薛麗君，趙業(yè)慧，宋悅，鄒方磊，姜紅花，王光明

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山東泰安，271018； 2. 山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018； 3. 山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安，271018； 4. 南京農(nóng)業(yè)大學工學院，南京市，210031； 5. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京市100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛的作業(yè)工況較為復(fù)雜，除了道路運輸以外，大多都要在地面條件較差的田間進行。以拖拉機為例，其要從事的農(nóng)田作業(yè)包括重負荷下的犁耕、旋耕、土豆收獲等，中負荷下的中耕、耙耕、起壟等，以及輕負荷下的播種、施肥和植保作業(yè)等[1]。不僅工況多，同時還會受到土壤類別、作物品種、自然條件及栽植制度的影響和制約，這就要求農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛具有較高的適應(yīng)性，而無級變速和電傳動恰好是解決這一問題的最佳方法。目前，在非拖拉機領(lǐng)域，靜液壓無級變速[2]的應(yīng)用極為廣泛，而在拖拉機領(lǐng)域，液壓功率分流無級傳動[3-4]仍然是主流。近年來，我國逐步加大無級變速拖拉機的研究力度，也有部分企業(yè)跨過動力換擋而直接開始從事無級變速的研發(fā)工作，甚至已有部分企業(yè)成功試制了樣機。但這一技術(shù)在國內(nèi)目前還并不成熟，關(guān)鍵在于燃油經(jīng)濟性控制[5-6]以及可靠性問題未能得到很好的解決。此外，在道路車輛電動化的背景下，拖拉機等農(nóng)業(yè)作業(yè)機械也開始朝著電動化發(fā)展[7-8]。盡管電動汽車和混動汽車已開始普及，但農(nóng)機的電動化進程卻異常艱難，主要受制于其復(fù)雜且惡劣的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境，很難同時滿足成本、續(xù)航時間以及性能方面的需求。為了理清無級變速與電傳動的研究現(xiàn)狀，進而把握行業(yè)走向，本文在介紹無級變速與電傳動的發(fā)展歷程及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對其仍存在的問題及發(fā)展趨勢進行了分析和探討。

1 農(nóng)機無級變速與電傳動發(fā)展歷程

1.1 無級變速與電傳動農(nóng)機研究背景

長期以來，拖拉機或自走式農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的行走系統(tǒng)都是有級傳動，其核心部件為機械換擋變速箱，典型的換擋機構(gòu)包括滑動齒輪、嚙合套、同步器和濕式離合器等[9-11]?；瑒育X輪在高擋換抵擋時需要兩次踩下離合器，結(jié)構(gòu)簡單但對駕駛員技術(shù)水平要求較高；嚙合套通常與從動齒輪直接嚙合，致使其在換擋時需要先停車以避免沖擊；同步器由于引入了摩擦副實現(xiàn)齒輪嚙合前的轉(zhuǎn)速同步而大幅提高了換擋平順性，但卻因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而增加了制造成本；濕式離合器廣泛應(yīng)用于動力換擋變速箱[12-13]中，其在換擋過程中僅通過離合器摩擦片的滑摩實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步和接合，可以實現(xiàn)換擋期間的持續(xù)動力輸出，是最為理想的換擋方式，但綜合控制難度較大。

考慮到如前所述的復(fù)雜農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境，拖拉機等農(nóng)業(yè)車輛往往需要設(shè)置更多的擋位以滿足不同作業(yè)下的速度和功率需求。以動力換擋拖拉機為例，國產(chǎn)LF2204拖拉機最多可配置48個前進擋和41個倒退擋，PL2304和PH2304拖拉機也都具有40個前進擋和40個倒退擋。擋位數(shù)量的增加提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛的適應(yīng)能力，但同時也引起了更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和過程控制難題。為此，沒有擋位，但是相當于具有無數(shù)擋位的無級變速成為一種理想的傳動形式。

事實上，除了應(yīng)對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境以外，農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛對無級變速的需求同時也體現(xiàn)在：采棉機等部分收獲機械為了實現(xiàn)發(fā)動機的恒功率輸出(即負載自適應(yīng)控制)，從而確保工作系統(tǒng)的穩(wěn)定工作[14]，也逐步采用無級變速這一傳動形式；此外收獲機等農(nóng)業(yè)無人駕駛車輛，為了解決機器運行期間的換擋與調(diào)速難題，無級變速也成為重要解決方案之一；一些山地丘陵地帶的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械，如多功能履帶式果園管理機或者植保機等[15]，為了應(yīng)對車輛作業(yè)刀具(如開溝機)或者農(nóng)藥對人的潛在威脅，也逐步出現(xiàn)了部分便于遙控的無級變速機型。電傳動則不僅具有無級調(diào)速的特性，還能實現(xiàn)污染物的零排放，是未來農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的重要發(fā)展方向，只是目前受制于成本和技術(shù)限制還無法取得廣泛應(yīng)用。

1.2 無級變速與電傳動研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)作業(yè)機械無級變速的研究起步較早，有價值的研究是從20世紀初期開始的。一般來說，農(nóng)業(yè)作業(yè)機械實現(xiàn)無級變速主要有3種方法：機械無級變速、液力液壓無級變速和電傳動。

1.2.1 機械式無級變速

機械方法實現(xiàn)無級變速的核心原理是摩擦傳動，如1907年德國工程師設(shè)計的Stock自走式犁地機無級傳動系統(tǒng)即采用了摩擦盤進行動力傳遞[16]。該系統(tǒng)具有1個主動摩擦盤和2個從動摩擦盤，主動摩擦盤與動力輸入軸相連，其轉(zhuǎn)速等同于發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速，而2個從動摩擦盤分別連接前驅(qū)和后驅(qū)。通過絲杠改變從動摩擦盤與主動摩擦盤的接觸點位置，即可改變主動摩擦盤的動力半徑，進而實現(xiàn)從動摩擦盤轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的主要問題是功率密度過低，故并未實際取得應(yīng)用。

機械無級傳動系統(tǒng)的典型代表為金屬帶(鏈)無級變速箱，也就是通常意義上的CVT[17-19]。這種變速箱被廣泛應(yīng)用于小汽車等道路車輛，其原理是將主、從動帶輪設(shè)計成可相對運動的兩個錐盤：當兩個錐盤相互接近時，金屬帶(鏈)延徑向被擠出，其動力半徑變大；反之，當兩個錐盤相互遠離時，金屬帶(鏈)朝著徑向內(nèi)側(cè)移動，其動力半徑減小。在此基礎(chǔ)上，同時調(diào)節(jié)主、從動帶輪的動力半徑，即可實現(xiàn)帶(鏈)傳動比的連續(xù)改變。這種變速箱于1886年開始在汽車上使用，其在拖拉機等農(nóng)業(yè)作業(yè)機械上應(yīng)用的里程碑式事件是1988年德國工程師研制的Munich試驗拖拉機，以及1990年左右研制的60 kW無級變速拖拉機，均表現(xiàn)出卓越的傳動性能。該變速箱在技術(shù)上非常成熟，但最大的問題是金屬帶(鏈)在大負載下容易打滑，導致其傳遞功率極為有限，不適合大功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械。盡管有學者提出了金屬帶(鏈)功率分流方案，但該問題仍未能從根本上得到解決。

1.2.2 液力液壓式無級變速

液力液壓式無級變速主要依靠液壓傳動實現(xiàn)速比調(diào)節(jié)，較為典型的傳動系統(tǒng)為靜液壓無級變速箱(HST)和液壓功率分流無級變速箱(即液壓機械無級變速箱HMCVT，也有譯作HMT，本文中的稱謂與國際上較為正式的術(shù)語“Hydrostatic Power Split Transmission”保持一致)。HST的本質(zhì)是容積調(diào)速回路[20]，其原理如圖1所示。通過改變柱塞泵的排量，即可調(diào)節(jié)液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速進而實現(xiàn)無級調(diào)速。液壓馬達可采用定量馬達，也可采用變量馬達以提高其在高速輸出時的效率。

圖1 靜液壓無級傳動

通常情況下，HST變速箱很少單獨使用，為了改善液壓系統(tǒng)的傳動性能，需要與機械換擋變速箱串聯(lián)。該類變速箱以相對較低的成本實現(xiàn)了無級變速，在農(nóng)業(yè)作業(yè)機械中的應(yīng)用極為廣泛，如無級變速采棉機、收獲機、田園管理機、插秧機等。HST在拖拉機中也有應(yīng)用，最早由美國于1967年實現(xiàn)量產(chǎn)[21]。但其靜液壓的傳動效率不高[22]，滿負荷效率一般僅能達到75%～80%左右，遠低于齒輪傳動。而且由于HST與機械系統(tǒng)串聯(lián)，進一步拉低了整個傳動系統(tǒng)的效率，故在市場上很少見到高能耗的HST拖拉機。

HMCVT內(nèi)部包含機械傳動系統(tǒng)以及液壓傳動系統(tǒng)，可充分發(fā)揮機械傳動以及液壓傳動各自的優(yōu)點。該變速箱最早出現(xiàn)在軍工領(lǐng)域，20世紀90年代中期在拖拉機領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使其走向民用，目前廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個行業(yè)。HMCVT變速箱相當于HST與機械傳動的“并聯(lián)”，其傳動效率介于純機械與純液壓之間，普遍可以實現(xiàn)最高約90%的滿負荷效率，部分機型如德國HM8變速箱和TRAXION變速箱，其最高滿負荷效率高達93%～94%。如圖2所示，這種變速箱的基本原理是發(fā)動機輸入功率分成機械與液壓兩路傳遞，而后再匯流后輸出。分流的目的是僅使部分發(fā)動機功率流經(jīng)效率較低的泵馬達，從而提高整個變速箱的傳動效率。

(a) 行星排輸入耦合式

圖2(a)為定軸齒輪實現(xiàn)分流、差動行星排實現(xiàn)匯流，即行星排輸入耦合式，圖2(b)為行星排輸出耦合式。世界上第1臺商業(yè)化的液壓功率分流無級變速拖拉機是Fendt Favorit 926[23]，其變速箱Vario即為行星齒輪分流、定軸齒輪匯流，而此后ZF、John Deere、CLAAS等公司生產(chǎn)的液壓功率分流無級變速箱則大多采用定軸齒輪分流、行星齒輪匯流的傳動方案[24]，且配合多區(qū)段技術(shù)[25-26]降低液壓功率分流比從而擺脫變速箱對高效率泵控液壓馬達的依賴。

1.2.3 電傳動無級變速

無級變速傳動還可以通過電機實現(xiàn)調(diào)速，即電傳動無級變速。相比液壓無級變速，電控機構(gòu)消耗的能量較少，能有效提升CVT的傳動效率。由于不使用燃料(純電動)或少使用燃料(混電傳動)，對于實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。電傳動無級變速是一種面向未來的傳動形式，也是未來農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的重要發(fā)展方向。

近年來，道路車輛的電動化趨勢不可逆轉(zhuǎn)，也在加速推進，但存在的主要問題是：農(nóng)機的作業(yè)環(huán)境和工況均較為復(fù)雜，現(xiàn)有電傳動技術(shù)難以直接嫁接到農(nóng)機領(lǐng)域中，主要制約因素為電池的成本和續(xù)航能力不足以支撐大功率的農(nóng)機化應(yīng)用，故多出現(xiàn)在小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械中。不僅如此，電機技術(shù)也有待提高，最理想的情況是電池直接驅(qū)動(輪轂)電機運轉(zhuǎn)，從而省去一切形式的傳動系統(tǒng)，但目前的技術(shù)水平尚無法實現(xiàn)。根據(jù)德國拖拉機權(quán)威Renius教授的分析，目前可供選擇的電傳動方案包括通常意義上的直驅(qū)電傳動(圖3)[27]，輪轂電機配合輪邊減速的電傳動，以及功率分流式電傳動(e-CVT)，而e-CVT是最有可能在拖拉機等農(nóng)業(yè)作業(yè)機械中取得應(yīng)用的電傳動形式[28-30]。e-CVT的基本原理與前述液壓功率分流傳動較為類似，可近似認為是由發(fā)電機和電機取代泵馬達得到，其關(guān)鍵技術(shù)在于解決不同工況下發(fā)動機與變速箱的功率匹配問題，從而滿足農(nóng)機作業(yè)時所需的經(jīng)濟性和動力性。

圖3 直驅(qū)電傳動系統(tǒng)

2 農(nóng)機無級變速與電傳動應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 無級變速農(nóng)業(yè)作業(yè)機械

無級變速已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)用機械，但以金屬帶(鏈)為代表的機械式無級變速受其材料限制，所能傳遞的功率有限，難以在大功率機械中取得應(yīng)用，在現(xiàn)階段主要以HST與HMCVT為主。其中，HST的典型代表為無級變速采棉機。采棉機無級調(diào)速的基本方案：發(fā)動機動力首先分成兩部分傳遞，一部分通過離合器驅(qū)動風機運轉(zhuǎn)，另一部分則通過HST接入分動箱，而分動箱再將動力分成兩部分，一部分通過變速箱進入行走系，另一部分則用于驅(qū)動采摘臺工作。較為典型的機型為John Deer 9970自走式采棉機，該機配套功率186 kW，具有18排摘錠，傳動系統(tǒng)為HST變速箱串聯(lián)1個3擋機械式變速箱，使其能夠在3個擋位內(nèi)分別實現(xiàn)區(qū)間無級調(diào)速。近年來，國產(chǎn)無級變速采棉機也日趨成熟，如4MZ-3自走式棉花收獲機。4MZ-3配套發(fā)動機功率179 kW，3個擋位下分別可實現(xiàn)0～5.5、0～6.7和0～21 km/h范圍內(nèi)的區(qū)間無級調(diào)速，分別對應(yīng)于初采、復(fù)采和運輸3種作業(yè)工況。

HST在履帶機上的應(yīng)用也較為廣泛，一般結(jié)構(gòu)為發(fā)動機依次串聯(lián)HST和機械變速箱，進而驅(qū)動兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)動。南京農(nóng)業(yè)大學設(shè)計了一種用于濕爛田地的稻茬麥旋耕滅茬施肥播種復(fù)式作業(yè)機[31]，該機就采用HST靜液壓無級變速箱串聯(lián)機械變速箱進行調(diào)速，其作業(yè)幅寬為2.3 m，作業(yè)行數(shù)為16行，作業(yè)效率為0.4～0.8 hm2/h。水稻收獲機上也普遍采用HST作為調(diào)速系統(tǒng)，較為典型的為久保田4LBZ-172B半喂入式無級變速收獲機，該收獲機標定功率為66.1 kW，收割行數(shù)為5，割臺寬度為1.72 m，生產(chǎn)率達到0.27～0.53 hm2/h。

作為最重要的農(nóng)業(yè)動力作業(yè)機械，拖拉機的無級變速則主要采用液壓功率分流無級變速箱HMCVT。如Maxxum系列無級變速拖拉機，其配套的雙離合CNH HMCVT如圖4所示[27]。該變速箱采用具有雙聯(lián)行星輪的復(fù)合行星排作為匯流機構(gòu)，其特點是使用了結(jié)構(gòu)緊湊的雙向離合器。其在前進方向上有高、低2個速比首尾銜接的工作區(qū)段，倒退方向上也有1個區(qū)段，但需使用動力換擋實現(xiàn)低速段與倒退段之間的切換。除Maxxum外，該變速箱目前也被裝備于New Holland T6和T7系列拖拉機。

圖4 CNH HMCVT拖拉機無級變速箱

我國最早對HMCVT開展試驗研究的高校是河南科技大學和南京農(nóng)業(yè)大學。以南京農(nóng)業(yè)大學的132.5 kW HMCVT樣機為例[32]，其采用了雙行星排功率匯流式傳動方案，具有1個靜液壓起步段和4個液壓功率分流段，通過5個濕式離合器與2個行星排的交替控制，可使拖拉機在0～50 km/h范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。近年來，山東農(nóng)業(yè)大學也試制了132.5 kW HMCVT樣機，但與主流的多行星排傳動方案不同的是，其所設(shè)計的變速箱僅有1個行星排，在沒有同步點的情況下即可實現(xiàn)非等差區(qū)段配置與大范圍無級調(diào)速。雖然該方案對變速箱的換段動力學控制提出了更高要求，但卻簡化了變速箱結(jié)構(gòu)并降低了制造成本。此外，該團隊還在國內(nèi)率先對小功率HMCVT進行了研究并試制了25 kW試驗樣機(圖5)，通過串聯(lián)方案降低了HMCVT對液壓系統(tǒng)的性能要求，使得傳統(tǒng)HST可以直接作為該HMCVT的調(diào)速單元。該方案大幅降低了HMCVT的應(yīng)用成本，使得HMCVT的小型化成為了可能。

圖5 25 kW串聯(lián)式HMCVT試驗樣機原理圖

2.2 電傳動農(nóng)業(yè)作業(yè)機械

電傳動在農(nóng)機方面的應(yīng)用一定程度上借鑒于發(fā)展較為成熟的電動汽車。由于電池技術(shù)和電機技術(shù)的限制，電動農(nóng)機的使用趨于小型化，如微耕機、植保無人機、機器人等。大型電動農(nóng)業(yè)機械主要是拖拉機，因其作業(yè)工況復(fù)雜，對動力系統(tǒng)的要求較為苛刻，目前尚未取得大范圍使用，企業(yè)推出的樣機多數(shù)還停留在概念階段。

EKDC20電動微耕機采用直流電機串聯(lián)機械變速箱的傳動方案，標定功率0.3 kW，續(xù)航時間50～80 min。相比于普通內(nèi)燃機動力的微耕機，其作業(yè)功率、續(xù)航時間和價格都不占優(yōu)勢，但其零排放的特性使其非常適合于設(shè)施園藝等大棚環(huán)境中工作。近年來，我國高校也在研制更大功率的電動微耕機，以及由輪轂電機驅(qū)動的微耕機[33]，但電池成本過于昂貴，以至于始終未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

近年來，植保無人機[34-35]在我國取得了較大發(fā)展，其也是電傳動的典型代表。相比于日本，我國的植保無人機多為旋翼機，使用鋰電池供電，提供10～20 min或者更長的續(xù)航時間，從而滿足小塊農(nóng)田的植保作業(yè)需求。植保無人機的作業(yè)系統(tǒng)一般包括3個部分，即地面站系統(tǒng)、機載系統(tǒng)和飛行平臺，如圖6所示。無人機既可由操作人員通過遙控器進行手動控制，也可由計算機在RTK GPS引導下實現(xiàn)自主飛行，其具體工作流程：首先，確認作業(yè)區(qū)域并對起飛位置進行定位；其次，進行飛行軌跡規(guī)劃和加載；再次，起飛并切入設(shè)定軌跡后開始噴施作業(yè)；最后，作業(yè)結(jié)束或機載電池電量不足時，飛機自動返航著陸。以大疆T30植保無人機為例，該機具有6個旋翼和16個噴頭，鋰電池容量29 000 mAh，單個電機的最大功率為3.6 kW，藥箱容積30 L，滿載30 kg藥液，空中懸停時間可達20.5 min。T30同時具備自主導航和變量噴施能力，例如在獲得作物長勢、病蟲害等農(nóng)情數(shù)據(jù)后，可根據(jù)處方圖適時調(diào)控施肥量。

圖6 無人植保機的組成

電傳動的另一個典型應(yīng)用領(lǐng)域即農(nóng)業(yè)機器人。以瑞士ecoRobotix農(nóng)業(yè)除草機器人為例，其采用太陽能電池為系統(tǒng)供電，進而驅(qū)動電機實現(xiàn)田間行走。這種機器人使用了RTK差分GPS技術(shù)，在導航系統(tǒng)引導下對大田進行巡視作業(yè)，當其視覺系統(tǒng)識別雜草存在時，可立即定位并通過并聯(lián)機械手操縱噴霧器對雜草所在位置精準噴施除草劑。

在拖拉機領(lǐng)域，世界上首臺實用的電動拖拉機是2018年推出的Fendt e100 Vario。該拖拉機采用容量100 kW·h、650 V的鋰電池作為能量來源，可在40 min 內(nèi)充電80%，續(xù)航時間約5 h，輸出功率50 kW。在大型電動拖拉機領(lǐng)域，一個稱之為SESAM的項目于2017年推出了其第一代概念機，通過兩塊130 kW鋰電池輸出279.3 kW動力，充電時間為3 h，可持續(xù)作業(yè)時間約為4 h。目前，該機已推出其第三代概念機，其功率達到500 kW，且完全取消駕駛室實現(xiàn)了無人駕駛。

2.3 對比分析

為了便于對無級變速與電傳動農(nóng)業(yè)作業(yè)機械進行比較，本研究將兩者的主要技術(shù)實施方案和性能分析進行了總結(jié)，如表1所示。

表1 無級變速與電傳動的技術(shù)方案比較

3 農(nóng)機無級變速與電傳動發(fā)展瓶頸及發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

無級變速與電傳動在節(jié)能減排、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但其在當前的發(fā)展階段又都進入瓶頸，具體表現(xiàn)如下。

1) 動力與傳動未能協(xié)同發(fā)展。工業(yè)界長期以來將節(jié)能減排的目標完全寄希望于發(fā)動機的技術(shù)升級，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動機的熱效率已經(jīng)趨于極限，節(jié)能和減排的提升空間也愈發(fā)狹窄，大幅的節(jié)能減排已很難實現(xiàn)。事實上，傳動系統(tǒng)的節(jié)能長期以來未能獲得重視。以液壓功率分流無級變速箱為例，其通過與發(fā)動機的匹配控制，在輕負荷下可節(jié)省燃油10%～20%以上。因此，建議在后續(xù)無級變速農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的研究中，將發(fā)動機與變速箱視作一個整體，結(jié)合具體工況開展系統(tǒng)性的節(jié)能減排研究。

2) 小功率無級變速技術(shù)未能引起重視。我國人均耕地面積較少，因此在相當長的一段時間內(nèi)，小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械仍將作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的中堅力量。然而，現(xiàn)有的HMCVT無級傳動技術(shù)很難應(yīng)用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械，原因是HMCVT的泵控液壓馬達價格昂貴，尤其是專用的一體式泵控液壓馬達尚難以完全實現(xiàn)國產(chǎn)。為此，建議對金屬帶(鏈)、HST和串聯(lián)式HMCVT等現(xiàn)有技術(shù)開展廣泛的學術(shù)討論，從中優(yōu)選出適于小功率無級變速的低成本傳動系統(tǒng)。

3) 技術(shù)與成本之間相互制約。電動化是公認的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的重點發(fā)展方向之一，但農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的電動化還難以進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。雖然電傳動涉及電池、電機和控制等多方面的問題，但該技術(shù)在農(nóng)業(yè)作業(yè)機械中應(yīng)用的最大困難仍然是由電池的成本過高以及電機性能的不足造成的，而不僅僅是系統(tǒng)集成與控制的問題。只有電池和電機技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究取得突破，才會大幅推動農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的電動化進程。因此，建議加大對新型電池和高性能電機的研發(fā)力度，而不是將研究重點完全放在電動化產(chǎn)品的開發(fā)上，否則電動化只能成為一個概念而終究無法進入市場。

3.2 未來發(fā)展趨勢

1) 無級變速與電傳動的共存與交匯。如第1節(jié)所述，電傳動是無級變速的一種形式，兩者在價值觀念上是統(tǒng)一的，都是為了實現(xiàn)便捷的操作、廣泛的工況自適應(yīng)性以及節(jié)能減排。但電傳動普遍被認為是未來農(nóng)機發(fā)展的必然趨勢，這就形成了對立，即電傳動有可能取代一切形式的傳動系統(tǒng)(包括無級變速)。事實上，這種情況在短時間內(nèi)很難發(fā)生，除非電池和電機技術(shù)取得革命性進展，否則電驅(qū)動仍然離不開減速器及無級變速箱。在可預(yù)見的未來，無級變速與電傳動之間是并存的，是相互交融的。一個典型的例子是CVT混合電傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)離合器C1和C2的接合狀態(tài)可分別工作于純電傳動(僅C2接合)、混合驅(qū)動/燃油驅(qū)動(C1、C2同時接合)和電功率分流傳動(e-CVT)模式(僅C1接合)。

2) 電池與電機技術(shù)的持續(xù)變革。農(nóng)業(yè)機械的田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，電動化后所需能耗較高，續(xù)航能力不足導致作業(yè)效率降低，因此電池和電機技術(shù)[36-37]制約著農(nóng)機電動化的發(fā)展。當前，電池技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個階段：第一代為鉛酸電池，也是目前使用最為廣泛的電池，成本低，技術(shù)成熟，但性能的提升空間非常有限；第二代為高能電池，以鎳氫電池和鋰電池最為典型，其能量和比功率較高，但成本較高，管理系統(tǒng)和使用條件均較為復(fù)雜；第三代為燃料電池，可將燃料中的化學能在不經(jīng)燃燒的情況下直接轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)展?jié)摿^大，但使用壽命和成本有待進一步改善。電機的類型也較多，例如直流電機、感應(yīng)電機、永磁無刷電機等。直流電機在早期應(yīng)用較多，但容易產(chǎn)生機械磨損，高速運轉(zhuǎn)時電刷和轉(zhuǎn)向器之間容易產(chǎn)生火花；感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，但其參數(shù)變化對控制性能影響較大；永磁無刷電機可靠性高、成本低、輸出功率大，非常適合于電傳動，但在一定條件下(如高溫、振動、過高電流等)容易發(fā)生磁性衰退現(xiàn)象。農(nóng)機電傳動對電池和電機的要求較高，除了普遍關(guān)注的電池可靠性、續(xù)航能力，以及電機的低速扭矩特性外，對成本和結(jié)構(gòu)體積都有著相當苛刻的要求。一般而言，農(nóng)機研究偏向于應(yīng)用，一旦電池、電機技術(shù)取得較大進步，電傳動農(nóng)機就能得以快速發(fā)展和普及。

3) 能源的多樣化獲取。微型高能的電池只能一定程度上解決儲能問題，電池成本依舊較高，可以通過三種能源獲取渠道解決。一是如果農(nóng)機在固定區(qū)域內(nèi)工作，可以通過架空的電纜為其提供電力，從而獲得持續(xù)的續(xù)航能力，比如糧食晾曬設(shè)備、果園有軌運輸設(shè)備、大棚采摘車等。二是將可再生能源如太陽能、風能等[38]作為輔助能源使用，以提升農(nóng)機續(xù)航能力并大幅度降低作業(yè)成本。光伏組件俘獲的太陽能轉(zhuǎn)化為電能進行存儲，雖具有較大的可行性，但產(chǎn)生的電能有限，不能驅(qū)動大型農(nóng)機作業(yè)機械，只能應(yīng)用于小型農(nóng)業(yè)機器人和移動平臺；利用自然風及農(nóng)機行駛相對氣流形成的風能可賦能農(nóng)機作業(yè)，但風能的間歇性導致風力不穩(wěn)且時斷時續(xù)，產(chǎn)生的能源也非常有限。因此，太陽能和風能只能作為輔助能源，配合化石能源和生物燃料共同使用。三是通過能量回收將廢棄的能量收集再利用[39-40]，有效提高能量的利用率，提升電傳動的續(xù)航能力，從而增加車輛續(xù)航里程，如制動能量回收、車輛振動能量回收以及發(fā)動機熱能回收等。發(fā)展的總趨勢是，農(nóng)機領(lǐng)域的能源獲取要服務(wù)于“碳達峰、碳中和”的目標需要，新能源農(nóng)機是未來的重要發(fā)展方向，國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心發(fā)布的國內(nèi)首臺5G氫燃料無人駕駛電動拖拉機(ET504-H)則是該領(lǐng)域的1項重要成果。

4) 無級變速、電傳動與無人駕駛的交相融合。隨著我國老齡化以及農(nóng)村勞動力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，國內(nèi)勞動力嚴重緊缺，勞動成本日趨增加，人機分離的無人駕駛技術(shù)[41-42]對解放農(nóng)村生產(chǎn)力、降低勞動強度及保障駕駛?cè)税踩染哂兄匾饬x。美國GUSS果園無人駕駛彌霧機，1個駕駛員可以同時監(jiān)控并指導8臺機器作業(yè)，大幅提高了作業(yè)效率；大田植保作業(yè)和果園開溝作業(yè)均存在一定的危險性，通過無人駕駛可有效確保人員安全。在以往的研究中，往往只關(guān)注定位與導航本身，RTK等厘米級差分GPS技術(shù)被大量使用，但卻忽略了變速箱自身所存在的問題。駕駛員不在車輛上，無法中途換擋，難以實現(xiàn)農(nóng)機自身的燃油經(jīng)濟性和動力性，主要表現(xiàn)為輕負荷作業(yè)時呈現(xiàn)高油耗和重負荷作業(yè)時呈現(xiàn)動力不足。因此，除了動力換擋等自動變速箱外，速比連續(xù)可調(diào)的無級變速與電傳動無疑是更好的選擇，更適宜作為無人駕駛車輛的傳動系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文回顧了無級變速與電傳動的發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀，對其各自的技術(shù)方案進行了介紹和分析比較，從中可以得到如下結(jié)論。

1) 機械式無級變速具有極佳的傳動效率，噪聲也很低。但由于其傳遞功率有限，故僅適用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械。如果需要傳遞中等功率，則建議采用金屬帶(鏈)的功率分流方案。

2) 靜液壓HST(包括全液壓驅(qū)動)的驅(qū)動功率大，但傳動效率很低，噪聲水平較高。HMCVT融合了HST的大負載驅(qū)動能力和機械傳動的高效率，是理想的無級傳動系統(tǒng)，但自身噪聲也很大，通常只用于大中功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械。建議對串聯(lián)式HMCVT開展研究以降低其應(yīng)用成本，從而填補其在小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械中的研究空白。

3) 電傳動是公認的面向未來的傳動系統(tǒng)，但就目前的技術(shù)水平而言還很難取得規(guī)?；瘧?yīng)用。目前，電傳動用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機械是可行的(盡管成本偏高)，而用于大中功率傳動(如拖拉機)，其電功率分流方案(eCVT)無疑是最具潛力的。

目前，無級變速與電傳動技術(shù)在動力與傳動的協(xié)同發(fā)展、小功率無級傳動系統(tǒng)的研發(fā)以及技術(shù)成本之間的平衡方面仍然存在諸多問題，故在其系統(tǒng)集成、小型化和關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)研究方面應(yīng)當引起重視。

此外，本研究還對無級變速與電傳動的未來發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

1) 無級變速與電傳動是未來農(nóng)機的重要發(fā)展趨勢，兩者在短期內(nèi)不存在取代關(guān)系，而且需要相互融合。

2) 電傳動是最理想的農(nóng)機傳動形式，其發(fā)展受到電池和電機等基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的約束，但這種約束將隨著電池與電機技術(shù)的快速發(fā)展而解除，從而大幅推動農(nóng)業(yè)作業(yè)機械的電動化進程。

3) 隨著電傳動研究的深入，未來的能源獲取將是多樣化的，太陽能、風能、生物燃料、再生能量等均可能被轉(zhuǎn)化成電能而得到綜合利用。

4) 無人駕駛依賴于高度自動化的傳動系統(tǒng)，故可由計算機自動操控的無級變速和電傳動將與之深度融合，并逐步成為其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。