電動拖拉機發展現狀與趨勢

趙國棟， 管春松， 高慶生， 楊雅婷， 陳永生， 崔志超

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

隨著電機學、微電子技術、自動導航等現代技術的發展和高能量密度儲能設備的研發以及機械制造業的日趨成熟，電動車輛不斷出現并普及。此類高新技術的發展有助于將電動汽車的成果應用到農業機械上，并為農用電動拖拉機的研發提供理論依據和技術支撐。以電能為利用形式的新能源取代石油等一次能源是未來能源的發展趨勢。電動拖拉機能有效解決傳統燃油拖拉機噪音大、效率低、尾氣排放污染環境等問題[1]，而且電動拖拉機具有靈活的功率控制能力，傳動機構多用電機控制，能進一步簡化整機結構。目前，國內對電動拖拉機的研究仍處于起步階段而且多集中在基礎研究方面。本文從技術角度對國內外電動拖拉機的發展歷程，電池、傳動、轉向及懸掛等關鍵部件及系統進行分析，以期為今后電動拖拉機的研究和發展提供參考。

1 國內外電動拖拉機研究現狀

1.1 國外研究現狀

縱觀電動拖拉機100多年的發展歷程，電動拖拉機的發展主要分為2個階段：第1階段是從19世紀80年代末到20世紀70年代，這一階段主要由電網提供電源，在這一階段德國、瑞典、前蘇聯等國家對電動拖拉機進行了開發研制：1912年西門子股份公司研制出一種用于驅動旋耕機的電動拖拉機；1941年瑞典研制出一款可換耕具的多用途電動拖拉機；1949年前蘇聯研制出一臺37 kW的新型電動拖拉機。這一階段的電動拖拉機大多都通過長長的導線與電網相連接，受電纜長度影響，其工作效率較低。第2階段是從20世紀70年代至今，是由車載電池提供能源。20世紀70年代美國通用電氣公司率先使用蓄電池和永磁無刷電機作為動力源，研制出Elec-Trak系列電動拖拉機[2]，這也是現代電動拖拉機發展的開端。自20世紀90年代開始，隨著能量存儲裝置和控制技術的迅速發展，電動拖拉機也有了長足發展。美國Gorilla Vchicle公司率先研制出一臺可以實現無極變速以及智能控制的電動拖拉機[3]。2011年，日本井關農機株式會社研制出一臺可用于旋耕和除草作業的電動拖拉機[4]。2012年日本愛媛大學研制出一臺可用于溫室大棚工作的小型電動拖拉機，該電動拖拉機具有無尾氣排放、噪音小等優點。2017年法國SIMA展，John Deer公司發布了世界首款純電動拖拉機——可持續能源供應農業機械(sustainable energy supply for agricultural mmachines，簡稱SESAM)。該電動拖拉機可持續作業4 h，由于是電力驅動整個傳動系統，所以結構簡單，降低了傳輸環節的功率損失。

1.2 國內研究現狀

我國電動拖拉機起步晚，從2007年開始南京農業大學的高輝松博士團隊研發出6檔的四輪電動拖拉機，并不斷對其進行優化完善，提出驅動系統設計的相關理論和計算方法并對驅動系統進行仿真研究[5]。2012年西北農林科技大學王元杰團隊以鉛蓄電池為動力源、直流串勵電動機為動力機研制出一款溫室遙控電動拖拉機，進行整機試驗并提出電池能量分配理論[6]。2017年中國農業大學陳燕呢等以小型電動拖拉機為研究對象，進行控制器局域網絡(controller area network，簡稱CAN)總線通信網絡結構設計，并對網絡節點進行功能定義，為我國電動拖拉機領域智能化的研究提供了參考[7]。綜上所述，國內外對電動拖拉機的理論研究及樣機研制已經取得了一些成果，目前已經向自動化、智能化方向發展。

2 電動拖拉機發展的關鍵技術

2.1 電池與能量分配技術

電池作為純電動拖拉機唯一的能量源，其性能的優劣直接決定了電動拖拉機動力性、經濟性、安全性的好壞。因此，對純電動拖拉機電池進行研究具有重要意義。目前廣泛應用于市場的動力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池，4種電池在比能量、安全性、成本等方面的比較如圖1所示。

鋰離子電池作為新一代的化學電源，具有比能量大、質量輕、無污染、充放電短等優點但其缺點也非常明顯，主要集中在再循環能力方面。目前，新電池技術的研發也主要集中在鋰離子電池技術方面的突破。德國DBM Energy公司研制的KOLIBRI鋰聚合物電池組比能量可達340 W·h/kg，可提供55 kW的功率；美國SionPower公司的產品，比能量可達 350 W·h/kg[8]。就電動拖拉機作業要求可以選擇鋰離子電池和超級電容器搭配，得到新型的鋰超級電容器提供動力電源，這種電池安全性能好、比能量高、節能環保，適合作為電動拖拉機的動力來源。

鋰超級電容器組的數量n根據連續作業時間和牽引電機的最大功率這2個參數確定[9]。

n=max(n1,n2)。

(1)

式中：n1為牽引電機峰值功率所需鋰電池數量；n2為整機連續作業時間所需鋰電池數量。

(2)

式中：PNmax為牽引電機峰值功率；Pbmax為單個鋰電池所能提供的最大功率；ηmc為牽引電機及控制器整體效率。

(3)

式中：Tmin為整機連續作業時間；PN為牽引電機的額定功率；w為單個鋰電池所能釋放的電能。

電動拖拉機使用的動力電池有高功率密度、高能量密度、節能環保等要求，所以須要對電池進行行之有效的能量分配管理。電池能量管理主要包括估算電池組的荷電狀態(state of charge，簡稱SOC)、動力電池組狀態采集、均衡控制熱管理等。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的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。整車能量系統對電源的需求功率為Preq(t)，電源系統允許輸出功率為Pess(t)，由鋰電池提供功率Pli(t)和超級電容提供功率Puc(t)組成，即有：

Preq(t)=Pess(t)=Pli(t)+Puc(t)。

(4)

定義電池功率分配因子K，則有[10]：

K=Pli(t)/Puc(t)。

(5)

能量管理控制器的目標為

(6)

式中：F(X)為目標函數，表示鋰電池綜合耗電量；gi(X)為約束條件，表示電動拖拉機必須滿足的最高行走速度、最快工作速度、持續工作時間、加速性能等。

2.2 傳動系統

傳動是電動拖拉機底盤的重要組成部分，其作用是根據電動拖拉機作業需求的不同，將電動拖拉機的動力轉變為一定的轉速和相應的轉矩，其性能將直接影響電動拖拉機整車的動力性、舒適性和經濟性。楊立昆等通過對車輛傳動系統之間的探索，指出其內在變化規律，并提出傳動系統的未來發展趨勢[11]。江蘇大學商高高等針對履帶式電動拖拉機傳動系統進行優化和匹配，最終確定總機布置示意如圖2所示[12]。中國農業大學謝斌等對雙輪驅動電動拖拉機傳動性能進行研究，提出如圖3所示的總體結構方案，并對其進行性能測試、理論計算和試驗驗證[13]。

傳動系統由離合器、中央傳動機構、變速箱及最終傳動等構成。由于電動拖拉機須要與農機具配套完成田間作業，因此對拖拉機傳動特性可以結合傳動快速性、換擋性能、平順性和傳動效率等4個方面綜合進行分析[14]。

2.2.1 穩定時間反映傳動的快速性，也就是動力在傳動系統各部件之間的傳遞時間：

(7)

式中：t為穩定時間；v為行駛速度；v1為起始速度；v2為終止速度；a為加速度。

2.2.2 拖拉機換擋過程中對傳動系統會有較大沖擊，減少傳動元件的使用壽命。沖擊度為拖拉機縱向加速度的變化率，排除了因道路條件產生的顛簸等的影響，可以真實體現傳動系統的壽命。

(8)

式中：j為沖擊度。

2.2.3 傳動平順性體現了動力從電動機在各級傳遞系統中的傳遞良好性，是換擋品質的良好體現，快捷、平穩、無沖擊的換擋品質可以提高整機舒適性并且是元件使用壽命的重要保證。

2.2.4 傳動系統的效率損失主要由主減速和變速器產生，可以通過傳動系統輸入端和輸出端功率的比值計算得出：

(9)

式中：ηc為傳動效率；Pw、Pe分別為輸出端和輸入端功率。

傳動效率不高是制約電動車輛發展的重要因素之一，傳動效率的提高是電動拖拉機傳動系統發展的趨勢和目標。未來會更多關注于整個傳動鏈的研發，在保證傳動安全性和可靠性的同時使各個傳動部件更好地配合以降低傳動損失。

2.3 助力轉向技術

轉向系統作為人車交互系統，其性能的好壞直接影響電動拖拉機的行駛安全性和操作穩定性。轉向系統從傳統的純機械式轉向系統到動力轉向系統再到主動轉向系統、差速助力轉向系統，轉向性能已經從解決駕駛員的疲勞駕駛發展到如今的智能輔助駕駛。

電動助力轉向系統(electric power steering system，簡稱EPS)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統，通過控制電機電流的大小和方向，來調節拖拉機助力的大小和轉向，同時滿足電動拖拉機低速轉向輕便性和高速路感的要求。按照電機安裝位置的不同可分為管柱式助力轉向系統、齒條式助力轉向系統和齒輪式電動助力轉向系統。圖4為常見的管柱式助力轉向系統結構原理圖[15]，其工作原理為在轉向輸入軸端通過轉矩、轉角傳感器檢測其轉矩和轉角，電子控制單元(electronic control unit，簡稱ECU)結合車速、加速度等拖拉機動態特性發出控制信號控制其電機電流的大小，經過減速機構放大，通過轉向輸出軸作用到轉向器上，實現助力轉向。與傳統液壓助力轉向系統相比，EPS助力響應較快、節能環保而且具有較高的穩定性和安全性。

在電動助力轉向系統設計中，路感特性的研究是其技術的主要方面。路感一般是指駕駛員轉動方向盤時，須要克服的阻力矩，是由回正力與摩擦力產生的阻力矩組成。由回正力矩產生的路感信息可以準確反映整車的運行狀態與路面信息。路感的評價指標[16]為(1)輕便性：指駕駛員的勞動強度，評價標準是執行機構中轉向輪的做功與駕駛員操作方向盤實際做功之比，其比值越大越好。(2)真實度：車輛狀態與路面狀況反映的準確性，評價標準是輪胎轉向驅動力矩與模擬路感的比值，比值越小路感越清新。(3)轉矩剛度：駕駛過程中，駕駛員感覺到的轉向剛度，評價標準可用轉矩曲線梯度-方向盤轉角來衡量。(4)平穩性：方向盤反作用力變化平穩的程度，評價標準是轉向盤有無沖擊與抖動。(5)回正性：駕駛員脫離方向盤后，方向盤在反力矩的作用下的回正性能，評價標準可用回正的響應時間、超調量等來衡量。

隨著汽車技術在拖拉機等農用車輛上的不斷發展和應用，拖拉機轉向系統發展趨勢為在保證轉向輕便性能的基礎上，制定合適的控制策略使駕駛員獲得更加舒適的轉向感覺，通過主動轉向干預，有效提高拖拉機的操作穩定性和主動安全，除此之外，助力轉向系統也不斷向智能化和集成化的方向發展。

2.4 電動懸掛系統及控制方法

用電動提升和控制農機具的整套裝置為電動懸掛裝置。電動懸掛裝置是利用發動機提供動力，提升并維持農具處于各種不同位置的懸掛裝置。懸掛式可以改變拖拉機的受力狀態，有利于改善拖拉機的牽引性能。主要用來操作農機具的升降，連接和牽引農機具，控制農機具的耕作深度或提升高度，改善附著性能。

由于液壓系統可以獲得較大的轉矩和力以及具有方便等特點，在傳統的懸掛系統中廣泛采用液壓懸掛系統來實現農機具掛接作業，但隨著科學技術的發展液壓系統的弊端逐漸顯現：懸掛裝置效率低、故障多、結構復雜以及制造和使用成本高等[17]，所以從能源節省，作業質量提高等角度研究新型的電動懸掛裝置勢在必行。

江蘇大學蔡高奎團隊研制出一種拖拉機后懸掛提升裝置，如圖5所示[18]。該樣機包括提升電機、減速裝置、提升裝置、力位角度傳感器等；農戶通過控制面板上的按鈕發出指令，命令通過相應的控制算法計算輸出信號，控制直流電機的運轉，動力依次經過一級齒輪減速機構、二級蝸輪蝸桿減速機構傳遞給提升臂，從而驅動上拉桿、提升桿、下拉桿，調節農機具的升降，滿足耕深、牽引力等的要求。該電動提升裝置安裝有力位角度傳感器可間接測量耕深，耕深變化時，經過提升控制器分析處理傳感器采集的相關數據后，自動調節農具的提升和下降，以實現耕深調節一致。

耕深調節研究是電動懸掛控制研究中不可缺少的一部分。傳統的耕深調節方法有高度調節法、位調節法、力調節法以及由這些常規耕深調節方法復合而來的綜合調節法，此外，近年來還出現了扭矩調節法、壓力調節法和滑轉率調節法等新型農具調節方法，但這些方法一般只作為輔助的耕深控制方法，需要與常規的耕深調節方法結合起來使用[19]。電動懸掛系統除了使用力位綜合調節方法對拖拉機進行耕深研究外，還可以基于滑轉率對拖拉機耕深調節系統進行研究。

由于經典的比例-積分-微分(proportion，integral，differential，簡稱PID)控制系統具有結構簡單、魯棒性強、易于調整等優點，所以其普遍應用在控制系統中，拖拉機懸掛控制系統廣泛采用PID控制算法。羅錫文等設計出反饋比例-積分(proportion，integral，簡稱PI)算法與雙閾值斜坡啟動相結合的電動機控制方法，用于拖拉機懸掛系統的操作控制[20]。隨著控制理論的不斷深入，出現了遺傳算法、模糊控制等智能算法，智能算法的出現為解決復雜工程問題提供了方法。在拖拉機進行田間作業時，由于受到的阻力實時變化、工作環境復雜、懸掛受力不確定等因素，導致拖拉機懸掛系統精確數學模型很難建立傳統的控制算法，會影響其穩定性和控制精度。模糊控制可以克服非線性因素的影響，而且其在拖拉機懸掛系統中算法簡單，容易實現。雖然智能算法為復雜問題的解決提供了方法，但是提高了系統設計的難度。如果將經典的控制算法與現代智能算法相綜合，如模糊PID綜合控制算法，既具有經典PID控制的適應性好、簡單方便等特點，又具有模糊控制適應非線性系統、智能性的特點。將模糊PID控制算法應用到懸掛系統中不失為一種很好的方法[21]。

2.5 自動導航技術

農業機械自動導航技術是現代農機裝備和精準農業技術體系中的一項關鍵技術。近年來農用車輛路徑跟蹤控制技術受到了國內外科研人員的廣泛關注，該技術主要利用全球定位系統(global position system，簡稱GPS)技術實現農用車輛位置的高精度測量。拖拉機自動導航的關鍵技術包括利用傳感器精確定位和選用合適的算法進行導航控制。目前，導航定位傳感器主要用于施肥、噴藥等的機器視覺導航技術，包括GPS定位系統、航空推算傳感器、慣性導航系統、激光導航、多傳感器融合技術等。由于拖拉機的運動是一個多輸入、多輸出、強耦合、非線性的變量系統，因此拖拉機自動駕駛導航系統包括轉向控制和速度控制。拖拉機導航控制包括路徑跟蹤控制和轉向操作控制2個部分。常見的路徑控制方法有線性模型、最優控制、PID控制、神經網絡以及純追蹤模型等。線性模型基于最小二乘導航路徑擬合算法，算法簡單但魯棒性差、無法消除穩態誤差；最優控制可獲得最優控制參數，但對曲線追蹤的適應性差而且需要精確的動力學及運動學模型；PID控制是最常見的一種控制算法，魯棒性強而且算法簡單，但是參數優化困難；神經網絡對非線性運動特性適應性強，但需要大量的驗證樣本對。由于拖拉機作業時一般以較低的恒定速度運行，建立如圖6所示的拖拉機運動學模型。其中，S為目標路徑；θ為拖拉機航向偏差；α為拖拉機前輪轉角；l為拖拉機航向上點B距離拖拉機前軸中心點的距離；ξP為點B到路徑的偏差；L為拖拉機軸距；v為拖拉機后軸中心點速度；d為拖拉機后軸中心點到路徑的橫向偏差。根據圖6所示的拖拉機運動學模型可得到拖拉機運動學方程[22]：

(10)

式中：μ為前輪轉角加速度。

近年來，隨著精準農業、智能農業的發展，在拖拉機自動導航技術中引入先進的物聯網技術已經成為現代農機導航技術發展的重要趨勢之一。建立在以電子編碼和電子標簽為基礎的農機物聯網技術，在拖拉機自動導航技術方面應解決3個層面的物聯：一是拖拉機與農機具之間的物聯，二是監控中心與拖拉機之間的遠程物聯，三是拖拉機自動導航單部件功能的車載物聯[23]。

在拖拉機自動導航技術約80年的發展歷程中，國內外在算法設計、導航系統開發方面取得了顯著的成果，已經初步具備了實時、跟蹤直線路徑行駛的能力。但是由于農田作業環境復雜等問題，自動導航作業精度不高，而且國內農用車輛自動導航技術還普遍存在成本高、推廣難的問題，拖拉機自動導航技術依然有很大的提升優化空間。

2.6 系統仿真技術

隨著建模理論算法和計算機技術的迅速發展，出現了大批虛擬樣機仿真軟件，目前仿真技術已經在車輛設計中得到普遍應用，用于電動車輛系統仿真的軟件有V-ELPH、EASY5、ADVISOR、ADAMS、Matlab/Simulink等。目前，專門用于電動拖拉機的仿真軟件技術還處于起步階段，對其整車性能仿真多基于軟件的二次開發[24]。電動拖拉機整車性能仿真作為樣車開發的重要手段，不僅可以匹配不同參數的結構方案還可以快速預測車輛性能。南京農業大學的高輝松等對ADVISOR軟件進行二次開發，建立電動拖拉機控制策略和牽引整車模型，應用仿真系統進行仿真研究，為樣車的研發提供詳細的設計參數[25]。除了整車性能仿真外，拖拉機各關鍵部件如動力轉向系統、電池能量管理策略、電動懸掛系統、自動導航等技術都須要借助系統仿真在設計初始階段分析系統特性，優化匹配各部件參數。目前，廣泛基于AMESim或Matlab軟件對拖拉機轉向系統建模仿真并分析其動態特性；基于ADVISOR純電動汽車仿真平臺二次開發，將電池能量分配控制策略仿真模型嵌入電動拖拉機整車仿真模型中；利用Matlab/Simulink對拖拉機自動導航系統追蹤模型進行仿真建模，分析其穩定性和靈敏性；基于ADAMS/view建立拖拉機電動懸掛系統懸掛裝置的仿真模型，并對其進行仿真分析，對懸掛機構關鍵點參數進行優化。與一般電動車輛相比，電動拖拉機作業功能復雜，如能開發出專門用于電動拖拉機系統的仿真軟件，對今后電動拖拉機的開發設計有更重要的輔助作用。

3 電動拖拉機存在的問題及發展趨勢

電動拖拉機經過100多年的發展，其性能有了很大的改善，應用范圍也進一步拓寬，但是對電動拖拉機整體的研究比較盲目而且缺少田間應用及作業規律方面的研究；電機適應性不夠，難以滿足復雜的田間作業要求；能量電池問題依然是制約電動拖拉機發展的重要因素。

電動拖拉機發展趨勢進一步體現在：(1)研發新型電機，利用多電機控制技術，簡化電動拖拉機機械傳動和聯動機構，減輕拖拉機整體質量。(2)研發高效節能低成本電池及電池控制策略研究依然是電動拖拉機的主要研究內容，本研究提到的鋰超級電容電池為電動拖拉機電池選型提供了很好的選擇。(3)研發基于CAN總線電動拖拉機整車控制系統，CAN總線具有高可靠、高性能、易開發、低成本等優點，目前CAN總線僅局限于電動拖拉機單個部件的應用，基于CAN總線整車控制系統尚未形成，因此CAN總線研發也將成為電動拖拉機發展的主要趨勢之一。(4)無級變速傳動(continuously variable transmission，簡稱CVT)是電動拖拉機的絕佳搭配，可以精確實現自動駕駛、定速巡航、自動全功率控制等現代智能電動拖拉機發展需求[26]。將CVT技術應用于電動拖拉機并對其進行技術突破將是電動拖拉機的主要發展趨勢之一。(5)無人駕駛技術將在未來得到進一步發展，使其在拖拉機等農用車輛上得到進一步應用。電動拖拉機無人駕駛技術也是未來的主要發展趨勢之一。

4 結論

雖然電動拖拉機目前仍處于起步階段，而且在短期內也不可能廣泛取代傳統的燃油拖拉機，但是隨著移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等先進技術與現代制造業的結合，以農業物聯網和智能農機裝備為特征的精細農業系統成為研究重點，拖拉機作為智能農機裝備和農業生產信息化網絡的重要應用，必將取得長足發展。