引言
高效設施農業是現代農業的顯著標志， 是最有活力的農業新產業。 近幾年， 我國設施栽培面積逐年增加。 2012年我國設施栽培面積為1.45Mhm2， 其中鋼架大棚占63.5%[1]。 我國設施農業起步較晚， 機械化作業水平較低， 作業質量也較差， 除耕整地大多采用機械化外， 施肥、 播種、 移栽等很多作業環節主要由人工完成。 由于我國目前溫室棚型結構設計時未考慮機械作業裝備進溫室的要求， 一些大中型自走式動力拖拉機難以在溫室內實施， 故而相應的配套機具也難以在溫室內發揮其效用， 直接制約著設施栽培產業的規模發展。 因此， 開發一種多功能小型化的高配套率溫室用拖拉機顯得很有必要。
1 電動拖拉機現狀
1.1國外現狀
最早研究生產電動拖拉機的是德國的西門子公司， 其在上世紀初就推出了36.8kW電驅動乘坐式拖拉機， 采用電纜線供電方式， 配帶旋耕機具在田間作業。 但其工作效率受電纜長度的限制， 并且還需配備升壓裝置[2]。 從上世紀70年代開始， 研制的電動拖拉機都是選用電池電源或小型發電機組作為動力源。 最早以電池組作為動力的電動拖拉機是由美國GeneralElectric公司 推出的Elec-Trak系列電動拖拉機[3]， 功率從5.9~11kW不等， 主要用于草坪修剪作業。 直至上世紀90年代電力技術和電池技術有了很大的提高，電動力拖拉機的研究得到了許多國家的追捧。 美國Gorilla Vehicles 公司生產的 e-ATV 系列電動拖拉機 ，功率為4.8kW到6.2kW， 控制由智能控制器完成， 實現無級變速[4]。 加拿 大Electric Tractor 公司 的ElectricOx系列電動拖拉機采用獨特設計的雙電機/齒輪箱機構、 電子差速器等先進設備， 具有制動能量再生功能， 除實現割草功能外， 可直接掛接鏵式犁、 旋耕機、 掃雪機等。 2011年日本井關農機株式會社推出適合園藝作業的小型電動拖拉機[5]， 最大 功率約為9.5kW， 可進行旋耕和除草作業。
1.2國內現狀
2007年南京農業大學高輝松博士等最早開始從事電池組為動力的電動拖拉機研究， 提出了一套電動拖拉機評價指標以及電驅動系統設計方法， 對驅動系統進行了仿真研究[6]。 2012年西北農林科技大學楊福增教授團隊研制出了一種微型遙控電動拖拉機[7]， 并進行了整機試驗， 對樣機在某一犁耕工況下各檔位的牽引效率也進行了試驗研究。 2012年中國一拖集團與美國通用公司正式簽訂電動拖拉機項目合作協議， 共同推動實現電動拖拉機關鍵技術的突破， 擬開發用于大田作業用的電動拖拉機原型機[8]。
綜上所述國內對電動拖拉機已開始少量的研究，但仍處于起步階段， 這些電動拖拉機均是針對露地作業而設計， 針對設施栽培用的小型自走式電動拖拉機方面的研究鮮有報道。
2 設施栽培用小型電動拖拉機結構及部件選配
2.1整機結構
針對國內外研究現狀， 結合溫室結構特點， 農業部南京農業機械化研究所提出了一種溫室 \\(鋼架大棚\\)內用小型履帶式電動拖拉機。 整機結構布局示意圖如圖1所示， 主要包括動力集成裝置、 轉向制動裝置、傳動系統、 履帶行走機構、 提升裝置和座椅。 動力集成裝置安裝在底架的前端， 主要包括能量管理控制器和鋰電池組； 轉向制動裝置位于底架的中部， 主要包括左操縱桿、 右操縱桿、 制動踏板和加速踏板； 傳動系統包括牽引電機、 牽引電機控制器、 變速箱、 后驅動橋和檔位操縱手柄； 履帶行走機構傳動連接在后驅動橋的兩側； 提升裝置安裝在后驅動橋的上方， 處于底架尾部。
2.2工作原理
整機工作原理如圖2所示， 主要包括電氣控制部分和機械傳動部分。 電氣控制部分負責整個電動拖拉機的能量控制與分配； 機械傳動部分負責動力輸出。
能量管理控制器連接鋰電池與牽引電機控制器、 提升電機控制器， 控制鋰電池的電能釋放。 牽引電機控制器通過對牽引電機的轉矩、 轉速和轉向的控制， 以達到對牽引電機動力輸出大小的控制； 牽引電機的動力經過變速箱、 后驅動橋， 最終將動力傳遞給履帶行走機構。 加速踏板和制動踏板下的傳感器信號可傳遞給牽引電機控制器， 相應地傳輸給能量管理控制器重新分配能量， 以實現加速和減速等動作。 通過左操縱桿和右操縱桿的聯合控制可實現整個拖拉機的轉向?！?】
當電動拖拉機不進行農機具作業時， 能量管理控制器將只釋放電能給牽引電機， 以滿足電動拖拉機直行、 轉向等動作所需的能量即可， 通過對檔位操縱手柄的調節， 可實現不同行走速度的控制。 當農機具耕整地作業時， 需要同時分配電能給牽引電機和提升電機， 牽引電機不但要提供自身行走動力， 還要負責機具工作動力； 提升電機負責三點懸掛機構的工作高度，實現對耕深的智能無級調控， 可調節深度調節手柄來調整機具作業的深度， 完成不同耕深要求的作業。
2.3核心部件選配
2.3.1 電池選擇
電池作為電動拖拉機工作的動力源， 其技術的發展對整個電動拖拉機的動力性、 經濟性和安全性至關重要。 考慮到鋰離子電池具有高負荷作業能力和續航能力， 選用鋰離子電池作為電動拖拉機的動力源。 而且鋰電池質量輕， 體積也就相對較小， 有利于整機在潮濕的鋼架大棚環境中行走。 鋰電池組的數量則根據牽引電機的最大功率和連續作業時間這兩個參數來確定。 鋰電池所需的數量n最少為：【2】
2.3.2 能量管理控制器
電動拖拉機用的電池使用中其性能發揮得如何，除與電池模塊自身性能有關外， 能量管理系統的正常工作會使電池模塊的性能得以充分發揮， 減少電池模塊故障， 延長使用壽命。 能量管理技術包括電池荷電狀態 \\(SOC\\) 技術、 能量回收技術、 熱管理技術、 通信技術等。 能量管理控制器通過綜合分析鋰電池組驅動牽引電機和提升電機等各個動力部件運行特性及效率特性， 優化動力系統效率， 實現總體效率最大。 能量管理控制器的目標為：【3】
2.3.3 牽引電機選擇
目前常用的牽引電機有直流串勵電機、 籠型感應電機、 永磁無刷電機、 開關磁阻電機等。 永磁無刷直流電機相比于其他電機， 具有良好的動、 靜態調速特性， 且結構簡單、 運行可靠、 易于控制， 可采用經典的PID控制， 算法簡單緊湊， 運行可靠。 對于牽引電機最為重要的選擇參數為額定功率， 本樣機中電機所需的額定功率PN為：【4】
2.3.4 電動提升器裝置
現有的拖拉機液壓懸掛系統多為機械式， 該系統由桿件和彈性元件組成， 存在著結構比較復雜， 彈性元件的遲滯， 機械摩擦和桿件的脹縮會影響調節性能等缺點。 針對設施栽培作業質量水平一致的要求， 本樣機采用了電動提升器裝置， 包括提升電機控制器、提升電機、 減速裝置、 深度調節手柄、 三點懸掛機構、 直線位移傳感器和轉角傳感器等。 提升電機控制器控制著提升電機的轉矩、 轉速和轉向， 提升電機的動力輸出端通過蝸輪蝸桿減速裝置降速后， 將動力傳遞至三點懸掛機構。 該電動提升器裝置中安裝有力位移傳感器和轉角位移傳感器， 可間接測量耕作阻力和耕深參數。 作業時， 駕駛員調定耕作深度目標值后，電動懸掛裝置自動控制完成農具的提升或下降， 以實現實際耕深與目標耕深的一致。
3 小結
溫室用小型電動拖拉機作為一種新型設施農用動力機械， 具有效率高、 噪音低、 污染小、 操作方便等優點， 是一項集機電于一體的高新技術裝備， 其將節能環保新能源技術引入到農機裝備領域， 符合高效綠色設施農業裝備發展要求， 同時推動了農機裝備智能化的進程。
電動拖拉機的發展與許多瓶頸技術有關， 如新型電池 \\(如太陽能電池、 氫能電池、 燃料電池等\\) 技術的應用直接決定續航里程和棚內作業效率。 另外還有一些配套設施的缺乏， 如快速充電設備的配套， 電池充電時間過長等問題。 這些關鍵技術的突破有助于加速電動拖拉機的推廣應用。 總之， 電動拖拉機雖然目前仍處于發展起步階段， 短期內可能還不能取代傳統燃油拖拉機， 但是電動拖拉機的產業化經營的前景很廣闊， 相信其普及會在不久的將來實現。
參 考 文 獻
[1] 農業部農業機械化管理司 . 全國農業機械化統計年報 -2012[M].2012.
[2] 高輝松, 朱思洪, 等. 電動拖拉機發展及其關鍵技術 [J]. 拖拉機與農用運輸車, 2007, 34 \\(6\\) : 4~7.
