Электрификация мини-трактора TZ-4K-14 своими руками: мотор 5 кВт и аккумулятор 48 В

Видео проекта: «Электрификация мини-трактора TZ-4K-14 своими руками. Часть 1» — смотреть на Rutube.

Перед переделкой важно определить, какую работу будет выполнять трактор и сколько часов он должен работать без подзарядки.

Если трактор в основном перевозит грузы по ровному участку, конфигурация из проекта может стать отправной точкой для расчётов. Для тяжёлой работы с навесным оборудованием (к примеру вспашка) мощности 5 кВт может оказаться недостаточно — это нужно оценивать отдельно.

В проекте дизельный двигатель заменили электроприводом, а штатную коробку передач сохранили.

Технические характеристики TZ-4K-14 с дизельным двигателем:

• Мощность: 12 л. с. номинальная, до 13 л. с. максимальная.
• Обороты: до 2200 об/мин.
• Крутящий момент: около 38 Н·м

Коробка передач и переходная плита

Сохранение штатной трансмиссии позволяет использовать существующие передаточные числа и не разрабатывать новый редуктор. Однако нужно согласовать рабочие обороты и крутящий момент электромотора с трансмиссией, а также проверить совместимость валов и креплений.

Для соединения двигателя с коробкой используют переходную плиту или другой рассчитанный адаптер. Важны жёсткость крепления и точная соосность валов: перекос может вызвать вибрацию и ускоренный износ подшипников.

Гидравлика и ВОМ

До покупки компонентов выясните, как на конкретном тракторе приводятся гидронасос и вал отбора мощности (ВОМ). После снятия дизеля штатная схема привода может перестать работать.

Одно из возможных решений для гидравлики — отдельный электродвигатель с насосом. Но он тоже потребляет энергию батареи, что необходимо учитывать при расчёте времени работы. Для ВОМ нужно отдельно проверить механическую схему и требования навесного оборудования.

Мощность двигателя из проекта не стоит автоматически переносить на другую машину. При выборе мотора учитывают:

• крутящий момент в рабочем диапазоне оборотов;
• требуемую скорость движения;
• массу трактора и груза;
• рельеф и тип грунта;
• продолжительность работы под нагрузкой;
• охлаждение двигателя и контроллера.

Особенно тяжёлый режим — длительная работа с большой нагрузкой на малой скорости. Ток может оставаться высоким, а охлаждение — быть недостаточным. Поэтому важно проверить допустимый режим работы мотора и контроллера, а также предусмотренные производителем средства контроля температуры.

Подробнее о расчёте мощности — в статье «Как рассчитать мощность электродвигателя для электротранспорта».

Доступные варианты можно посмотреть в каталоге BLDC-двигателей Golden Motor. Конкретную модель следует подбирать после определения требуемых оборотов, момента и режима нагрузки.

Номинальная энергия батареи 48 В, 100 А·ч составляет:

Но не всю номинальную энергию можно использовать в каждом рабочем цикле. Доступная ёмкость зависит от химии батареи, ограничений BMS, температуры и допустимой глубины разряда.

Для примера возьмём 4 кВт·ч полезной энергии. Это расчётное допущение, а не подтверждённая характеристика батареи из видео.

Формула для предварительной оценки:

Это ориентир, а не гарантия. При трогании, движении в гору и работе с навесным оборудованием потребление может заметно возрастать.

Заявленные автором 3–4 часа работы с прицепом массой около 700 кг — результат конкретного проекта в определённых условиях. Чтобы понять, повторится ли он на вашей машине, нужно оценить среднюю нагрузку и рабочий цикл.

При мощности 5 кВт и напряжении 48 В упрощённая оценка тока составляет:

Реальный ток зависит от напряжения под нагрузкой, КПД системы и режима работы; кратковременные пики могут быть выше.

Поэтому батарею выбирают не только по напряжению и ёмкости. Нужно проверить допустимые непрерывный и пиковый токи аккумулятора и BMS, а также совместимость с контроллером, кабелями, разъёмами и защитой.

Какую батарею выбрать

Для электротехники часто рассматривают литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). При выборе сравнивают не только цену и ёмкость, но и допустимые токи, ресурс, массу, габариты, температурные ограничения и возможности BMS.

Отдельное внимание — зарядке зимой. Допустимая температура зависит от конкретной батареи и рекомендаций производителя. Многие LiFePO4-аккумуляторы нельзя заряжать при температуре ниже 0 °C без предусмотренного производителем подогрева или другого разрешённого решения.

Полезные материалы:

• Как рассчитать аккумулятор для электротранспорта
• LiFePO4-аккумуляторы: почему их выбирают для электротранспорта
• Каталог аккумуляторов

Контроллер управляет работой электромотора и регулирует его работу в соответствии с управляющим сигналом. BMS следит за состоянием аккумуляторных ячеек и, в зависимости от модели, обеспечивает защиту от определённых аварийных режимов. Однако BMS не заменяет остальные средства защиты.

В типовой силовой цепи могут использоваться следующие элементы:

Аварийное отключение должно быть предусмотрено в спроектированной цепи управления. Конкретная схема зависит от батареи, контроллера и требований производителей компонентов.

При проектировании важно учесть:

• Предохранитель. Его выбирают по параметрам системы и способности безопасно отключить ожидаемый ток короткого замыкания.
• Контактор и предзаряд. В системах, где они предусмотрены, эти элементы позволяют управлять подключением силовой цепи и ограничивать бросок тока при зарядке входных конденсаторов контроллера.
• Кабели и разъёмы. Их сечение и допустимый ток должны соответствовать нагрузке, длине и условиям прокладки.
• Крепление и изоляцию. Батарею и силовые компоненты защищают от смещения, вибрации, влаги и грязи.

Подробности — в руководстве «Подключение BLDC мотора: подбор контроллера и проводов AWG».

Также доступны контроллеры, BMS для LiFePO4 и кабели.

Перед работой с силовой цепью отключите систему в соответствии с инструкцией производителя. Не кладите металлические инструменты на батарею, защищайте соединения от случайного контакта и надёжно закрепите аккумуляторный блок.

Перед первым включением необходимо проверить:

• полярность и правильность соединений;
• изоляцию и защиту кабелей от перетирания;
• затяжку клемм и креплений;
• соответствие предохранителя и защитных устройств проекту;
• работу аварийного отключения;
• отсутствие людей и препятствий в опасной зоне.

Первый запуск следует выполнять по инструкции производителей оборудования. Если для проверки нужно вывешивать ведущие колёса, используйте рассчитанные на нагрузку опоры и безопасную процедуру. При отсутствии опыта проектирования силовых систем поручите проверку специалисту.

Регистрация и изменение конструкции. Переоборудование самоходной машины может повлиять на требования к регистрации, техосмотру и оформлению изменений. До начала работ уточните действующий порядок в соответствующем органе Гостехнадзора.

Основные статьи расходов:

1. Батарея с BMS.
2. Электродвигатель и контроллер.
3. Предохранитель, контактор, элементы предзаряда, кабели и разъёмы.
4. Переходная плита, крепления и механические работы.
5. Решение для гидравлики и ВОМ, если они нужны.
6. Зарядное устройство и организация места для зарядки.

Батарея может составлять значительную часть бюджета, поэтому сначала стоит рассчитать реальную потребность в энергии. Сравнивая переделку с покупкой готового электротрактора, учитывайте не только стоимость компонентов, но и работы, обслуживание, зарядную инфраструктуру и оформление изменений.

1. Определите задачи, нагрузку и продолжительность работы без зарядки.
2. Решите, как будут работать гидравлика и ВОМ.
3. Рассчитайте мощность двигателя и ёмкость батареи.
4. Проверьте совместимость мотора с трансмиссией по оборотам, моменту и креплению.
5. Подберите совместимые контроллер, BMS, кабели и защиту.
6. Продумайте размещение батареи, её крепление и температурные условия зарядки.
7. Проверьте систему до эксплуатации; первый запуск силовой цепи лучше проводить со специалистом.