jī)最大限度地工作在高效率燃燒區(qū)間。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力玉米收割機(jī)；新能源；節(jié)能減排；效率提升

中圖分類號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

目前玉米收割機(jī)仍然采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。在排放法規(guī)越來越嚴(yán)格的今天、在目前提倡環(huán)保節(jié)能的大趨勢(shì)下，研發(fā)一種采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的玉米收割機(jī)勢(shì)在必行。采用混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，可以大大降低玉米收割機(jī)在作業(yè)時(shí)的廢氣排放量、減少燃油消耗，避免傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的機(jī)械液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而提高傳動(dòng)效率，降低損耗。混動(dòng)系統(tǒng)可以最大限度地發(fā)揮電傳動(dòng)的效率，使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，使用電纜將動(dòng)力傳輸?shù)礁飨到y(tǒng)，省去復(fù)雜的機(jī)械及液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。不僅提高傳動(dòng)效率，而且能夠降低故障率、提高整機(jī)穩(wěn)定性。電傳動(dòng)也更利于各系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，方便各系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定，更利于布置傳感器檢測(cè)各系統(tǒng)的工作狀態(tài)?；靹?dòng)系統(tǒng)可以使搭載的內(nèi)燃機(jī)最大限度地工作在高效率燃燒區(qū)間。通過能量回收、太陽能電池板發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)高燃效運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電三者結(jié)合，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 燃油驅(qū)動(dòng)玉米收割機(jī)系統(tǒng)分析

由于玉米收割機(jī)機(jī)體龐大，功能模塊較多，因此采用單一燃油驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，就需要將動(dòng)力分散傳遞到各功能模塊。對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)來說，無非是采用鏈條、皮帶或傳動(dòng)軸的方式，這樣帶來的問題就是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)異常復(fù)雜，鏈條鏈輪層層疊疊，傳動(dòng)軸縱橫交錯(cuò)。不僅給設(shè)計(jì)、制造帶來麻煩，而且給用戶的日常維修保養(yǎng)帶來不小的困難，一臺(tái)玉米機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)需要保養(yǎng)和涂抹潤(rùn)滑油的位置多達(dá)近百處。為避免傳動(dòng)沖擊采用皮帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，更是由于皮帶壽命相對(duì)較短，每個(gè)作業(yè)季都需要更換皮帶。在某些極端條件下，一些大功率傳遞動(dòng)力的皮帶輪甚至有將皮帶燒毀導(dǎo)致停機(jī)的情況。

近些年逐漸發(fā)展起來的全液壓驅(qū)動(dòng)玉米收割機(jī)，使整體玉米收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜程度有所降低，但是液壓傳動(dòng)效率較低，容易發(fā)熱，各功能模塊之間距離較遠(yuǎn)，液壓管路過長(zhǎng)且管徑受到限制造成傳動(dòng)效率低。特別是行走系統(tǒng)需要傳遞的功率很大，需要大功率液壓泵和液壓馬達(dá)且采用高壓傳遞，因此對(duì)液壓元件要求高，成本高。由于整車液壓傳動(dòng)系統(tǒng)龐大，因此需要的液壓油數(shù)量很多，且每個(gè)作業(yè)季都需要更換，對(duì)于使用成本影響很大。

此混動(dòng)系統(tǒng)中，裝有一臺(tái)發(fā)電機(jī)，一臺(tái)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其余8個(gè)主要功能模塊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，除此之外，還有一臺(tái)4.0L阿特金森循環(huán)渦輪增壓缸內(nèi)直噴燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)CVT變速箱和為電動(dòng)機(jī)提供能量的動(dòng)力電池組成。特殊說明一下，發(fā)電機(jī)和行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)置于電動(dòng)CVT變速箱內(nèi)部。

發(fā)電機(jī)最大發(fā)電功率達(dá)到250kW。

行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率100kW，最大扭矩500Nm。

其余電動(dòng)機(jī)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(wěn)定充電放電循環(huán)，以及較高的質(zhì)量能量密度139Wh/kg和體積能量密度210Wh/L。

這套混合動(dòng)力系統(tǒng)具備3種不同的動(dòng)力輸出模式，分別是純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式以及發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，根據(jù)不同的工況，自動(dòng)切換動(dòng)力輸出模式，達(dá)到最佳的燃油利用率。

純電驅(qū)動(dòng)模式：此時(shí)車輛僅依靠電動(dòng)機(jī)強(qiáng)勁動(dòng)力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電池組為滿電狀態(tài)時(shí)，可維持此模式工作1h左右。此為極限測(cè)試狀態(tài)，實(shí)際使用時(shí)，當(dāng)電池組電量下降到某一數(shù)值，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)強(qiáng)制介入，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提供電能。

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式：在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來獲取電能，高燃效的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)通過電動(dòng)CVT變速箱與發(fā)電機(jī)連接，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過電纜和PCU（功率控制單元）輸送給玉米機(jī)各功能模塊的電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外加上電池的電能可以讓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大動(dòng)力。利于玉米收獲機(jī)行走于松軟的土地和利于脫困時(shí)的大動(dòng)力需求。當(dāng)然發(fā)電機(jī)發(fā)出的多余電能、能量回收的電能、太陽能電池板發(fā)出的電能均存入電池組，需要使用時(shí)均傳輸?shù)礁髂K的電動(dòng)機(jī)使用。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，玉米機(jī)依然依靠電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)行駛，和各模塊工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式：實(shí)際上這套混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的情況非常少。當(dāng)玉米收割機(jī)完成田間作業(yè)，準(zhǔn)備專場(chǎng)去下一個(gè)作業(yè)區(qū)域時(shí)，專場(chǎng)路況良好，車輛勻速行駛，所有其他工作模塊關(guān)閉，并且恰好此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳燃效轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，電動(dòng)CVT變速箱將發(fā)動(dòng)機(jī)與行走驅(qū)動(dòng)橋直連，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此系統(tǒng)傳動(dòng)效率非常高。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)并未處于最佳燃效區(qū)間時(shí)，將自動(dòng)切換為混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。

這種混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)將由行車電腦控制，驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力模塊（如圖1所示）使其一直工作在高燃效轉(zhuǎn)速區(qū)間驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電能用于驅(qū)動(dòng)各部分運(yùn)行。這樣就避免了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，避免了故障率和傳動(dòng)效率低的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，減少液壓油的使用。降低日常使用的成本。動(dòng)能回收系統(tǒng)可以回收制動(dòng)系統(tǒng)浪費(fèi)的動(dòng)能、玉米收割機(jī)其他功能模塊需要頻繁變速時(shí)損失的動(dòng)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(chǔ)，在需要的時(shí)候驅(qū)動(dòng)玉米機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行。

此混合動(dòng)力系統(tǒng)也將采用插電式混動(dòng)形式，可以在空閑時(shí)進(jìn)行充電操作。混合動(dòng)力玉米收割機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)原理（如圖1所示），此系統(tǒng)將進(jìn)一步減少內(nèi)燃機(jī)的使用率，達(dá)到最大限度的節(jié)能減排效果。

2 結(jié)論

插電式混動(dòng)玉米收割機(jī)將改變農(nóng)用機(jī)械高能耗高污染低技術(shù)含量的現(xiàn)狀。未來如果電池技術(shù)還沒有質(zhì)的飛躍，純電動(dòng)玉米收割機(jī)則無法滿足實(shí)際作業(yè)中連續(xù)集中高強(qiáng)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(diǎn)，集高燃效內(nèi)燃機(jī)、動(dòng)能回收、太陽能發(fā)電及插電功能于一身，在不影響實(shí)用性和續(xù)航能力的前提下最大限度地降低農(nóng)機(jī)對(duì)石油的依賴，更加高效地利用石油資源，減少排放。簡(jiǎn)化玉米收割機(jī)這種復(fù)雜農(nóng)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低使用成本。

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