拖拉机的新能源化发展及其现代化技术应用趋势

于志刚

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

近年来，我国的农业生产模式趋于合理化发展，农业生产基本实现了机械化作业，生产过程呈现出高效、高产出的优势。农业机械发挥优势的同时也因发动机的使用产生了大量排放污染，对农业生产周边环境和总体空气环境造成了不利影响。随着《农机装备发展行动方案》强调农业机械的新能源化发展以来，国家对于农机企业相关产品的绿色、低碳、环保提出了更高的要求。一直以来，拖拉机作为农业生产的机型，承担着运输、配套机具生产等众多任务，拖拉机也成为了农业生产中保有量最高的机型。拖拉机的机体结构具有大部分农业机械的典型特征，拖拉机的新能源化发展不仅能促进拖拉机动力系统的改革，还有利于指导其他自走式农机设备向新能源动力方向转型，进而引领农机化生产应用更多清洁能源，促进农业生产的绿色化、可持续发展。

1 新能源理念及产业现状

近年来，社会对于新能源技术的关注度持续提升，以新能源汽车为代表的多种新能源设备得到了广泛的应用与普及。新能源有别于传统的煤炭、石油、天然气等化石能源，具有易于取材、可再生、使用清洁无污染等特点，新能源的概念是在20世纪80年代由联合国新能源和可再生能源会议提出的，强调通过研究和应用如太阳能、生物质能、原子能等技术，实现能源的取之不尽、周而复始利用，且在能源利用过程中减少对环境的危害。

我国近年来加强了新能源技术的研发与应用力度，通过基础设施建设实现了可再生能源的高效利用，现阶段应用较多的新能源种类包括风能、太阳能、核能、生物质能、潮汐能、地热能等，能源的利用集中于发电和供暖等方向。上述新能源均可用于生产电能，再利用电能替代传统的石油、煤炭等能源。截至2021年9月，我国利用光伏发电累计装机2.78亿kW，实现了太阳能的有效利用；同年，我国的风电并网装机容量突破3亿kW大关，风能利用率连续12年居全球第一。此外，近十年来，我国的生物质发电装机量、核电主设备建设、潮汐发电站建设、地热能发电装机量均实现了快速增长，为我国能源的供给和有序利用创造了良好条件。

2 新能源技术的应用优势

2.1 有利于节约不可再生资源

传统农业生产的动力机械以柴油机和汽油机为主，使用过程会消耗大量石油资源，随着资源紧缺问题的进一步凸显，节能已成为全世界的共同需求。新能源通过电能、生物质能等可再生能源作为拖拉机等农机的驱动能源，能够显著降低农业生产过程对于燃油的消耗。截至2020年底我国拖拉机保有量达到2 204.88万台，其中58.84 kW(80马力)以上拖拉机拥有量143.66万台，通过新能源替代传统燃油能源，仅拖拉机一项即可节省大量的不可再生能源。

2.2 有利于保护生态环境

燃油发动机的大量应用会造成严重的污染排放，尾气中的硫化物、颗粒物会对农田环境和周边气候造成严重污染，可能对人身健康和食品安全造成一定程度的影响。对比而言，新能源技术的应用使拖拉机使用过程的排放问题得到了良好解决，由于清洁能源几乎不产生污染物，使农田环境得到了更好的保护，拖拉机使用过程对自然界的影响得到了更好控制[1]。

2.3 有效降低用机成本

采用纯电动或混合动力技术的新能源拖拉机与传统的燃油拖拉机相比，新源购置成本明显降低，农民用机中充电花费通常仅为燃油的30%～50%。且现阶段广泛应用的电驱动技术与传统的燃油发动机技术相比，动力机械在结构复杂性上更为简单，电动机出现故障问题的概率明显降低，混合动力拖拉机产品由于通过电动机替代了大部分燃油发动机的工作，也有效降低了燃油发动机的故障率，用机过程的维修、保养等成本明显降低。

2.4 有利于提升技术先进性

新能源技术的应用使拖拉机具备了更强大的电力储备，有利于先进的车联网、自动驾驶等技术应用，电动机的各项参数相对于传统燃油发动机更容易控制，且动力响应迅速，有利于实现在自动控制下的精确化生产作业，能够为拖拉机技术的智能化发展奠定良好基础。

3 新能源拖拉机的技术体系

3.1 电动拖拉机技术

电动拖拉机是仅依靠电能作为运转能源的拖拉机设备，其利用电动机替代传统的燃油发动机，并配套蓄电池、配电箱、减速机等装置。

3.1.1 电动机技术

电动机是利用定子绕组通电后产生旋转磁场驱动转子快速旋转而输出扭矩的动力装备，能够实现将电能转换为机械能的过程，电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类，其中用于农机驱动的电动机多以交流电动机为主，普通的交流电动机工作部件包括定子与转子两大部分，当有电源供给时通过转子输出转矩。在普通交流电机基础上，近年来，永磁同步电机(图1)的应用逐渐增多，相对于普通交流电机体积小且质量轻，能够节省空间和重量，使拖拉机有更多空间布置其他先进设备。同时永磁同步电机能源转换效率最高可达97%，能够为拖拉机作业提供更强的动力和加速度。

图1 永磁同步电机

3.1.2 电池与供能技术

电池是电动拖拉机的能源供给装置，电池的性能和技术对于拖拉机的动力、续航、使用成本影响很大，现阶段应用较多的电池技术包括锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池等。其中以锂离子电池的应用范围最广，使用过程具有零污染、充电快、电能输出效率高等优势，且废旧电池通过回收处理易于再利用，适合在农业生产多个领域应用。

3.1.3 机械传动技术

拖拉机的机械传动是将电动机输出的扭矩传递给各个运转和需要驱动的部件，使其在一定的匹配关系下实现规律的运转，包括减速器、换挡机构、传动轴等，机械传动技术对于电动拖拉机驾驶的平顺性、动力性能影响很大。机械传动系统主要包括离合器、中央传动机构、变速箱及最终传动等部分，该技术涉及拖拉机的换挡、动力输出、牵引力等参数。一方面，传动系统应保证拖拉机换挡的平顺性，以提供更好的驾驶体验，并降低传动部件因冲击载荷造成的磨损和损坏问题；另一方面，传动系统的合理设计能保证传动过程将电动机能源最大化利用，车轮、动力输出轴等位置能输出更好的牵引力和动力[2]。

3.1.4 电液悬挂控制

电液悬挂控制是拖拉机与配套农机具联合作业的关键部件，配套机具通过与拖拉机的电液悬挂系统连接后，能够在驾驶室通过电控系统控制配套机具的工作状态，调整工作参数。电液悬挂控制技术的设计与应用能够很好地改善拖拉机的牵引性能，并优化配套机具的作业质量。除此之外，电液悬挂控制技术还能为配套机具提供动力、位置调整及控制，实现多种作业模式的更换。

3.2 混合动力拖拉机技术

混合动力系统是指应用两种以上动力技术的驱动系统，现阶段应用较多的是油电混合的动力技术，其相对于传统的燃油发动机和现阶段应用的电驱动技术均具有一定的优势。工作过程中，当拖拉机处于怠速或低动力输出时，只通过电动机提供驱动力，能够实现拖拉机在多数使用状态下的低功耗、零排放、低污染，当拖拉机用于耕整地或其他牵引力较大的作业时，利用柴油发动机或汽油机提供动力，以保证良好的行驶速度或牵引力输出。混合动力技术根据不同的动力传输形式可分为串联式、并联式和混联式三种，混合动力是现阶段最容易实现的农用新能源驱动形式[3]。

混合动力拖拉机集成了传统燃油拖拉机和新型电动拖拉机的优势，其工作性能受到混合动力控制系统的影响较大，动力的选择与切换时机成为影响混合动力系统性能的关键因素，各农机厂家也针对混合动力系统的性能展开了重点研发。图2所示为菲亚特动力科技与STEYR公司联合研发的混合动力拖拉机，实现了传统拖拉机在效率、性能、生产率、环保性和可持续性方面的全面提升。

图2 技术先进的混合动力拖拉机

4 技术应用与现代化发展趋势

4.1 技术应用特征

现阶段，我国的大型农机企业和科研机构加强了对新能源拖拉机的研究开发力度，大量的新能源拖拉机产品在国际国内农机展会上亮相，为新能源拖拉机的技术应用奠定了良好基础。图3所示为我国自主研发的纯电动拖拉机，能实现6 h充电完成耕整地3.33 hm2，显示了我国在新能源拖拉机领域的科研实力。但与此同时，与发达国家新能源拖拉机普及度相比，我国大部分相关技术和机型还处于小范围应用和试验改进阶段，技术进一步普及还有很多工作要做。

图3 我国自主研发的纯电动无人驾驶拖拉机

4.2 发展趋势

1)向高蓄能电池方向发展。无论是电动拖拉机还是混合动力拖拉机，对于电池续航能力的依赖性均很高，现阶段的电池技术在常规汽车、设备供电方面使用已经相对成熟，但应用于拖拉机上，面对复杂的农业生产环境和多种不同的作业模式，仍需电池提供更长久的续航和使用寿命。

2)向高效充电技术发展。现阶段来看，电动拖拉机一大弊端就是充电效率低，当拖拉机能源不足时，往往需要6～10 h 的充电才能充满，这在一定程度影响了拖拉机的使用寿命，因此加强快速充电技术研究是提升新能源拖拉机使用效率的关键[4]。

3)向智能控制方向发展。利用计算机技术和电子控制技术进一步提升新能源拖拉机的控制能力，优化电能供给逻辑，优化混合动力切换时机，使新能源拖拉机进一步与农业生产实际相匹配。

5 结语

综上所述，新能源技术与拖拉机的良好结合能够有效替代传统的燃油机械，使生产过程的能源消耗、环境污染问题得到良好改善。我国农业管理部门及农机企业应加强对新能源拖拉机的研发与技术应用力度，促进新能源拖拉机更多应用于农业生产，并引领农业机械产品整体向新能源、低污染、可持续方向发展。