混合动力农业机械研究现状及展望

高瑞遥， 李 睿， 李广宇， 徐 峰， 孟长伊， 李玲玲

（1.吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130000； 2.中国第一汽车股份有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

近年来全球变暖持续加剧，各行业对于二氧化碳排放量指标的制定也更加严格，而柴油发动机作为农业机械最主要的动力来源，在作业过程中因长时间处于低效工作区而产生大量的高污染尾气，基于上述背景，农业机械逐渐难以达成规定的排放标准[1]。针对此问题，部分农业机械制造厂商尝试增加废气处理装置来满足排放标准，但这种方式会增加动力系统尺寸、降低柴油机动力，对农业机械的设计及使用提出了更高的要求[2]。

解决农业机械排放问题的另一种技术手段为改进农业机械的动力系统结构，引入混合动力技术，提高整机电气化水平[3]。引入电力驱动后，随着动力系统运行效率的提升，整机的燃油消耗与排放水平都将有效降低，同时由于电驱装置的执行精度相较于传统液压系统更高，农业机械的作业性能乃至行驶安全性与舒适性也将得到提升[4]。尽管如此，目前农业机械的电气化应用仍处于起步阶段，对于混合动力农业机械而言还没有规范化的设计制造流程及整机成本控制方式，存在着技术成熟度与市场接受度低的问题，混合动力农业机械的广泛推广面临着不小的挑战[5]。本研究对目前的农业机械混合动力技术现状与产业现状进行总结，提出混合动力技术的应用建议与发展趋势。

1 农业机械混合动力技术现状

与道路车辆动力系统的输出主要用于牵引车辆有所不同，对于农业机械而言，动力系统的输出还将用于驱动作业装置及辅助装置[6]。因此，农业机械的混合动力技术应用不仅包含对于传动系统进行电力驱动改造，也包括将作业装置、辅助装置的驱动方式由液压驱动转变为电力驱动，甚至这种改进应用是农业机械混合动力技术应用最容易实现的方式[7]。

1.1 辅助装置电气化应用

传统农业机械中作业装置与辅助装置的动力来源为发动机，通过离合器、减速器与泵送系统完成动力传输，从而实现运转。与牵引车辆所需驱动力有所不同，此类负载需要根据使用需求进行开启和关闭，并且运转速度需要独立于发动机曲轴[8]。因此，通过解耦这些负载，使其与发动机分离，进行更少的约束与更为简单的控制，可以避免能量的多重转换，从而降低能量损失，提升运行效率与燃油经济性[9]。

在农业机械中，冷却风扇与空调压缩机占用较多的发动机功率，在空转及作业过程中，这两种辅助装置占用的发动机功率高达32%和13%[10]。值得注意的是，在作业过程中，整机处于低转速高负荷工作状态，散热需求较大；在行驶过程中，整机处于高转速低负荷工作状态，散热需求小。在冷却风扇与发动机解耦前，满足整机散热需求需对风扇结构或传动装置进行特殊设计，增加机械尺寸、复杂性及维护要求。采用电动风扇或者电动泵与电动散热器组合的方式可以避免上述问题，更好地满足整机冷却需求，进行温度控制并提高能量利用效率[11]。

MITCHELL T 等[12]对比电动风扇与传统农业机械冷却系统，发现从温度控制和能源消耗角度，使用电动风扇进行散热均占优势。约翰迪尔公司生产的7430/7530 E-Premium 型拖拉机的风扇、散热器等辅助设备的直接动力来源为感应发电机，此发电机由发动机通过飞轮驱动，通过这一方式，E-Premium 型拖拉机在耕地作业中比传统拖拉机节省4%的燃油消耗。

1.2 传动系统电气化应用

传统农业机械的动力来源多为柴油发动机，为减少化石能源消耗与污染物排放，部分生物燃料也得到了应用，但并没有得到大范围推广。引入混合动力技术后，整机的动力来源将部分或间接来自于发动机，发动机的工作效率得到明显的改善，从而达到减小能耗与降低排放的效果。具体实现方式为在动力系统中加入电池组或超级电容等电力存储设备，根据农业机械负荷需求完成发动机输出能量的存储与补充。根据布置形式的不同，混合动力系统分为串联、并联和混联3 种[13]。

1.2.1 串联结构

串联混合动力系统结构如图1 所示，在这种拓扑结构下，发动机与发电机为机械连接关系，两者组成动力源为电动机提供动力，从而驱动整机运行[14]。不同于传统农业机械中发动机与车轮/履带、液压执行器及动力输出轴等负载之间为机械连接，导致调速关系相对固定的情况，串联混合动力系统将发动机与负载通过发动机-电动机组成的变速结构连接并隔离，使得发动机与负载实现解耦，从而使得发动机始终获得较高的工作效率成为了可能，从而达到提升燃油经济性与工作性能的效果[15]。不同的能源管理策略则会带来不同的工作表现，方树平等[16]针对相同的串联混合动力系统实施两种不同的策略，一种策略为功率跟随控制，此种控制策略中由发电机组实现车辆功率需求的全部跟随，并根据电池容量对发电机组输出功率进行调整，另一种控制策略为规则控制，主要保证发动机始终维持较高的工作效率，从仿真结果来看，功率跟随控制的能耗和废气排放要优于规则控制，但是颗粒物排放较高，原因为规则控制中电池充放电相对频繁，带来了较高的能量损失，但燃料燃烧相对充分，剩余颗粒物较少。从最优控制求解方式出发，基于动态规划、庞特里亚金最小原理法及非线性规划法可得到，通过寻求最优解可提高节能效果，但也不可避免的会增加运算复杂度，因此在实际工程应用中应予以权衡[17-18]。

图1 串联混合动力系统Fig.1 Series hybrid power system

串联混合动力系统的主要缺点在于电机等部件的质量、体积及成本需格外关注，原因在于这种结构中能量传递过程需要经过两次转换，因而在设计过程中需要对电力系统进行匹配，避免过多的能量转换损失造成系统工作效率降低。

1.2.2 并联结构

并联混合动力系统结构如图2 所示，不同于串联结构，此结构中不存在专用的发电机，而是通过电力存储设备与发动机一同提供动力，因此电动机与发动机为机械连接，通常通过法兰或减速器实现[19]。在负载较大的工况中，电机作为电动机进行工作，提供启动力矩或增大发动机输出力矩；在负载较小的工况中，电机作为发电机工作，通过给电力储存设备充电的方式储存发动机剩余功率，提升能量利用效率；通过在电动机与发动机之间加装离合器可以允许两设备解耦，传动系统为纯电动供电[20]。TRONCON D 等[21]根据负载大小的不同将农业机械的运行状态划分为轻负载、中负载和重负载3 种，轻负载时由电机提供动力、中负载时由发动机提供动力及重负载时由电机与发动机同时提供动力，从而保证发动机的高效运行，提高燃油效率。DALBONI M 等[22]基于Pareto 优化，以减少发动机运行时长与启停次数、电池放电百分比为优化目标，实现整机动力运行模式的平滑性控制。

图2 并联混合动力系统Fig.2 Parallel hybrid power system

并联混合动力传动系统中只需一台电机，同时由于电动机可以提供额外的扭矩输出，因此缩小发动机尺寸成为了可能，从而降低了系统整体成本。MOCERA F等[23]从缩减动力系统尺寸出发，通过对发动机给定转速下的最大功率与实际输出功率之间的比值进行监控，由电机对功率需求进行补充，从而避免选用较大输出功率的发动机造成发动机的低效率运行。BARTHEL J等[24]在负载监测与功率补充基础上加入了能源再生控制，并考虑到了电池组充放电引起的发动机负荷点转移影响，提高了控制精度。ZHU Z 等[25]将机电混合动力系统和液压-机械复合传动进行组合设计，形成机-电-液动力总成系统（MEH-PS），结合传动部件选型设计系统特性曲线，实现传动系统调速范围的提升。

由于这种结构中，发动机无法完全与负载解耦，因此无法做到始终工作在热效率较高的工作区域，这一缺点对于燃油经济性与工作性能的提升效果造成了限制。

1.2.3 混联结构

为避免串联结构造成的双重能量转换与大尺寸电机，同时保持发动机与负载解耦，混联混合动力传动系统引入了行星齿轮结构，从而使得系统获得不同的动力传递路线与工作特性，如图3 所示。与此同时混联结构的整体复杂性也相较于串联、并联系统有明显的增加，除行星齿轮结构外，系统中必须保留发电机与电动机两个电机。

图3 混联混合动力系统Fig.3 Hybrid power system

1.3 混合动力系统主要零部件

传统农业机械传动系统结构和主要部件目前已发展相对成熟，并且相对固定，在设计过程中针对机械作业方式与功率需求对传动系统进行匹配即可完成主要的工作。而对于混合动力系统而言，目前对于农业机械未形成明确的设计规范及一定规模的产业链，因此在目前的设计与研制过程中，对于系统部件的选择也仍在探索过程中，针对不同的使用需求，混合动力系统中电机、电力储存设备和功率转换装置等主要零部件的选型会有所区别。

1.3.1 电机

从农业机械的动力需求出发，采用混合动力系统对于电机的功率密度要求较高，这是混合动力系统最大的技术挑战。与传统农业机械广泛应用的液压驱动相比，电机的功率密度处于劣势。为解决这一问题，主要有3 种技术手段可选。一是加大电机绕组的电流密度，但这意味着电机在运行过程中的发热量也更高，因此为提升冷却效果通常采用液冷而不是风冷。二是加大电机功率与尺寸，完成对需求功率的覆盖，但由于农业机械作业条件特殊，在作业过程中会使得电机处于低转速、高扭矩的低效工作区，因此这种方式的成本效益较低，并且电机尺寸很难符合设计需求。三是设计具备一定过载能力的电机，能够满足在没有电磁或者热损伤的情况下在足够长的时间内提供峰值扭矩，虽然此时电机本身的额定扭矩较低，但仍能够满足使用需求，同时能够保证电机的尺寸满足布置需求[26]。

从电机结构来看，目前用于车辆传动系统中较为普遍的3 种电机形式分别为表贴式永磁同步、内嵌式永磁同步和异步电机。相比较而言，永磁同步电机的功率密度普遍大于异步电机，这得益于永磁同步电机普遍采用稀土磁体，但也直接导致了永磁同步电机价格相对异步电机更高。除功率密度外，系统对电机调速范围的需求也是电机选型的另一重要影响因素。表贴式永磁同步电机的弱磁范围受限，导致其只适用于中低速，内嵌式永磁同步电机更容易进行弱磁控制，可满足更大调速范围的需求。当动力系统传动方式为并联或者串联结构时，电机与发动机曲轴存在机械连接关系，此时电机转速范围较小，可以采用表贴式永磁同步电机；当动力系统传动方式为混联结构时，电机通过减速机构传递动力，则需要较大的速度范围，则一般考虑内嵌式永磁同步电机或异步电机[27]。

1.3.2电力储存设备

在并联式或混联式混合动力系统中，需要配备电力储存设备，此设备通常为电池组或是超级电容组或者两者同时使用[28]。相比较而言，超级电容组的比功率较高，更适合于平衡瞬态功率的变化，电池的比能量较大，更适合于能量的存储。因此，若电力储存设备只由其中一种构成的话，通常为电池组，特别是锂离子电池，由于其具有较高的能量密度与功率密度，并且布局方面相对灵活，在车辆高压系统中的应用频率逐渐升高[29]。而低压系统中铅酸电池的应用更多，因为铅酸电池可以满足各规格的电压需求。

1.3.3功率转换装置

功率转换装置是农业机械混合动力系统中另一较为关键的部件，为适应电机短时过载运行的需求，功率转换装置的选用需要考虑此时的最大电流值及相应的发热问题，即需要避免功率转换装置温度过高引起的性能衰退对系统造成的影响。同时由于农业机械的常见工况为大扭矩、低转速工作，易产生较高的能量传输损失，因此在设计过程中也要考虑减少功率转换装置[30]。

2 农业机械混合动力产业现状与发展趋势

尽管随着技术的逐渐成熟与标准法规的逐渐严格，农业机械的电气化程度会越来越高甚至可能实现纯电动机械作业，但就现阶段而言，应用混合动力技术仍是农业机械实现电气化的首选。目前，已经有部分农业机械制造厂商开始研制混合动力农业机械样机，包括 约 翰 迪 尔（Deere） 、 芬 特（ Fendt） 、 爱 科（AGCO）、道依茨法尔（Deutz-Fahr）、雷吉塔克（Regitrac）、劳森多夫（Raussendorf）及科乐收（CLAAS），但仍未有混合动力农业机械大规模投入应用。原因是虽然这种产品意味着更低的能耗与更好的驾驶性能，但是目前其市场需求与接受度有待进一步提升，这其中最主要的瓶颈是混合动力系统的生命周期成本[31]。

与燃油系统相比，混合动力系统在结构上增加了电机、电力储存设备及功率转换装置，这也意味着整机制造成本的增加。而在能源使用上，电能成本相对化石燃料较低，但由于作业环境不同，能源节约带来的收益也有所不同，相比较而言，在果园等场景工作的机械由于工作负荷与作业条件相对于其他作业机械较好，能够避免电机长时间处于低效率区域工作，因此运行成本将有效降低。而对于某些作业机械而言，由于能量转换损失较高，运行成本甚至会高于燃油机械[32]。

从整机成本回收时间来看，混合动力系统中发动机尺寸应减小到一个合适的尺寸，满足有效降低能源消耗与不会显著增加系统成本的运行要求。从此角度出发，对自身成本较高的发动机进行精简是推行混合动力系统农业机械的有效途径，反之，在发动机成本降低有限的情况下采用混合动力系统方案将产生较高的制造成本，从而导致机械整个生命周期的成本均无法获得理想的成本节约。因此并不是所有的农业机械都可以通过采用混合动力系统方案达到降低成本的效果[33]。

3 结束语

在节能减排要求日益严苛的行业背景下，对农业机械实施电气化改造与混合动力技术应用的意义逐渐凸显。通过对不同混合动力系统结构分析可知，混合动力技术借助附加的电气、液压等辅助储能系统对发动机运行工况进行调整，通过收集发动机富余功率、回收制动能量和工作系统势能等方法，辅助发动机在低转速区、高功率区等工况进行能量再分配，从而实现发动机在高效区工作及整机能耗、排放的降低。

由于不同结构本身存在特定的技术优势与劣势，在混合动力技术应用过程中应充分结合不同种类农业机械的工作特性与作业方式，选择合适规格的部件，从而在满足动力性要求的基础上降低整机全生命周期成本，提升经济效益。从目前来看，农业机械电气化与混合动力技术应用仍处于发展初期，与普通车辆相比具有更高的挑战性与复杂度，继续提高技术成熟度与市场需求匹配度将是未来研究重点。