拖拉機的新能源化發展及其現代化技術應用趨勢

于志剛

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農業生產模式趨于合理化發展，農業生產基本實現了機械化作業，生產過程呈現出高效、高產出的優勢。農業機械發揮優勢的同時也因發動機的使用產生了大量排放污染，對農業生產周邊環境和總體空氣環境造成了不利影響。隨著《農機裝備發展行動方案》強調農業機械的新能源化發展以來，國家對于農機企業相關產品的綠色、低碳、環保提出了更高的要求。一直以來，拖拉機作為農業生產的機型，承擔著運輸、配套機具生產等眾多任務，拖拉機也成為了農業生產中保有量最高的機型。拖拉機的機體結構具有大部分農業機械的典型特征，拖拉機的新能源化發展不僅能促進拖拉機動力系統的改革，還有利于指導其他自走式農機設備向新能源動力方向轉型，進而引領農機化生產應用更多清潔能源，促進農業生產的綠色化、可持續發展。

1 新能源理念及產業現狀

近年來，社會對于新能源技術的關注度持續提升，以新能源汽車為代表的多種新能源設備得到了廣泛的應用與普及。新能源有別于傳統的煤炭、石油、天然氣等化石能源，具有易于取材、可再生、使用清潔無污染等特點，新能源的概念是在20世紀80年代由聯合國新能源和可再生能源會議提出的，強調通過研究和應用如太陽能、生物質能、原子能等技術，實現能源的取之不盡、周而復始利用，且在能源利用過程中減少對環境的危害。

我國近年來加強了新能源技術的研發與應用力度，通過基礎設施建設實現了可再生能源的高效利用，現階段應用較多的新能源種類包括風能、太陽能、核能、生物質能、潮汐能、地熱能等，能源的利用集中于發電和供暖等方向。上述新能源均可用于生產電能，再利用電能替代傳統的石油、煤炭等能源。截至2021年9月，我國利用光伏發電累計裝機2.78億kW，實現了太陽能的有效利用；同年，我國的風電并網裝機容量突破3億kW大關，風能利用率連續12年居全球第一。此外，近十年來，我國的生物質發電裝機量、核電主設備建設、潮汐發電站建設、地熱能發電裝機量均實現了快速增長，為我國能源的供給和有序利用創造了良好條件。

2 新能源技術的應用優勢

2.1 有利于節約不可再生資源

傳統農業生產的動力機械以柴油機和汽油機為主，使用過程會消耗大量石油資源，隨著資源緊缺問題的進一步凸顯，節能已成為全世界的共同需求。新能源通過電能、生物質能等可再生能源作為拖拉機等農機的驅動能源，能夠顯著降低農業生產過程對于燃油的消耗。截至2020年底我國拖拉機保有量達到2 204.88萬臺，其中58.84 kW(80馬力)以上拖拉機擁有量143.66萬臺，通過新能源替代傳統燃油能源，僅拖拉機一項即可節省大量的不可再生能源。

2.2 有利于保護生態環境

燃油發動機的大量應用會造成嚴重的污染排放，尾氣中的硫化物、顆粒物會對農田環境和周邊氣候造成嚴重污染，可能對人身健康和食品安全造成一定程度的影響。對比而言，新能源技術的應用使拖拉機使用過程的排放問題得到了良好解決，由于清潔能源幾乎不產生污染物，使農田環境得到了更好的保護，拖拉機使用過程對自然界的影響得到了更好控制[1]。

2.3 有效降低用機成本

采用純電動或混合動力技術的新能源拖拉機與傳統的燃油拖拉機相比，新源購置成本明顯降低，農民用機中充電花費通常僅為燃油的30%～50%。且現階段廣泛應用的電驅動技術與傳統的燃油發動機技術相比，動力機械在結構復雜性上更為簡單，電動機出現故障問題的概率明顯降低，混合動力拖拉機產品由于通過電動機替代了大部分燃油發動機的工作，也有效降低了燃油發動機的故障率，用機過程的維修、保養等成本明顯降低。

2.4 有利于提升技術先進性

新能源技術的應用使拖拉機具備了更強大的電力儲備，有利于先進的車聯網、自動駕駛等技術應用，電動機的各項參數相對于傳統燃油發動機更容易控制，且動力響應迅速，有利于實現在自動控制下的精確化生產作業，能夠為拖拉機技術的智能化發展奠定良好基礎。

3 新能源拖拉機的技術體系

3.1 電動拖拉機技術

電動拖拉機是僅依靠電能作為運轉能源的拖拉機設備，其利用電動機替代傳統的燃油發動機，并配套蓄電池、配電箱、減速機等裝置。

3.1.1 電動機技術

電動機是利用定子繞組通電后產生旋轉磁場驅動轉子快速旋轉而輸出扭矩的動力裝備，能夠實現將電能轉換為機械能的過程，電動機可分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中用于農機驅動的電動機多以交流電動機為主，普通的交流電動機工作部件包括定子與轉子兩大部分，當有電源供給時通過轉子輸出轉矩。在普通交流電機基礎上，近年來，永磁同步電機(圖1)的應用逐漸增多，相對于普通交流電機體積小且質量輕，能夠節省空間和重量，使拖拉機有更多空間布置其他先進設備。同時永磁同步電機能源轉換效率最高可達97%，能夠為拖拉機作業提供更強的動力和加速度。

圖1 永磁同步電機

3.1.2 電池與供能技術

電池是電動拖拉機的能源供給裝置，電池的性能和技術對于拖拉機的動力、續航、使用成本影響很大，現階段應用較多的電池技術包括鋰離子電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池等。其中以鋰離子電池的應用范圍最廣，使用過程具有零污染、充電快、電能輸出效率高等優勢，且廢舊電池通過回收處理易于再利用，適合在農業生產多個領域應用。

3.1.3 機械傳動技術

拖拉機的機械傳動是將電動機輸出的扭矩傳遞給各個運轉和需要驅動的部件，使其在一定的匹配關系下實現規律的運轉，包括減速器、換擋機構、傳動軸等，機械傳動技術對于電動拖拉機駕駛的平順性、動力性能影響很大。機械傳動系統主要包括離合器、中央傳動機構、變速箱及最終傳動等部分，該技術涉及拖拉機的換擋、動力輸出、牽引力等參數。一方面，傳動系統應保證拖拉機換擋的平順性，以提供更好的駕駛體驗，并降低傳動部件因沖擊載荷造成的磨損和損壞問題；另一方面，傳動系統的合理設計能保證傳動過程將電動機能源最大化利用，車輪、動力輸出軸等位置能輸出更好的牽引力和動力[2]。

3.1.4 電液懸掛控制

電液懸掛控制是拖拉機與配套農機具聯合作業的關鍵部件，配套機具通過與拖拉機的電液懸掛系統連接后，能夠在駕駛室通過電控系統控制配套機具的工作狀態，調整工作參數。電液懸掛控制技術的設計與應用能夠很好地改善拖拉機的牽引性能，并優化配套機具的作業質量。除此之外，電液懸掛控制技術還能為配套機具提供動力、位置調整及控制，實現多種作業模式的更換。

3.2 混合動力拖拉機技術

混合動力系統是指應用兩種以上動力技術的驅動系統，現階段應用較多的是油電混合的動力技術，其相對于傳統的燃油發動機和現階段應用的電驅動技術均具有一定的優勢。工作過程中，當拖拉機處于怠速或低動力輸出時，只通過電動機提供驅動力，能夠實現拖拉機在多數使用狀態下的低功耗、零排放、低污染，當拖拉機用于耕整地或其他牽引力較大的作業時，利用柴油發動機或汽油機提供動力，以保證良好的行駛速度或牽引力輸出。混合動力技術根據不同的動力傳輸形式可分為串聯式、并聯式和混聯式三種，混合動力是現階段最容易實現的農用新能源驅動形式[3]。

混合動力拖拉機集成了傳統燃油拖拉機和新型電動拖拉機的優勢，其工作性能受到混合動力控制系統的影響較大，動力的選擇與切換時機成為影響混合動力系統性能的關鍵因素，各農機廠家也針對混合動力系統的性能展開了重點研發。圖2所示為菲亞特動力科技與STEYR公司聯合研發的混合動力拖拉機，實現了傳統拖拉機在效率、性能、生產率、環保性和可持續性方面的全面提升。

圖2 技術先進的混合動力拖拉機

4 技術應用與現代化發展趨勢

4.1 技術應用特征

現階段，我國的大型農機企業和科研機構加強了對新能源拖拉機的研究開發力度，大量的新能源拖拉機產品在國際國內農機展會上亮相，為新能源拖拉機的技術應用奠定了良好基礎。圖3所示為我國自主研發的純電動拖拉機，能實現6 h充電完成耕整地3.33 hm2，顯示了我國在新能源拖拉機領域的科研實力。但與此同時，與發達國家新能源拖拉機普及度相比，我國大部分相關技術和機型還處于小范圍應用和試驗改進階段，技術進一步普及還有很多工作要做。

圖3 我國自主研發的純電動無人駕駛拖拉機

4.2 發展趨勢

1)向高蓄能電池方向發展。無論是電動拖拉機還是混合動力拖拉機，對于電池續航能力的依賴性均很高，現階段的電池技術在常規汽車、設備供電方面使用已經相對成熟，但應用于拖拉機上，面對復雜的農業生產環境和多種不同的作業模式，仍需電池提供更長久的續航和使用壽命。

2)向高效充電技術發展。現階段來看，電動拖拉機一大弊端就是充電效率低，當拖拉機能源不足時，往往需要6～10 h 的充電才能充滿，這在一定程度影響了拖拉機的使用壽命，因此加強快速充電技術研究是提升新能源拖拉機使用效率的關鍵[4]。

3)向智能控制方向發展。利用計算機技術和電子控制技術進一步提升新能源拖拉機的控制能力，優化電能供給邏輯，優化混合動力切換時機，使新能源拖拉機進一步與農業生產實際相匹配。

5 結語

綜上所述，新能源技術與拖拉機的良好結合能夠有效替代傳統的燃油機械，使生產過程的能源消耗、環境污染問題得到良好改善。我國農業管理部門及農機企業應加強對新能源拖拉機的研發與技術應用力度，促進新能源拖拉機更多應用于農業生產，并引領農業機械產品整體向新能源、低污染、可持續方向發展。