电动拖拉机发展现状及关键技术分析.pdf

电动拖拉机发展现状及关键技术分析冯汝广，王梦娇，牛晓硕，贾天具（聊城市农业科学院，山东 聊城 ）摘要：电动拖拉机作为一种绿色农机装备，是农业节能减排的重要工具，发展前景可期。以现有研究成果技术特点和性能配置为重点，梳理了电动拖拉机的研究进展，特别是近几年涌现的新成果、新技术、新模式，对电池、燃料电池、驱动系统等核心部件及关键技术进行了分析，指出电动拖拉机发展过程中存在的不足并提出相关建议。关键词：电动拖拉机；发展现状；电池；电机；关键技术中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；年 月，生态环境部发布的 非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求（）明确自 年 月 日起，所有生产、进口和销售的 以下非道路移动机械及其装用的柴油机应符合中国第四阶段排放标准要求（简称“国四”）。年 月，农业农村部制定的“十四五”全国农业机械化发展规划 提出因地制宜发展电动农机装备。国家一方面提高农机排放标准和市场准入门槛，减少农业碳排放，一方面积极引导电动农机的发展，加快推动农机装备向绿色转型，为电动农机的研究、应用提供政策支持。拖拉机是农业生产作业中应用最广泛的农机装备，通过配备不同的农机具可用于运输、犁耕、播种、植保、收获等多个环节 。但目前拖拉机基本上是以柴油发动机为动力，其自身的能源消耗和污染物排放是节能减排的重点和难点。随着新能源技术的不断发展，拖拉机电动化已成为未来拖拉机发展的主要方向。发展现状电动拖拉机最早出现在 世纪 年代末，已有 多年的发展历史 ，发展初期主要由电网提供电源，再加上受限于其它相关技术，农艺适用性较差，相对于燃油拖拉机性价比较低，未能大规模应用，总体发展缓慢。进入 世纪后，随着能源危机的加剧、生态环境形势愈加严峻以及新能源技术的飞速发展，相关科研机构、高校、企业对电动拖拉机的研究、应用更加重视，取得了丰硕的成果。国外研究现状 年 月，凯斯纽荷兰在德国汉诺威农业展览会中展出氢动力 拖拉机 ，氢气罐可容纳 的氢气，配备 、的电池，最大输出功率 ，最高速度 。年 月，约翰迪尔在法国 展上发布了世界上首款纯电动拖拉机 。功率为 ，配置两块电池，每块提供 的功率，其中一块为行走供电，另一块为 供电，也可将两块电池连接，提供更大功率，已经完成田间作业测试，可胜任传统拖拉机的任何作业功能。更为关键的是，动力部分电动化为将来农机自动化、智能化奠定了基础。收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，年 月，芬特 纯电动拖拉机亮相 德国汉诺威农机展 ，设计理念与约翰迪尔 基本相同，配备了 、的锂离子电池，标准动力为 ，这是一款中功率段的电动拖拉机。年 月，凯斯纽荷兰推出纽荷兰 电动无人驾驶拖拉机概念机 ，峰值功率输出为 ，最大扭矩为 ，四轮驱动拖拉机的最高速度为 ，采用市售快速充电系统，一小时即可达到 的电量。这款新型拖拉机可将运营成本降低 ，噪音及振动也大大减弱，商业生产预计将于 年底开始。国内研究现状 年 月，国家农机装备创新中心牵头发布了国内首台 氢燃料电动拖拉机 ，以氢燃料电池供电为主，锂电池供电为辅，配备 高清摄像头、蘑菇头 天线、毫米波雷达、大数据云平台等智能设备，能够在平地或坡地工况下实现无人驾驶作业。年 月，首台东方红 混合动力拖拉机 成功下线 ，该机型以中国一拖自主研制的复联式农机混动系统为基础，配套东方红国四高压共轨发动机，国产化率达到 以上，纯电动模式可以满足轻负荷作业需求。年 月，江苏悦达智能农业装备有限公司推出黄海金马 纯电动拖拉机 ，采用磷酸铁锂电池，额定功率 ，双电机工作模式，电机与变速箱直联，总线控制技术，具有远程智能互联功能。年 月，由中联重科农机公司研发制造、负责工业设计的 纯电动大棚拖拉机样车在第 届中国中部（湖南）农业博览会农机装备馆亮相 。纯电动大棚拖拉机采用双电机独立系统、四轮驱动，液压转向，实现行走与作业的无级变速与自动换向；具备定速巡航、液压悬挂位控制功能；可选装电液提升、无人驾驶等智能模块，满足不同的用户需求。动力电池采用 、的磷酸铁锂电池，行走电机和作业电机分别为额定功率 转速 和 的永磁同步电机，拖拉机轴距 ，整机质量 ，最大提升力和牵引力为 、，综合续航时间为，充电时间：交流慢充 ，直流快充 补能 。年 月，在全国农业机械展览会上，国家农机装备创新中心与江苏大学联合研制的 轮边 轮毂电机电动拖拉机成为发布会上的“吸睛”产品 。该款电动拖拉机基于北斗导航系统，具备无线远程遥控功能和无人驾驶功能，可实现无人作业、大规模协同作业，运用“”通讯技术接入网络，与云端交互实现智能化作业监控和管理。其驱动系统、动力输出系统、制动 转向系统、液压提升系统及整车控制系统等已全部实现电控化。电动拖拉机关键技术 燃料电池技术燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应直接转换为电能的能量转换装置，是氢能使用最普遍的能量转换方式。燃料电池工作时不涉及做功和其他形式的能量转化过程，能量转换效率非常高，理论上高达 ，实际使用效率 。氢燃料电池主要由 部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。氢气和氧气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。氢气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧气结合生成离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与氢气反应，构成回路，产生电流 。在实际使用时，燃料电池系统并非一个单一的化学反应堆，还包括：空压机、冷却系统、加热器、燃料电池控制器（）、储氢装置等辅助装置，架构图如图 所示。其中，是整个系统的“大脑”，主要功能有：实时电压、电流、储氢压力等相关数据的接收与处理；短路监测；故障诊断，包括温度、电压、电流、通信等；燃料电池系统安全管理功能，包括过流、过热、电压差、温差等保护。图 燃料电池系统架构图 燃料电池电压输出特性偏软，冷启动性能较差，且动态输出响应较慢，在瞬时加速、爬坡等工况下可能会导致动力不足，在应用中通常需要配合其他辅助能量源。输出电压电流特性如图 所示 。由图 可知：在放电的最初阶段，输出电压压降非常大，随着电流的继续增大，输出电压压降逐步减小，但仍比普通电池压降大。冯汝广等：电动拖拉机发展现状及关键技术分析图 单体质子交换膜燃料电池输出电流与电压关系曲线 电池技术电池包由若干个电池模组（）串并联组成，串联提高电压，并联提高容量，根据拖拉机动力系统要求合理串并联模组，每个模组又是由若干个电池单体串并联而成。电池的评价指标主要有充放电倍率、能量密度、安全性能、循环寿命、温度适应性等，锂离子电池具备质量轻、能量密度高、容量大、寿命长、无记忆效应等优点，目前在电动汽车和电动拖拉机上得到普遍的应用，但是还存在能量密度不够大、循环寿命不够长的问题。电池管理系统（）在电池的状态监测、安全预警等方面扮演着重要角色，主要功能是电池的荷电状态（）实时估算、电池单体的数据采集、信息传递、安全管理、热管理、故障码上报、实时警示和故障保护等。电机驱动系统电机驱动系统是电动拖拉机的核心关键部件之一，包括电机及电机控制器（逆变器）。由于电动拖拉机其作业环境较为复杂，易出现负载突变、阶跃等工况，因此电机需要有较大的启动转矩、较强的过载能力、较好的可控性。车辆用驱动电机主要有交流异步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机、永磁同步电机。无刷直流电机具有控制简单、峰值效率高、功率密度大的优点，可较好的应用在电动拖拉机上。逆变器的基本原理是通过开关管（常用 ）将直流电源交替导通来实现交流输出，如图 所示。图 逆变器基本原理 能量管理控制技术电动汽车的能量管理控制技术已相对成熟，但电动拖拉机的作业工况复杂、环境恶劣，并且由于工作模式区别较大，控制策略与控制逻辑有显著的不同，因此，电动汽车的能量控制技术并不能直接应用在电动拖拉机上。江苏大学夏长高团队及河南科技大学胥文翔团队都对电池和超级电容复合电源的拖拉机能量管理策略进行了研究，结果表明，双电源组合能够在输出电流平稳性、电池内阻能量消耗量、整车运行经济性等方面均有明显的改善 。西北农林科技大学吴科洪对增程式电动拖拉机动力系统参数进行匹配与优化，针对拖拉机犁耕工况提出了等效因子自适应的等效燃油消耗最小能量管理策略，并进行了硬件在环仿真试验，结果表明能够降低拖拉机的能耗 。智能驾驶技术我国智能驾驶系统的研究起步较晚，但经过 多年的努力，技术研发实力得到了较大的提升，如今与世界先进水平，基本处于同一起跑线上。在部分领域，已具备自主研发能力，能够自行设计和研制智能驾驶系统所需要的 接收机，集成高精度板卡、多制式通讯模组、主控 技术等 。目前，已有多家企业的智能驾驶拖拉机在田间作业中得到了应用，如潍柴雷沃的欧豹 拖拉机、中联重科的 拖拉机等。存在的不足 暂未实现商业化应用目前已有多个电动拖拉机厂家生产出研发样机，有的已通过田间试验验证了功能和性能。但是，目前还未见有厂家向市场推出电动拖拉机。系统化的标准体系还未形成由一拖集团主导编制的 电动拖拉机 主要用作企业标准进行实施，主要基于一拖集团开发的定向车型进行编制 ，总体来看，在电动拖拉机方面的相关标准基本处于空白状态。电磁兼容（）方面的研究较少电动拖拉机配备了电机控制器、等部件，这些高压大电流开关器件和低压高频开关器件产生的高频谐波电流 电压，通过导电体传导和空间辐射对控制器件等弱电电路造成电磁干扰，使电动拖拉机的整体电磁环境变得复杂，导致通讯可靠性降低，严重时会造成通讯故障。目前，针对电动拖拉机电磁兼容方面的研究非常少。拖拉机与农用运输车第 期 年 月 自动驾驶系统使用年费上涨在自动驾驶系统使用过程中，定位信号传输需要支付一定费用，通常按年收取，并且近几年价格有上涨的趋势，不利于自动驾驶系统的推广应用。发展建议 加快成果转化应用在保证人、机安全，满足试验要求的相关条件下，加快电动拖拉机的市场化、商业化应用，同时做好售后跟踪、服务工作，收集运行过程中存在的问题，并不断进行优化。推进标准体系建设主管部门鼓励、支持、引导行业专家、重要企业、社会团体等积极参与标准制订工作，尽快规范电动拖拉机的相关术语、性能、试验等，推进电动拖拉机标准体系建设，与行业发展良性互补、相辅相成。加强对电磁兼容方面的研究一方面以电机控制器、等核心零部件为研究对象，控制其自身所产生的干扰的同时提高自身抗扰度，另一方面科学布置整机高低压部件，如高低压线分离、屏蔽层接地等。推动产业规模化发展积极推动电动拖拉机及其相关技术的规模化发展，健全产业链，提高行业的规模效益，降低单个产品的生产成本，降低农民购买、使用成本。坚持技术创新，深化应用研究坚持自主创新，深入研究各项关键技术，如智能驾驶技术、电池能量密度、循环使用寿命等，为农业从业者提供更加优质、高效、可靠的产品。结语目前，电动拖拉机还处于发展的起步阶段，但随着关键技术指标不断提升，将逐渐走向市场并被广泛认可。由于其具备控制灵活、响应速度快的优点，北斗导航技术、物联网技术等先进技术更容易应用在电动拖拉机中，也会进一步促进电动拖拉机的发展。参考文献：陈燕呢 电动拖拉机动力系统设计与驱动控制方法研宄 北京：中国农业大学，高辉松，张董，朱思洪 基于 的电动拖拉机仿真系统开发与应用 计算机仿真，（）：赵国栋，管春松，高庆生，等 电动拖拉机发展现状与趋势 江苏农业科学，（）：刘孟楠 电动拖拉机设计理论及控制策略研究 西安：西安理工大学，佚名 纽荷兰 氢动力拖拉机未来农业新能源动力的先行者 农业机械，（）：段运红 近距离感受约翰迪尔纯电动拖拉机 农业机械，（）：段运红 盘点新能源拖拉机，哪款代表未来发展趋势 农业机械，（）：王婧 主流电动拖拉机观察：未来已来 ：，陶建华 中国一拖发布全国首款 氢燃料电动拖拉机 当代农机，（）：佚名 中国一拖混合动力拖拉机下线，年投放市场 农业机械，（）：鹤鸣亭 新品首次公开揭牌！悦达黄海金马精彩亮相 中国国际农机展 ：，佚名“超级电动”中联纯电动大棚拖拉机惊艳亮相农博会 ：，北垦农机 新能源拖拉机探路（十五）：，黄婷，胡嫦元 新能源 无人驾驶”拖拉机实现原地旋转 ：，刘洁，王菊香，邢志娜，等 燃料电池研究进展及发展探析 节能技术，（）：徐立友，刘恩泽，刘孟楠，等 燃料电池 蓄电池混合动力电动拖拉机能量管理策略 河南科技大学学报（自然科学版），（）：夏长高，杨彦祥，孙闫，等 复合电源电动拖拉机能量管理策略研究 中国农机化学报，（）：胥文翔，徐立友，刘孟楠，等 复合电源式电动拖拉机能量管理系统策略研究 中国农机化学报，（）：吴科洪 增程式电动拖拉机性能和能量管理策略的模拟与仿真分析 西北农林科技大学，中国农业机械流通协会 农机自动驾驶系统发展研究 农机市场，（）：薛占坡，赵心，吴蒙，等 新能源电动汽车与拖拉机标准化现状及趋势 拖拉机与农用运输车，（）：（编辑张晓超）作者简介：冯汝广（），男，山东聊城人，硕士，工程师，研究方向为智慧农业及装备。通讯作者：贾天具（），男，山东聊城人，本科，教授级高级工程师，研究方向为农业装备。冯汝广等：电动拖拉机发展现状及关键技术分析