混合動力農業(yè)機械研究現(xiàn)狀及展望

高瑞遙， 李 睿， 李廣宇， 徐 峰， 孟長伊， 李玲玲

（1.吉林省農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130000； 2.中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

近年來全球變暖持續(xù)加劇，各行業(yè)對于二氧化碳排放量指標的制定也更加嚴格，而柴油發(fā)動機作為農業(yè)機械最主要的動力來源，在作業(yè)過程中因長時間處于低效工作區(qū)而產生大量的高污染尾氣，基于上述背景，農業(yè)機械逐漸難以達成規(guī)定的排放標準[1]。針對此問題，部分農業(yè)機械制造廠商嘗試增加廢氣處理裝置來滿足排放標準，但這種方式會增加動力系統(tǒng)尺寸、降低柴油機動力，對農業(yè)機械的設計及使用提出了更高的要求[2]。

解決農業(yè)機械排放問題的另一種技術手段為改進農業(yè)機械的動力系統(tǒng)結構，引入混合動力技術，提高整機電氣化水平[3]。引入電力驅動后，隨著動力系統(tǒng)運行效率的提升，整機的燃油消耗與排放水平都將有效降低，同時由于電驅裝置的執(zhí)行精度相較于傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更高，農業(yè)機械的作業(yè)性能乃至行駛安全性與舒適性也將得到提升[4]。盡管如此，目前農業(yè)機械的電氣化應用仍處于起步階段，對于混合動力農業(yè)機械而言還沒有規(guī)范化的設計制造流程及整機成本控制方式，存在著技術成熟度與市場接受度低的問題，混合動力農業(yè)機械的廣泛推廣面臨著不小的挑戰(zhàn)[5]。本研究對目前的農業(yè)機械混合動力技術現(xiàn)狀與產業(yè)現(xiàn)狀進行總結，提出混合動力技術的應用建議與發(fā)展趨勢。

1 農業(yè)機械混合動力技術現(xiàn)狀

與道路車輛動力系統(tǒng)的輸出主要用于牽引車輛有所不同，對于農業(yè)機械而言，動力系統(tǒng)的輸出還將用于驅動作業(yè)裝置及輔助裝置[6]。因此，農業(yè)機械的混合動力技術應用不僅包含對于傳動系統(tǒng)進行電力驅動改造，也包括將作業(yè)裝置、輔助裝置的驅動方式由液壓驅動轉變?yōu)殡娏︱寗?，甚至這種改進應用是農業(yè)機械混合動力技術應用最容易實現(xiàn)的方式[7]。

1.1 輔助裝置電氣化應用

傳統(tǒng)農業(yè)機械中作業(yè)裝置與輔助裝置的動力來源為發(fā)動機，通過離合器、減速器與泵送系統(tǒng)完成動力傳輸，從而實現(xiàn)運轉。與牽引車輛所需驅動力有所不同，此類負載需要根據(jù)使用需求進行開啟和關閉，并且運轉速度需要獨立于發(fā)動機曲軸[8]。因此，通過解耦這些負載，使其與發(fā)動機分離，進行更少的約束與更為簡單的控制，可以避免能量的多重轉換，從而降低能量損失，提升運行效率與燃油經(jīng)濟性[9]。

在農業(yè)機械中，冷卻風扇與空調壓縮機占用較多的發(fā)動機功率，在空轉及作業(yè)過程中，這兩種輔助裝置占用的發(fā)動機功率高達32%和13%[10]。值得注意的是，在作業(yè)過程中，整機處于低轉速高負荷工作狀態(tài)，散熱需求較大；在行駛過程中，整機處于高轉速低負荷工作狀態(tài)，散熱需求小。在冷卻風扇與發(fā)動機解耦前，滿足整機散熱需求需對風扇結構或傳動裝置進行特殊設計，增加機械尺寸、復雜性及維護要求。采用電動風扇或者電動泵與電動散熱器組合的方式可以避免上述問題，更好地滿足整機冷卻需求，進行溫度控制并提高能量利用效率[11]。

MITCHELL T 等[12]對比電動風扇與傳統(tǒng)農業(yè)機械冷卻系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)從溫度控制和能源消耗角度，使用電動風扇進行散熱均占優(yōu)勢。約翰迪爾公司生產的7430/7530 E-Premium 型拖拉機的風扇、散熱器等輔助設備的直接動力來源為感應發(fā)電機，此發(fā)電機由發(fā)動機通過飛輪驅動，通過這一方式，E-Premium 型拖拉機在耕地作業(yè)中比傳統(tǒng)拖拉機節(jié)省4%的燃油消耗。

1.2 傳動系統(tǒng)電氣化應用

傳統(tǒng)農業(yè)機械的動力來源多為柴油發(fā)動機，為減少化石能源消耗與污染物排放，部分生物燃料也得到了應用，但并沒有得到大范圍推廣。引入混合動力技術后，整機的動力來源將部分或間接來自于發(fā)動機，發(fā)動機的工作效率得到明顯的改善，從而達到減小能耗與降低排放的效果。具體實現(xiàn)方式為在動力系統(tǒng)中加入電池組或超級電容等電力存儲設備，根據(jù)農業(yè)機械負荷需求完成發(fā)動機輸出能量的存儲與補充。根據(jù)布置形式的不同，混合動力系統(tǒng)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3 種[13]。

1.2.1 串聯(lián)結構

串聯(lián)混合動力系統(tǒng)結構如圖1 所示，在這種拓撲結構下，發(fā)動機與發(fā)電機為機械連接關系，兩者組成動力源為電動機提供動力，從而驅動整機運行[14]。不同于傳統(tǒng)農業(yè)機械中發(fā)動機與車輪/履帶、液壓執(zhí)行器及動力輸出軸等負載之間為機械連接，導致調速關系相對固定的情況，串聯(lián)混合動力系統(tǒng)將發(fā)動機與負載通過發(fā)動機-電動機組成的變速結構連接并隔離，使得發(fā)動機與負載實現(xiàn)解耦，從而使得發(fā)動機始終獲得較高的工作效率成為了可能，從而達到提升燃油經(jīng)濟性與工作性能的效果[15]。不同的能源管理策略則會帶來不同的工作表現(xiàn)，方樹平等[16]針對相同的串聯(lián)混合動力系統(tǒng)實施兩種不同的策略，一種策略為功率跟隨控制，此種控制策略中由發(fā)電機組實現(xiàn)車輛功率需求的全部跟隨，并根據(jù)電池容量對發(fā)電機組輸出功率進行調整，另一種控制策略為規(guī)則控制，主要保證發(fā)動機始終維持較高的工作效率，從仿真結果來看，功率跟隨控制的能耗和廢氣排放要優(yōu)于規(guī)則控制，但是顆粒物排放較高，原因為規(guī)則控制中電池充放電相對頻繁，帶來了較高的能量損失，但燃料燃燒相對充分，剩余顆粒物較少。從最優(yōu)控制求解方式出發(fā)，基于動態(tài)規(guī)劃、龐特里亞金最小原理法及非線性規(guī)劃法可得到，通過尋求最優(yōu)解可提高節(jié)能效果，但也不可避免的會增加運算復雜度，因此在實際工程應用中應予以權衡[17-18]。

圖1 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)Fig.1 Series hybrid power system

串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的主要缺點在于電機等部件的質量、體積及成本需格外關注，原因在于這種結構中能量傳遞過程需要經(jīng)過兩次轉換，因而在設計過程中需要對電力系統(tǒng)進行匹配，避免過多的能量轉換損失造成系統(tǒng)工作效率降低。

1.2.2 并聯(lián)結構

并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結構如圖2 所示，不同于串聯(lián)結構，此結構中不存在專用的發(fā)電機，而是通過電力存儲設備與發(fā)動機一同提供動力，因此電動機與發(fā)動機為機械連接，通常通過法蘭或減速器實現(xiàn)[19]。在負載較大的工況中，電機作為電動機進行工作，提供啟動力矩或增大發(fā)動機輸出力矩；在負載較小的工況中，電機作為發(fā)電機工作，通過給電力儲存設備充電的方式儲存發(fā)動機剩余功率，提升能量利用效率；通過在電動機與發(fā)動機之間加裝離合器可以允許兩設備解耦，傳動系統(tǒng)為純電動供電[20]。TRONCON D 等[21]根據(jù)負載大小的不同將農業(yè)機械的運行狀態(tài)劃分為輕負載、中負載和重負載3 種，輕負載時由電機提供動力、中負載時由發(fā)動機提供動力及重負載時由電機與發(fā)動機同時提供動力，從而保證發(fā)動機的高效運行，提高燃油效率。DALBONI M 等[22]基于Pareto 優(yōu)化，以減少發(fā)動機運行時長與啟停次數(shù)、電池放電百分比為優(yōu)化目標，實現(xiàn)整機動力運行模式的平滑性控制。

圖2 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)Fig.2 Parallel hybrid power system

并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)中只需一臺電機，同時由于電動機可以提供額外的扭矩輸出，因此縮小發(fā)動機尺寸成為了可能，從而降低了系統(tǒng)整體成本。MOCERA F等[23]從縮減動力系統(tǒng)尺寸出發(fā)，通過對發(fā)動機給定轉速下的最大功率與實際輸出功率之間的比值進行監(jiān)控，由電機對功率需求進行補充，從而避免選用較大輸出功率的發(fā)動機造成發(fā)動機的低效率運行。BARTHEL J等[24]在負載監(jiān)測與功率補充基礎上加入了能源再生控制，并考慮到了電池組充放電引起的發(fā)動機負荷點轉移影響，提高了控制精度。ZHU Z 等[25]將機電混合動力系統(tǒng)和液壓-機械復合傳動進行組合設計，形成機-電-液動力總成系統(tǒng)（MEH-PS），結合傳動部件選型設計系統(tǒng)特性曲線，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)調速范圍的提升。

由于這種結構中，發(fā)動機無法完全與負載解耦，因此無法做到始終工作在熱效率較高的工作區(qū)域，這一缺點對于燃油經(jīng)濟性與工作性能的提升效果造成了限制。

1.2.3 混聯(lián)結構

為避免串聯(lián)結構造成的雙重能量轉換與大尺寸電機，同時保持發(fā)動機與負載解耦，混聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)引入了行星齒輪結構，從而使得系統(tǒng)獲得不同的動力傳遞路線與工作特性，如圖3 所示。與此同時混聯(lián)結構的整體復雜性也相較于串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)有明顯的增加，除行星齒輪結構外，系統(tǒng)中必須保留發(fā)電機與電動機兩個電機。

圖3 混聯(lián)混合動力系統(tǒng)Fig.3 Hybrid power system

1.3 混合動力系統(tǒng)主要零部件

傳統(tǒng)農業(yè)機械傳動系統(tǒng)結構和主要部件目前已發(fā)展相對成熟，并且相對固定，在設計過程中針對機械作業(yè)方式與功率需求對傳動系統(tǒng)進行匹配即可完成主要的工作。而對于混合動力系統(tǒng)而言，目前對于農業(yè)機械未形成明確的設計規(guī)范及一定規(guī)模的產業(yè)鏈，因此在目前的設計與研制過程中，對于系統(tǒng)部件的選擇也仍在探索過程中，針對不同的使用需求，混合動力系統(tǒng)中電機、電力儲存設備和功率轉換裝置等主要零部件的選型會有所區(qū)別。

1.3.1 電機

從農業(yè)機械的動力需求出發(fā)，采用混合動力系統(tǒng)對于電機的功率密度要求較高，這是混合動力系統(tǒng)最大的技術挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)農業(yè)機械廣泛應用的液壓驅動相比，電機的功率密度處于劣勢。為解決這一問題，主要有3 種技術手段可選。一是加大電機繞組的電流密度，但這意味著電機在運行過程中的發(fā)熱量也更高，因此為提升冷卻效果通常采用液冷而不是風冷。二是加大電機功率與尺寸，完成對需求功率的覆蓋，但由于農業(yè)機械作業(yè)條件特殊，在作業(yè)過程中會使得電機處于低轉速、高扭矩的低效工作區(qū)，因此這種方式的成本效益較低，并且電機尺寸很難符合設計需求。三是設計具備一定過載能力的電機，能夠滿足在沒有電磁或者熱損傷的情況下在足夠長的時間內提供峰值扭矩，雖然此時電機本身的額定扭矩較低，但仍能夠滿足使用需求，同時能夠保證電機的尺寸滿足布置需求[26]。

從電機結構來看，目前用于車輛傳動系統(tǒng)中較為普遍的3 種電機形式分別為表貼式永磁同步、內嵌式永磁同步和異步電機。相比較而言，永磁同步電機的功率密度普遍大于異步電機，這得益于永磁同步電機普遍采用稀土磁體，但也直接導致了永磁同步電機價格相對異步電機更高。除功率密度外，系統(tǒng)對電機調速范圍的需求也是電機選型的另一重要影響因素。表貼式永磁同步電機的弱磁范圍受限，導致其只適用于中低速，內嵌式永磁同步電機更容易進行弱磁控制，可滿足更大調速范圍的需求。當動力系統(tǒng)傳動方式為并聯(lián)或者串聯(lián)結構時，電機與發(fā)動機曲軸存在機械連接關系，此時電機轉速范圍較小，可以采用表貼式永磁同步電機；當動力系統(tǒng)傳動方式為混聯(lián)結構時，電機通過減速機構傳遞動力，則需要較大的速度范圍，則一般考慮內嵌式永磁同步電機或異步電機[27]。

1.3.2電力儲存設備

在并聯(lián)式或混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，需要配備電力儲存設備，此設備通常為電池組或是超級電容組或者兩者同時使用[28]。相比較而言，超級電容組的比功率較高，更適合于平衡瞬態(tài)功率的變化，電池的比能量較大，更適合于能量的存儲。因此，若電力儲存設備只由其中一種構成的話，通常為電池組，特別是鋰離子電池，由于其具有較高的能量密度與功率密度，并且布局方面相對靈活，在車輛高壓系統(tǒng)中的應用頻率逐漸升高[29]。而低壓系統(tǒng)中鉛酸電池的應用更多，因為鉛酸電池可以滿足各規(guī)格的電壓需求。

1.3.3功率轉換裝置

功率轉換裝置是農業(yè)機械混合動力系統(tǒng)中另一較為關鍵的部件，為適應電機短時過載運行的需求，功率轉換裝置的選用需要考慮此時的最大電流值及相應的發(fā)熱問題，即需要避免功率轉換裝置溫度過高引起的性能衰退對系統(tǒng)造成的影響。同時由于農業(yè)機械的常見工況為大扭矩、低轉速工作，易產生較高的能量傳輸損失，因此在設計過程中也要考慮減少功率轉換裝置[30]。

2 農業(yè)機械混合動力產業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

盡管隨著技術的逐漸成熟與標準法規(guī)的逐漸嚴格，農業(yè)機械的電氣化程度會越來越高甚至可能實現(xiàn)純電動機械作業(yè)，但就現(xiàn)階段而言，應用混合動力技術仍是農業(yè)機械實現(xiàn)電氣化的首選。目前，已經(jīng)有部分農業(yè)機械制造廠商開始研制混合動力農業(yè)機械樣機，包括 約 翰 迪 爾（Deere） 、 芬 特（ Fendt） 、 愛 科（AGCO）、道依茨法爾（Deutz-Fahr）、雷吉塔克（Regitrac）、勞森多夫（Raussendorf）及科樂收（CLAAS），但仍未有混合動力農業(yè)機械大規(guī)模投入應用。原因是雖然這種產品意味著更低的能耗與更好的駕駛性能，但是目前其市場需求與接受度有待進一步提升，這其中最主要的瓶頸是混合動力系統(tǒng)的生命周期成本[31]。

與燃油系統(tǒng)相比，混合動力系統(tǒng)在結構上增加了電機、電力儲存設備及功率轉換裝置，這也意味著整機制造成本的增加。而在能源使用上，電能成本相對化石燃料較低，但由于作業(yè)環(huán)境不同，能源節(jié)約帶來的收益也有所不同，相比較而言，在果園等場景工作的機械由于工作負荷與作業(yè)條件相對于其他作業(yè)機械較好，能夠避免電機長時間處于低效率區(qū)域工作，因此運行成本將有效降低。而對于某些作業(yè)機械而言，由于能量轉換損失較高，運行成本甚至會高于燃油機械[32]。

從整機成本回收時間來看，混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機尺寸應減小到一個合適的尺寸，滿足有效降低能源消耗與不會顯著增加系統(tǒng)成本的運行要求。從此角度出發(fā)，對自身成本較高的發(fā)動機進行精簡是推行混合動力系統(tǒng)農業(yè)機械的有效途徑，反之，在發(fā)動機成本降低有限的情況下采用混合動力系統(tǒng)方案將產生較高的制造成本，從而導致機械整個生命周期的成本均無法獲得理想的成本節(jié)約。因此并不是所有的農業(yè)機械都可以通過采用混合動力系統(tǒng)方案達到降低成本的效果[33]。

3 結束語

在節(jié)能減排要求日益嚴苛的行業(yè)背景下，對農業(yè)機械實施電氣化改造與混合動力技術應用的意義逐漸凸顯。通過對不同混合動力系統(tǒng)結構分析可知，混合動力技術借助附加的電氣、液壓等輔助儲能系統(tǒng)對發(fā)動機運行工況進行調整，通過收集發(fā)動機富余功率、回收制動能量和工作系統(tǒng)勢能等方法，輔助發(fā)動機在低轉速區(qū)、高功率區(qū)等工況進行能量再分配，從而實現(xiàn)發(fā)動機在高效區(qū)工作及整機能耗、排放的降低。

由于不同結構本身存在特定的技術優(yōu)勢與劣勢，在混合動力技術應用過程中應充分結合不同種類農業(yè)機械的工作特性與作業(yè)方式，選擇合適規(guī)格的部件，從而在滿足動力性要求的基礎上降低整機全生命周期成本，提升經(jīng)濟效益。從目前來看，農業(yè)機械電氣化與混合動力技術應用仍處于發(fā)展初期，與普通車輛相比具有更高的挑戰(zhàn)性與復雜度，繼續(xù)提高技術成熟度與市場需求匹配度將是未來研究重點。