电动拖拉机的开发研究(译文).doc

电动拖拉机的开发研究电动拖拉机的开发研究 电动拖拉机样机的规格、行驶与耕作性能 Yuko UEKA, Jun YAMASHITA, Kazunobu SATO, Yoshinori DOI摘 要为了减少农业生产对环境的污染，用AD马达将一台现有10KW级内燃机拖拉机改装成一个电动拖拉机。由内燃机拖拉机改装为电动机拖拉机后增加了其总重量。但是改装并没有破坏其整机平衡性。使用纯电动农机，行驶与大田耕作的能耗需求降低了约70%。此外，电动拖拉机每次充电后可以连续工作一个小时，耕地约1300。基于以上数据得到的二氧化碳排放结果表明，电动拖拉机能比内燃机拖拉机节能约70%。【关键词】拖拉机，低碳社会，二氧化碳减排，电气化，能量消耗I 引言2004年，作为近年来朝低碳社会发展的全球趋势的一部分，美国环保局推出了“4（IV）级”排放标准，针对非道路柴油车提出尾气排放标准。同时，2004年4月欧盟在尾气排放治理IIIB期、IV期规定中增添了“2004 / 26 / ES”（2004/26/欧标）。2004/26/欧标与“4级”均设置了非常严格的排放标准。同期，日本也针对非道路专用机动车提出了一些排放管制法案，以引进低碳技术从而最大限度地减少甚至消除对石油的依赖。农业机动车作为非道路机动车的一部分，也应要求其减轻在农业生产中对环境的影响。根据日本的法律，新的排放标准将从2011年起分阶段实行，针对包括农业机械在内使用柴油发动机的非道路专用车辆；清洁能源的使用将由此成为一项农业产业的任务/命令/强制规定/使命。在各种移动农业机械中，农业拖拉机是最多产的燃油消耗设备（2008年MAFF日本农林水产省；2009年NAME日本国家农业机电协会）；因而很明显拖拉机已成为电气化的研究对象。在以往的研究中，评估了以直流电动机驱动的电动拖拉机，分析研究了其牵引性能和能耗之间的关系，以及电池的布局配置（arjharn等人，2001a；2001b）。本次研究中，提出了以交流电机牵引的电动拖拉机，并就其转矩特性、多种转矩控制方式、驱动电机数量和防水性进行了估算。用一个由电机、控制器和电池组组成的电动系统替换了内燃机的电动拖拉机样机在各种地形和操作要求下执行大田里的实际工作。本文的研究重点在于拖拉机在作物栽培过程中的驱动特性，而不是行驶过程中的牵引特性；采集了功率消耗和其他因素等基本数据，并对实际所需的电机容量进行了分析。最后，对电气系统实际应用方面的性能，如单次充电可达到的连续工作时间和面积，进行了评估。II 研究材料与方法1. 样机规格的测定这项工作作为一个基础性预估，以决定今后开发、应用电动拖拉机的研发方向。在实验中我们改造并使用了一台市场在售的10千瓦级小排量四轮驱动拖拉机，其动力传输相对简单。我们保留了动力传动部分，使用一台三相10千瓦交流电动机替换了两缸柴油发动机。电动机发出的机械能经过减速齿轮，用于驱动旋耕机和前后轮。表1样机的各项参数规格Table 1 Specifications of the prototype tractor款式 Style型号 Model驱动系统 Drive system伊势机 皮卡罗ISEKI PiccoroTC13 (T0614)4轮驱动 4 wheel drive尺 寸Size长度 Length (mm) 1905 宽度 Width (mm) 915高度 Height (mm) 1760最小 离地间隙/离地距离 Minimum ground clearance (mm)265行驶部分 Traveling section换挡变速箱Shift transmission前进档6速倒挡2速行驶速度 (km/h)前进0.72 - 11.98倒退Back0.90, 5.47最小转弯半径 Minimum turning diameter (m)1.5发动机 Engine电动机类型Type双联水冷4冲程柴油机三相交流电动机（Ohsei, GLMI10A1）重量 Weight (kg)470553额定功率 Rated power(kW PS/rpm) (kW)9.613.0/270010控制器Controller-输入 直流 100V输出 3相 200A(Ohsei, GL CI6008A2)蓄电池Battery-锂电池99V (3.3V30)(天能， SE100AHA)图1电动拖拉机系统原理图Fig. 1 Schematic diagram of the electric tractor表1列出了改造前后拖拉机的主要规格。图1显示了电动拖拉机样机电气系统接线图。图2显示的电动拖拉机样机的照片，已装备了电池组（30个3.3 V的单元电池，共计99 V），控制器，电机，和一个12伏辅助电池（主要通过一个直-直变换器从主电池组充电）。转换器的输出电流基于辅助电池充电状态的变化而变化，最大可输出8.5A。图 2电动拖拉机的照片Fig. 2 Photograph of the electric tractor2. 重量和重心的测定改装前后的拖拉机的重量用同一个重量测量装置（INTERCOMP, SW777PRO）测量。通过放置在每一个轮胎下的落地磅秤，改造前后的重心也可计算求得。每个地磅最大量程750公斤，所以最大可测量3000公斤的重量。3. 行驶和耕作中的能耗测量这个实验是在爱媛县两个不同的田地进行的：松山市砥镇（Tobe town, Iyo-gun）的水稻田和爱媛大学农学部实验场的高地旱田。用于试验的高地土壤取自于风化花岗岩土壤（根据国际土壤质地分类标准JSAM, 1996; FUJIWARA et al., 1999），相当于沙质土壤。虽然使用了一个圆锥穿透试验机来测量其硬度，但是土壤还是太过于松软而不好测量。旱地土壤水分含量为14%，而其液限（LL）为51%，塑性极限（PL）为36.3%。稻田土壤的圆锥穿透阻力值为0.45兆帕，含水量为20.3%。液限（LL）为46.4%，塑性极限（PL）为33.2%。电机空载转速约2650 rpm，带载转速约465 rpm；表2列出了设置的行驶速度和耕作深度。使用电压表（日图，gl900）和电流表（三和，cl-22ad）测出每一种条件下的电机电压（V）和电流（A）。然后就可以算出功耗（1W = 1A 1V）。同时也测出了柴油机的燃油消耗量，再通过柴油的热值（37.7 kJml）计算出柴油机的能耗。拖拉机采用了110厘米宽的旋转式耕作机，在其车道方向上有24个刀片。当拖拉机的单向行程20米时，总行驶距离为每轮行程40米。表 2实验条件Table 2Experimental condition田地Field旱地 Upland稻田 Paddy发动机驱动电动机驱动发动机驱动电动机驱动Traveling speeds(m/s)行驶速度0.30-0.390.30-0.330.30.150.27-0.290.45-0.47Tillage depth(cm)耕深12180 （未耕作）12180 （未耕作）111011III 试验结果及讨论1. 总质量与重心改造前，所测得的质量分别为右前轮136kg、左前轮132.5kg，右后轮100.5kg，和左后轮104.5kg。总质量473.0kg。改造后，相应车轮所承受的负载分别为185kg、188kg、95kg、和86kg，对应总质量554.0kg。通过所测数值，可算出改造前后的重心位置（见图 3）。图 3重心位置Fig. 3 Position of the center of gravity计算结果如图3所示。虽然改造后增加质量81.0kg，但由此产生的重心位移仅有车身尺寸的约16%。由于改造后重心的位移是车身保持平衡的最重要因素，所以，测得改造后车身重量的增加对车辆的平衡性没有不利影响。表 3样机的质量和重心位置内燃机拖拉机Engine tractor电动拖拉机Electric tractor质量(kg) Weight (kg)473.0554.0重心位置(m) Position of the centerof gravity (m)a0.450.34b0.430.40c0.460.482. 耕作和行驶时的能量消耗图4为电动拖拉机在旱地上抬空旋耕机、以0.33 m/s的速度行驶时，测得其电动机工作1分钟时长的一组电流、电压和功率的波形。在拖拉机开始行驶后，测得其电池电压略有下降（从99V降到96.8 V）；同时，绘出的平均电流为36 A、平均输出功率为3.62kW。图 4旱地空耕时的电流、电压和功率Fig. 4 Current, voltage, and power in the upland field, with the tiller raised图 5显示了在同样的高地上以18cm的耕深（TD）、0.33m/s的耕速作业时，用相同参数的拖拉机耕地1分钟的实测扫描波形。在这种情况下受到的耕作阻力高，测绘出的平均电流为81.7 A，平均电压为94.6 V，平均功耗为7.2kW。图 5旱地上以18cm耕深耕作时的电流、电压和功率Fig. 5 Current, voltage, and power in the upland field with a tiller depth of 18 cm图 6显示了在稻田里以三种速度（从0.15 m/s至大约0.47m/s）行驶、两种耕深（10cm和11cm）旋耕作业时的功率消耗情况。所有显示的功率值都是大于1分钟工作段下的平均值。符号“”，“”和“*”表示在旱地农田情况下获得的相应的功率值以供参考。图 6各种工况下的平均功率消耗Fig. 6 Average power use over a range of operating conditions如图所示，随着行驶速度和耕作深度的增加，耕作耗能也增加。测得的最大功耗值是在0.45m/s时的9.49kW。由表1所列各规格可知，这种常备拖拉机的工作速度大约在0.20.33m/s的范围内，在这种情况下耕深11cm时的功耗约为7.78.8kW。图 7显示了一组电动拖拉机和内燃机拖拉机分别在0.3m/s的耕速下，测得的等单位功率（kW）和能耗率（kJ/s）的对比。在旱地农田下开始耕作时，发动机拖拉机的功耗是13.7kJ/s（即13.7kW），而电动拖拉机的功耗仅为3.62kW，表明能耗节省了大约73.6%。图 7样机和发动机拖拉机的功耗对比Fig. 7 Power consumption of the prototype and engine tractors由于电动拖拉机的总重量和相应的滚动阻力高于以往的燃油拖拉机，因此，电动机可获得超过80%的效率，比汽油机（约30%）或柴油机（约40%）增加了两到三倍。从而，电动拖拉机比发动机拖拉机的能耗要低很多。当耕深在12cm和18cm时，发动机拖拉机的功耗分别为15.5kJ/s和18.7kJ/s；可电动拖拉机的功耗却相应地仅为4.03kW和7.20kW。因此，通过使用电动拖拉机降低能耗74%（耕深12cm）和61.5%（耕深18cm）。在稻田里耕深11厘米时，发动机拖拉机耗能28.6kJ/s，而电动拖拉机仅消耗8.57kW，节能约70%。在旱地农田和稻田里，耕深的增加均导致了能耗的增加。由于旱地农田的土壤非常松软，预计会有更大的行驶阻力和功耗；实际上，实验发现这些影响在稻田里对内燃机拖拉机和电动拖拉机又都更加明显。据此，可以推断出在耕作过程中的功率消耗要高于正常行驶时。在稻田里，一次充电后的连续工作时长和面积也都可以估算出来。在大约0.3m/s耕速、10cm耕深的条件下，连续工作的时长约一小时，工作面积约1300。这个过程中，电压从105V降低到92V，总耗电量8.09度。此次研究中，我们还发现使用的100V或200V供电电源一次性充满电需要35小时。考察这次试验得出将拖拉机电气化的最大优势在于其马达不直接排放废气。研究结果表明，基于碳排放指标的计算，使用电动机替换内燃机后，拖拉机以0.33m/s耕地1小时（13英亩）时可减排70%，从内燃机拖拉机的9.7kg降到电动拖拉机的2.9kg。计算时使用的近似排放因素相应为燃烧每升柴油排放2619kg（2619kg/L）、一小时内用电功率1kW排放0.378kg（0.378kg/kW）（京都，南丹市，2008年数据）。IV 结论在此次研究把一台现有的10kW级的内燃机拖拉机改造成一台电动拖拉机。汇总了改造后系统的性能参数等有关数据，包括重量的变化和重心的偏移量，以及耕作和正常行驶过程中的功耗。基于这些数据，可以得到电动拖拉机系统有效性的一些相关结论：1将发动机拖拉机改造成电动拖拉机后增加了车身全重。但是重心的相对偏移量却仅有16%。所以，可认为改造后增加了总重却没有破坏整机平衡性。2通过使用纯电动农业机械，我们发现在行驶和农田耕作中的能量消耗可减少最大约70%。随着电动拖拉机总重的增加，其在旱地农田受到的滚动阻力应该会更大，从而能够提高能量转换率超过80%。3此次试验所用的10kW级电动拖拉机样机 单次充电后在工作速度约0.3 m/s耕深10 cm的条件下，连续作业面积可达13英亩。4此例中电气化的最大优势在于消除了直接排放的有害废气。基于以上结论可推断，与同类别柴油拖拉机相比较，所选电动拖拉机减少碳排放约70%。参考文献Arjharn, W., M. Koike, T. Kakigawa, A. Yoda, H. Hasegawa and B. Bahalayodhin. 2001a. Preliminary Study on the Applicability of an Electric Tractor (Part1). Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery 63(3):130-137.Arjharn, W., M. Koike, T. Kakigawa, A. Yoda, H. Hasegawa and B. Bahalayodhin. 2001b. Preliminary Study on the Applicability of an Electric Tractor (Part2). Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery 63(5):92-99. Fujiwara, S., Y. Ogawa, T. Kato and T. Anzai. 1999. Dictionary new edition of Soil Science and Plant Nutrition, Tokyo: Institute of Rural Culture Association. Nantan city, Kyoto. 2008. Global Warmin