混合动力玉米收割机可行性分析及应用

　　摘要：对目前国内玉米收割机进行调研，目前玉米收割机仍然采用传统内燃机驱动。在目前提倡环保节能的大趋势下，研发一种采用混合动力驱动的玉米收割机势在必行。采用混合动力系统驱动，可以大大降低玉米收割机在作业时的废气排放量，避免传统内燃机驱动系统复杂的机械液压传动结构，从而提高传动效率，降低损耗。混动系统可以使搭载的内燃机最大限度地工作在高效率燃烧区间。

　　关键词：混合动力玉米收割机；新能源；节能减排；效率提升

　　0前言

　　目前玉米收割机仍然采用传统内燃机驱动。在排放法规越来越严格的今天、在目前提倡环保节能的大趋势下，研发一种采用混合动力驱动的玉米收割机势在必行。采用混合动力系统驱动，可以大大降低玉米收割机在作业时的废气排放量、减少燃油消耗，避免传统内燃机驱动系统复杂的机械液压传动结构，从而提高传动效率，降低损耗。混动系统可以最大限度地发挥电传动的效率，使用电动机驱动各系统协调运转，使用电缆将动力传输到各系统，省去复杂的机械及液压传动结构。不仅提高传动效率，而且能够降低故障率、提高整机稳定性。电传动也更利于各系统的参数调节，方便各系统的参数标定，更利于布置传感器检测各系统的工作状态。混动系统可以使搭载的内燃机最大限度地工作在高效率燃烧区间。通过能量回收、太阳能电池板发电、内燃机高燃效运转发电三者结合，达到节能减排的效果。

　　1燃油驱动玉米收割机系统分析

　　由于玉米收割机机体庞大，功能模块较多，因此采用单一燃油驱动发动机作为动力系统，就需要将动力分散传递到各功能模块。对于传统机械传动来说，无非是采用链条、皮带或传动轴的方式，这样带来的问题就是传动机构异常复杂，链条链轮层层叠叠，传动轴纵横交错。不仅给设计、制造带来麻烦，而且给用户的日常维修保养带来不小的困难，一台玉米机一个工作周期内需要保养和涂抹润滑油的位置多达近百处。为避免传动冲击采用皮带传动的机构，更是由于皮带寿命相对较短，每个作业季都需要更换皮带。在某些极端条件下，一些大功率传递动力的皮带轮甚至有将皮带烧毁导致停机的情况。

　　近些年逐渐发展起来的全液压驱动玉米收割机，使整体玉米收割机传动系统复杂程度有所降低，但是液压传动效率较低，容易发热，各功能模块之间距离较远，液压管路过长且管径受到限制造成传动效率低。特别是行走系统需要传递的功率很大，需要大功率液压泵和液压马达且采用高压传递，因此对液压元件要求高，成本高。由于整车液压传动系统庞大，因此需要的液压油数量很多，且每个作业季都需要更换，对于使用成本影响很大。

　　此混动系统中，装有一台发电机，一台行走系统驱动电机和其余8个主要功能模块的驱动电机，除此之外，还有一台4.0L阿特金森循环涡轮增压缸内直喷燃油发动机、电动CVT变速箱和为电动机提供能量的动力电池组成。特殊说明一下，发电机和行走系统驱动电机内置于电动CVT变速箱内部。

　　发电机最大发电功率达到250kW。

　　行走系统驱动电机最大功率100kW，最大扭矩500Nm。

　　其余电动机最大耗电功率约为110kW。

　　车辆的电池组采用最新的锰氢气电池组，电池组容量为300kWh。锰氢气电池具有高倍率的放电电流100mA/cm2，大于1万次的稳定充电放电循环，以及较高的质量能量密度139Wh/kg和体积能量密度210Wh/L。

　　这套混合动力系统具备3种不同的动力输出模式，分别是纯电机驱动模式、混合动力驱动模式以及发动机驱动模式，根据不同的工况，自动切换动力输出模式，达到最佳的燃油利用率。

　　纯电驱动模式：此时车辆仅依靠电动机强劲动力实现驱动，发动机和发电机此时处于关闭状态。当电池组为满电状态时，可维持此模式工作1h左右。此为极限测试状态，实际使用时，当电池组电量下降到某一数值，发动机会强制介入，带动发电机提供电能。

　　混合动力驱动模式：在混合动力驱动模式下，发动机启动带动发电机来获取电能，高燃效的燃油发动机通过电动CVT变速箱与发电机连接，将动力传递给发电机进行发电。发电机发出的电能通过电缆和PCU（功率控制单元）输送给玉米机各功能模块的电动机，驱动电动机运转。另外加上电池的电能可以让电动机产生最大动力。利于玉米收获机行走于松软的土地和利于脱困时的大动力需求。当然发电机发出的多余电能、能量回收的电能、太阳能电池板发出的电能均存入电池组，需要使用时均传输到各模块的电动机使用。此时的发动机不参与驱动，玉米机依然依靠电动机来驱动行驶，和各模块工作。

　　发动机驱动模式：实际上这套混合动力系统，发动机直接驱动的情况非常少。当玉米收割机完成田间作业，准备专场去下一个作业区域时，专场路况良好，车辆匀速行驶，所有其他工作模块关闭，并且恰好此时发动机处于最佳燃效转速区间时，电动CVT变速箱将发动机与行走驱动桥直连，实现发动机驱动。由于传动结构简单，因此系统传动效率非常高。当系统检测到发动机并未处于最佳燃效区间时，将自动切换为混合动力驱动模式。

　　这种混合动力的结构，燃油发动机将由行车电脑控制，驱动混合动力模块（如图1所示）使其一直工作在高燃效转速区间驱动发电机进行发电，产生的电能用于驱动各部分运行。这样就避免了复杂的机械传动系统，避免了故障率和传动效率低的液压驱动系统，减少液压油的使用。降低日常使用的成本。动能回收系统可以回收制动系统浪费的动能、玉米收割机其他功能模块需要频繁变速时损失的动能等。太阳能电池板也能够辅助提供一部分电能。以上能量均由电池组存储，在需要的时候驱动玉米机各系统运行。

　　此混合动力系统也将采用插电式混动形式，可以在空闲时进行充电操作。混合动力玉米收割机混动系统原理（如图1所示），此系统将进一步减少内燃机的使用率，达到最大限度的节能减排效果。

　　2结论

　　插电式混动玉米收割机将改变农用机械高能耗高污染低技术含量的现状。未来如果电池技术还没有质的飞跃，纯电动玉米收割机则无法满足实际作业中连续集中高强度的使用要求，因此要高效利用石油资源高能源密度的特点，集高燃效内燃机、动能回收、太阳能发电及插电功能于一身，在不影响实用性和续航能力的前提下最大限度地降低农机对石油的依赖，更加高效地利用石油资源，减少排放。简化玉米收割机这种复杂农机的系统结构，降低使用成本。

　　参考文献

　　[1]王孙安.机械电子工程系统设计[D].西安交通大学机械工程学院，2010.

　　[2]李宝筏.农业机械学[M].北京：农业出版社，2003.

　　[3]柯明扬.机械制造工艺学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.

　　李明

《混合动力玉米收割机可行性分析及应用》

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