农业机械学报

驱动构型	构型特点	典型产品	国家及推出时间	优点	缺点
串联式	增程型	发动机与牵引负载和PTO负载解耦动力电池容量大，整机一般为纯电驱动模式动力电池为主能源、增程器为辅能源	未见相关产品报道，文献[12-14]对该构型开展了研究	无级变速作业；发动机与作业负载解耦；传动系统复杂度降低	能量二次转换效率损失，动力系统体积质量偏大
一般型	发动机与牵引负载解耦，PTO可选独立驱动动力电池容量小，用于作业功率削峰填谷发动机发电机组为主能源、动力电池为辅能源	Fendt X concept series	德国（2019）
东方红HB2204	中国（2022）
并联式	转矩耦合型	一般选用离合器为动力耦合装置整机转矩响应迅速，适用于高幅时变负载场景	Antonio Carraro SRX Hybrid	意大利（2018）	无级变速作业；发动机功率需求降低，能够长时运行在高效区；负载动态响应能力良好；传动系统复杂度降低	依赖大容量电池，研制成本高；控制系统复杂度较高
转速耦合型	一般选用行星齿轮机构为动力耦合装置通过调节电动机，调优发动机的运行区间整机无级变速传动，且作业速度控制精度高	未见相关产品报道，文献[18]对该构型开展了研究
牵引力耦合型	依靠驱动轮与土壤互作实现动力耦合前后桥分布式驱动，适用于复杂地势作业场景	Landini Rex 4 Electra	意大利（2020）
混联式	串并联型	基于转矩耦合型系统增设一套发电系统	未见相关产品报道，文献[22]对该构型开展了研究	无级变速作业；可实现串联/并联/混联等驱动模式，最大限度提高整机能效水平	电力系统复杂；整机研制成本高；控制系统开发难度较大
功率分流型	基于转速耦合型系统增设一套发电系统	John Deere 8R 410 Hybrid	美国（2019）
山东临工T32047E	中国（2024）

驱动构型	构型特点	典型产品	国家及推出时间	优点	缺点
串联式	增程型	发动机与牵引负载和PTO负载解耦动力电池容量大，整机一般为纯电驱动模式动力电池为主能源、增程器为辅能源	未见相关产品报道，文献[12-14]对该构型开展了研究	无级变速作业；发动机与作业负载解耦；传动系统复杂度降低	能量二次转换效率损失，动力系统体积质量偏大
一般型	发动机与牵引负载解耦，PTO可选独立驱动动力电池容量小，用于作业功率削峰填谷发动机发电机组为主能源、动力电池为辅能源	Fendt X concept series	德国（2019）
东方红HB2204	中国（2022）
并联式	转矩耦合型	一般选用离合器为动力耦合装置整机转矩响应迅速，适用于高幅时变负载场景	Antonio Carraro SRX Hybrid	意大利（2018）	无级变速作业；发动机功率需求降低，能够长时运行在高效区；负载动态响应能力良好；传动系统复杂度降低	依赖大容量电池，研制成本高；控制系统复杂度较高
转速耦合型	一般选用行星齿轮机构为动力耦合装置通过调节电动机，调优发动机的运行区间整机无级变速传动，且作业速度控制精度高	未见相关产品报道，文献[18]对该构型开展了研究
牵引力耦合型	依靠驱动轮与土壤互作实现动力耦合前后桥分布式驱动，适用于复杂地势作业场景	Landini Rex 4 Electra	意大利（2020）
混联式	串并联型	基于转矩耦合型系统增设一套发电系统	未见相关产品报道，文献[22]对该构型开展了研究	无级变速作业；可实现串联/并联/混联等驱动模式，最大限度提高整机能效水平	电力系统复杂；整机研制成本高；控制系统开发难度较大
功率分流型	基于转速耦合型系统增设一套发电系统	John Deere 8R 410 Hybrid	美国（2019）
山东临工T32047E	中国（2024）

参数	三元锂电池	磷酸铁锂电池	超级电容	燃料电池
功率密度/（W·kg^-1）	3 000	2 000	10⁵	2 000
能量密度/（W·h·kg^-1）	250	160	9	800
循环次数	3 000	5 000	10⁶	7 000
工作温度/℃	-20~60	-20~60	-40~70	-20~80

参数	三元锂电池	磷酸铁锂电池	超级电容	燃料电池
功率密度/（W·kg^-1）	3 000	2 000	10⁵	2 000
能量密度/（W·h·kg^-1）	250	160	9	800
循环次数	3 000	5 000	10⁶	7 000
工作温度/℃	-20~60	-20~60	-40~70	-20~80

类型	技术方案特点	优点	缺点	典型产品
集中电驱式无级变速系统	利用电动机宽转速范围无级调速特性，配合智能电控有级换挡装置，实现整机全速度区间无级变速作业	结构简单，传动效率高，易于调控	挡位衔接需精细调校、作业性能依赖单一驱动电机	广西玉柴IE-POWER^[62]
分布电驱式无级变速系统	采用轮边电机搭配减速器或轮毂电机，利用电动机宽转速范围无级调速特性，实现整机全速度区间无级变速作业	驱动轮转速/转矩差异控制，整机空间布局灵活	控制系统复杂、电动机峰值转矩与峰值转速要求高	STEYR Konzept轮毂电驱系统^[63]
电驱机械耦合式无级变速系统	以“发电机-电动机”替代HMCVT的“泵-马达”，通过调节电机转速，优化发动机工况并实现无级变速	速度控制精准、可优化发动机工作点、驱动模式切换	系统集成复杂，制造成本高，整机能量二次转换	John Deere eAutoPower^[64]

类型	技术方案特点	优点	缺点	典型产品
集中电驱式无级变速系统	利用电动机宽转速范围无级调速特性，配合智能电控有级换挡装置，实现整机全速度区间无级变速作业	结构简单，传动效率高，易于调控	挡位衔接需精细调校、作业性能依赖单一驱动电机	广西玉柴IE-POWER^[62]
分布电驱式无级变速系统	采用轮边电机搭配减速器或轮毂电机，利用电动机宽转速范围无级调速特性，实现整机全速度区间无级变速作业	驱动轮转速/转矩差异控制，整机空间布局灵活	控制系统复杂、电动机峰值转矩与峰值转速要求高	STEYR Konzept轮毂电驱系统^[63]
电驱机械耦合式无级变速系统	以“发电机-电动机”替代HMCVT的“泵-马达”，通过调节电机转速，优化发动机工况并实现无级变速	速度控制精准、可优化发动机工作点、驱动模式切换	系统集成复杂，制造成本高，整机能量二次转换	John Deere eAutoPower^[64]

策略类型	优点	缺点
确定规则策略	逻辑简单，易于实现，实时性强，算力要求低	实际作业工况适应性低，无法实现最佳燃油消耗
模糊规则策略	适用于多变量、非线性时变系统，无需精确数学模型	缺乏最优性；输入、输出变量增多时规则设计复杂
全局优化策略	在已知工况下可实现全局最优，能效提升显著	依赖完整先验工况信息；计算量大、耗时长，难以在线应用
瞬时优化策略	在线优化，计算量相对较小，可实现局部最优，实时性强	无法保证全局最优；计算负荷随模型复杂度增加
工况自适应策略	作业工况匹配度高，节能效果显著，适合复杂多变作业环境	依赖训练数据，在未知工况中稳定性差；广泛覆盖工况需大量数据与高算力

策略类型	优点	缺点
确定规则策略	逻辑简单，易于实现，实时性强，算力要求低	实际作业工况适应性低，无法实现最佳燃油消耗
模糊规则策略	适用于多变量、非线性时变系统，无需精确数学模型	缺乏最优性；输入、输出变量增多时规则设计复杂
全局优化策略	在已知工况下可实现全局最优，能效提升显著	依赖完整先验工况信息；计算量大、耗时长，难以在线应用
瞬时优化策略	在线优化，计算量相对较小，可实现局部最优，实时性强	无法保证全局最优；计算负荷随模型复杂度增加
工况自适应策略	作业工况匹配度高，节能效果显著，适合复杂多变作业环境	依赖训练数据，在未知工况中稳定性差；广泛覆盖工况需大量数据与高算力

产品	智能化功能
Combined Powers无人混合动力拖拉机（德国，KRONE与KEMKEN）	搭载相机与LiDAR，能够提供360°环境感知；具备自动驾驶技术，并配套远程监控与数据记录分析
AgBot T2混合动力农业机器人（荷兰，AgXeed）	搭载LiDAR、超声波和雷达传感器，并结合RTK-GNSS定位实现360°环境感知；支持自动驾驶、远程管理、数据储存与分析等功能
Prospr混合动力农业车辆（新西兰，Robotics Plus）	集成多相机与LiDAR，能够实现360°障碍物检测与避让；具备多机协同控制、远程监管功能
8R系列混合动力拖拉机（美国，John Deere）	具备自动转弯、全局路径规划和自动驾驶功能；支持无线同步作业、地图与设备数据，实现远程可视化与任务管理
DV3504混合动力拖拉机（中国，中联重科）	配套辅助驾驶系统，支持高精度卫星导航与自动路径规划；装配前后置相机用于监视环境与保障作业安全
LT3504-CE混合动力拖拉机（中国，广西柳工）	集成自动导航系统，能够实现路径跟踪与直线作业

产品	智能化功能
Combined Powers无人混合动力拖拉机（德国，KRONE与KEMKEN）	搭载相机与LiDAR，能够提供360°环境感知；具备自动驾驶技术，并配套远程监控与数据记录分析
AgBot T2混合动力农业机器人（荷兰，AgXeed）	搭载LiDAR、超声波和雷达传感器，并结合RTK-GNSS定位实现360°环境感知；支持自动驾驶、远程管理、数据储存与分析等功能
Prospr混合动力农业车辆（新西兰，Robotics Plus）	集成多相机与LiDAR，能够实现360°障碍物检测与避让；具备多机协同控制、远程监管功能
8R系列混合动力拖拉机（美国，John Deere）	具备自动转弯、全局路径规划和自动驾驶功能；支持无线同步作业、地图与设备数据，实现远程可视化与任务管理
DV3504混合动力拖拉机（中国，中联重科）	配套辅助驾驶系统，支持高精度卫星导航与自动路径规划；装配前后置相机用于监视环境与保障作业安全
LT3504-CE混合动力拖拉机（中国，广西柳工）	集成自动导航系统，能够实现路径跟踪与直线作业

部件类型	测试部件	主要试验项目	试验方法	文献序号
动力系统关键部件	电机	转速特性、转矩特性、转矩密度、运行效率与永磁体损耗等	磁粉制动器/测功机台架试验	[42，114-115]
电池	容量衰退率、高压安全性	dSPACE半实物仿真、电源系统台架试验、田间耕地测试	[47-48]
发动机-发电机组	电力输出稳定性与动态响应能力	可变负载电阻台架试验	[116]
动力耦合装置	传动性能、动态响应性能	磁粉制动器台架试验	[117-118]
整机工作装置	电液悬挂	提升力、提升行程与可靠性	三点悬挂电液加载台架试验	[119-121]
动力输出轴	可靠性与耐久性	拖拉机传动系动态加载试验	[122]
液压动力输出	液压压力、流量与最大有效液压输出功率	多路液压输出功率试验	[123-124]

部件类型	测试部件	主要试验项目	试验方法	文献序号
动力系统关键部件	电机	转速特性、转矩特性、转矩密度、运行效率与永磁体损耗等	磁粉制动器/测功机台架试验	[42，114-115]
电池	容量衰退率、高压安全性	dSPACE半实物仿真、电源系统台架试验、田间耕地测试	[47-48]
发动机-发电机组	电力输出稳定性与动态响应能力	可变负载电阻台架试验	[116]
动力耦合装置	传动性能、动态响应性能	磁粉制动器台架试验	[117-118]
整机工作装置	电液悬挂	提升力、提升行程与可靠性	三点悬挂电液加载台架试验	[119-121]
动力输出轴	可靠性与耐久性	拖拉机传动系动态加载试验	[122]
液压动力输出	液压压力、流量与最大有效液压输出功率	多路液压输出功率试验	[123-124]

混合动力拖拉机关键技术研究综述

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温昌凯 ¹^,² , 赵子豪 ¹ , 谢斌 ¹^,² , 相姝楠 ³ , 杜岳峰 ¹^,² , 武秀恒 ¹^,² , 彭鹏 ³ , 宋正河 ¹^,²

农业机械学报 | 智能农业动力装备关键技术专栏 2025,56(12): 1-23

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农业机械学报 |智能农业动力装备关键技术专栏 2025 , 56 (12) : 1 -23

混合动力拖拉机关键技术研究综述

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温昌凯¹^,², 赵子豪¹, 谢斌¹^,², 相姝楠³, 杜岳峰¹^,², 武秀恒¹^,², 彭鹏³, 宋正河¹^,²

作者信息

^1.中国农业大学工学院，北京　100083

^2.智能农业动力装备全国重点实验室，北京　100083

^3.农业农村部农业机械化总站，北京　100122

通讯作者:

宋正河（1973—），男，教授，博士，主要从事农机装备试验验证方法与技术研究，E-mail：songzhenghe@cau.edu.cn

作者简介:

温昌凯（1994—），男，副教授，博士，主要从事新能源农机装备智能化研究，E-mail：changkai.wen@cau.edu.cn

Review of Key Technologies in Hybrid Tractor

Changkai WEN¹^,², Zihao ZHAO¹, Bin XIE¹^,², Shunan XIANG³, Yuefeng DU¹^,², Xiuheng WU¹^,², Peng PENG³, Zhenghe SONG¹^,²

Affiliations

^1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

^2.State Key Laboratory of Intelligent Agricultural Power Equipment, Beijing 100083, China

^3.China Agricultural Mechanization Center, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100122, China

出版时间: 2025-12-25 doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2025.12.001

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摘要

收起

节能减排是智能农机装备提质增效、转型升级的关键。混合动力拖拉机是全球新能源农机装备产业发展的重点机型，也是加快推动中国农机向高端化、智能化、绿色化转型的关键技术路径。近年来，国内外结合本地农业生产特点，以市场需求为导向，持续催生、迭代新技术和新产品，并通过多场景、多层次的示范及应用，逐步形成完整的技术研发与应用体系，加速推动产品成熟推广。本文在概述混合动力拖拉机发展历程与发展特点的基础上，从设计开发、动力控制、智能化和试验验证4方面归纳分析了该领域关键技术的发展现状，着重分析了国内外机型的技术差异，并指出了制约领域发展的关键问题。最后，在政策引导与技术创新协同的大背景下，从人工智能、大数据等新兴技术赋能农业现代化的角度，展望了混合动力拖拉机产业的发展方向，并提出其在整机优化设计、协同优化控制、专用性能测试装备、智能作业管控等方面的未来发展趋势。

关键词

混合动力拖拉机 / 关键技术 / 智能控制 / 试验验证

Abstract

收起

Energy saving and emission reduction is the key to improve quality and efficiency, transformation and upgrading of intelligent agricultural machinery and equipment. Hybrid tractor is the key model for the development of the global new energy agricultural machinery and equipment industry, and it is also the key technology path to accelerate the transformation of Chinese agricultural machinery to high-end, intelligent and green. In recent years, domestic and foreign combined with local agricultural production characteristics, market demand-oriented, continued to spawn, iterative new technology and new products, and through multi-scene, multi-level demonstration and application, a complete technology research and development and application system was gradually formed, which accelerated the promotion of product maturity. On the basis of outlining the development history and development characteristics of hybrid tractors, the development status of key technologies in this field was summarized and analyzed from four aspects: design and development, power control, intelligence and test verification, which focused on analyzing the technological differences between domestic and foreign models, and the key issues restricting the development of the field were pointed out. Finally, under the background of policy guidance and technological innovation synergy, it looked forward to the development direction of the hybrid tractor industry from the perspective of agricultural modernization empowered by artificial intelligence, big data and other emerging technologies, and puted forward its future development trend in the optimized design of the whole machine, collaborative optimization and control, special performance test equipment, intelligent operation control and other aspects.

Key words

hybrid tractor / key technologies / intelligent control / experimental validation

引用本文

温昌凯, 赵子豪, 谢斌, 相姝楠, 杜岳峰, 武秀恒, 彭鹏, 宋正河. 混合动力拖拉机关键技术研究综述. 农业机械学报, 2025 , 56 (12) : 1 -23 . DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2025.12.001

Changkai WEN, Zihao ZHAO, Bin XIE, Shunan XIANG, Yuefeng DU, Xiuheng WU, Peng PENG, Zhenghe SONG. Review of Key Technologies in Hybrid Tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2025 , 56 (12) : 1 -23 . DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2025.12.001

正文

收起

0　引言

收起

在全球“双碳”战略与可持续发展深入实施背景下，农业领域的绿色化转型进程也在加快推进^[1]。2025年中央一号文件、《加快建设农业强国规划（2024—2035年）》等政策文件均重点提出，要推动国产农机向高端化、智能化、绿色化方向升级。当前，我国农业机械化率与农机总动力虽逐年上升，但仍存在单一柴油动力主导、手动机械换挡为主、自动化智能化程度低的问题^[2-3]。同时，国内针对高端智能动力换挡和液压无级变速拖拉机的研发相对滞后，纯电动拖拉机也因连续重载续航能力不足而难以大规模推广应用。在此背景下，混合动力拖拉机为行业转型升级提供了新的可行路径。

混合动力拖拉机是指采用两种或两种以上动力源共同驱动的机型，其主流路线为基于柴油机和电机的油电混合驱动方式。混合动力拖拉机以电驱辅助和智能控制为突破点，可有效绕开国外在高性能发动机、动力换挡变速箱、精密液压阀件等方面的技术壁垒，“换道”实现无级变速、能量管理、系统线控、无人驾驶等先进功能，可显著提高作业效率与作业质量，并降低作业成本。并且，得益于电动汽车产业相对完备的共性技术优势，能够为整机关键部件提供有效解决方案。目前，我国混合动力拖拉机具备了一定的应用验证基础。江苏、安徽等省份陆续推出系列购置与应用补贴，鼓励将性能稳定可靠的产品逐步推向市场。近年来，涌现出较多关于混合动力拖拉机的新路线、新思路与新方法，但是尚缺少系统性梳理。

因此，本文系统解析混合动力拖拉机领域的技术发展态势，在调研国内外研究成果和产业实践的基础上，详细梳理和总结混合动力拖拉机的设计开发、动力控制、智能化以及性能试验4项关键技术的原理、特点以及研究应用现状，并对目前面临问题及未来发展趋势加以分析和展望，以期为我国混合动力拖拉机技术革新提供参考。

1　混合动力拖拉机设计开发技术

收起

混合动力拖拉机设计开发技术是指面向平原大田、丘陵山地、果园茶园等典型作业场景^[4]，以满足拖拉机作业效率、牵引性能、PTO输出、空间尺寸等要求为目标，重点围绕整机驱动构型设计、驱动传动部件参数匹配、关键部件专用化开发以及农机具电动化等关键技术开展系统性研究与开发工作。

1.1　整机驱动构型

混合动力拖拉机整机驱动构型的研究分为3个阶段：概念引入、适应性验证和产业化落地。21世纪初，为解决传统柴油拖拉机能耗大、排放严重的问题，受道路车辆发展启发，国内外开始尝试将混动技术应用于拖拉机，该阶段以驱动构型的可行性验证为主^[5-6]。2015年前后，随着动力电池、电机等核心部件性能提升，研究重点从可行性转向场景适配性，形成了一系列满足不同作业场景需求的差异化整机构型技术路线。例如，文献[7-10]从成本、节能效果、结构紧凑等角度，探讨了串联、并联驱动构型在果园和家庭农场的适用性。近年来，混动拖拉机构型研究进入产业化落地前的实车测试阶段，行业聚焦实际作业场景和用户作业需求，开展多轮整机性能优化与试验验证，加快混动技术从原型样机至产品落地应用的转换^[11]。

根据发动机、发电机与电动机的联合工作方式，混合动力拖拉机的驱动构型方案分串联式、并联式和混联式3类。

1.1.1　串联式混合动力拖拉机

串联式混合动力拖拉机是指发动机与整机牵引动力解耦，全部的牵引动力由电动机提供，发动机、发电机和动力电池作为能源系统为电动机供能的机型。PTO动力既可由发动机提供，也可由电动机独立提供。目前，根据动力电池容量差异与动力系统工作方式的不同，串联式混合动力拖拉机可分为增程型和一般型2类。

增程型混合动力拖拉机以动力电池为主能源，增程器为辅助能源。整机通常采用纯电驱动模式；当SOC低于设定值时，增程器启动，既为动力电池补电，又为电动机供能。相关学者将该构型拓扑出多种传动方案，主要包括单电机提供整机驱动力和PTO动力^[12]、轮边电机提供整机驱动力与独立电机提供PTO动力等多种形式^[13]。其中，四轮边电机驱动增程式构型如图1所示。增程型混合动力拖拉机可解决单一电池能源难以满足大功率拖拉机长时间作业的问题，是当前电池储能技术无法满足纯电动拖拉机长时作业需求背景下典型的混动拖拉机构型方案，在实现整机连续长时作业时动力电池容量可下降60%以上^[14]。

一般串联型混合动力拖拉机以发动机-发电机组为主能源，动力电池为辅助能源，其设计思路是发电功率和作业负载功率相对平衡，局部负载变化引起的电能需求依靠动力电池及时补电或放电来缓冲。其驱动构型方案如图2所示。一般串联型系统的部件组成与增程式系统相同，技术特征差异体现在：在能源部分，整机通常配置高放电倍率、小容量的动力电池；在动力部分，牵引动力由电动机提供，PTO一般由发动机机械传动直驱，发动机与作业负载未完全解耦。此外，由于发动机-发电机组产生的电能足够驱动拖拉机完成农业生产作业，整机可不配置动力电池。例如，白俄罗斯Minsk拖拉机厂在2009年推出的Belarus-3023拖拉机、瑞士Rigitrac Traktorenbau AG公司在2011年推出的Rigitrac EWD120拖拉机以及德国Fendt公司在2019年推出的X concept series拖拉机^[15-16]。

因此，串联式混合动力拖拉机优势可归纳为：简化了传动系统的复杂度，分布式驱动构型更是取消了桥式结构；发动机与作业负载解耦，可长期工作在高效区，提升整机能量利用率；整机电驱化，提升精准作业能力。其缺点为：发动机能量二次转换效率损失严重，重载工况下整机输出功率受限；动力系统体积、质量偏大，成本高。

1.1.2　并联式混合动力拖拉机

并联式混合动力拖拉机是指通过动力耦合装置并行连接发动机和电动机，双动力源的机械动力耦合后共同驱动车轮或PTO。该驱动构型技术特点为：至少配置一个储能装置（锂电池、超级电容等），为电动机供电；配备动力耦合装置以实现发动机和电动机的机械动力耦合或分离；拖拉机起步、轻载作业时电动机单独驱动整机行走，中、高负载作业时电动机负责调优发动机的工作区间；在少数特定工况下拖拉机制动减速时可实现能量回收，例如南方相对碎片化小水田的旋耕打浆作业。

目前，混动拖拉机并联式驱动构型可分为转矩耦合型、转速耦合型和牵引力耦合型3类，均可实现发动机单独驱动、电动机单独驱动和双动力源耦合驱动3种驱动模式。

混动拖拉机转矩耦合方案如图3所示。该方案通常将离合器作为动力耦合装置，在保证离合器两侧输入转速相等时，叠加发动机和电动机的输出转矩^[17]。凭借电动机峰值转矩储备优势和转矩快速调节特性，整机可输出强劲、高频响动力，适用于负载频繁变化的作业场景。

混动拖拉机转速耦合方案如图4所示。该方案将行星齿轮机构作为动力耦合装置，通过调节电动机的输出转速，既可调优发动机的运行转速以降低油耗，又可实现整机无级变速作业，适用于播种、移栽等对作业速度精度要求较高的工况^[18]。

混动拖拉机牵引力耦合方案是一种新型并联式构型，如图5所示。该方案兼具分布式驱动和混合动力驱动双重特点。不同于传统分动箱式机械四驱，其前桥和后桥由发动机或电动机分布式驱动，桥间动力通过驱动轮与地面的相互作用实现耦合，适用于地势起伏大、附着率低的作业场景^[19]。

综上所述，并联式混合动力拖拉机的优势为：发动机功率减小，且在高效区的工作时长占比提升，能效水平提高；依托电动机高频响、易调控的优势，整机负载动态响应能力提升；简化了传动系统的复杂度。但也存在一定缺点：需要大容量电池，研制成本高；控制系统复杂度高。

1.1.3　混联式混合动力拖拉机

混联式混合动力拖拉机兼具串联和并联构型的优势，可最大限度提高整机的作业效率和能效水平。其技术特点包括：需配置1台发动机、1台发电机以及1台电动机，其中发电机可在发动机启动阶段切换为电动机模式运行；可根据作业工况灵活切换至纯电、串联、并联及串-并联等多种工作模式。目前，混联式驱动构型包括串并联型和功率分流型2类。图6、7分别为功率分流型拖拉机和串并联型拖拉机的驱动构型方案，其分别以转矩耦合型、转速耦合型构型为基础，通过增设一套与发动机机械连接的发电机系统，使整机具备串联模式工作能力。

针对功率分流型构型，张凯等^[20]为解决功率循环导致动力系统分流效率下降的问题，基于杠杆拓扑法优化设计了一种功率分流型驱动构型，可实现动力系统多模式平稳运转，犁耕和旋耕工况下的油耗分别降低5.45%和5.38%。王智海^[21]通过分析动力系统分流特性，设计了一种基于复合齿轮的复合分流式功率分流驱动构型，并明确了动力系统在不同运行状态下的功率分布特点。针对串并联型构型，窦海石等^[22]设计了一种双流耦合串并联型拖拉机，可实现纯电、混合驱动、PTO分流与PTO耦合4种驱动模式，整机动力性指标值高于参考值，且油耗降低了7.2%。因此，通过科学合理的控制策略，可使混联式混合动力拖拉机的动力性和经济性达到更高水平。但是，该机型也存在工作模式多、电力系统复杂、成本高等问题，需要更复杂且精确的控制系统，开发难度较高。

由表1的对比可知，各类混合动力拖拉机驱动构型的优点与缺点并存，在实际应用中需根据具体作业工况与性能需求进行选择。

图8展示了国内外典型的混合动力拖拉机产品。分析可知，在产业发展方面，国外研发起步早，并且面向规模化、智能化、精准化作业的需求，结合本地农业生产特点，不断迭代新兴技术应用样机、升级智能控制技术，主推驱动构型类型全、功率覆盖范围大、场景应用广的产品，并多次获国际创新奖项。相比之下，国内混合动力拖拉机虽研发起步晚，但发展迅速、成效显著，目前已经初步形成面向大田作业场景、以串联式和混联式为主的技术体系和产品系列。

1.2　动力系统参数设计

混合动力拖拉机系统参数设计是指基于拖拉机的驱动构型、功率要求和作业特性，精确匹配动力系统核心部件的物理参数与性能指标，以满足整机空间尺寸、作业续航、动力性、经济性等要求。目前，混合动力拖拉机动力系统参数设计研究包括混合度设计和参数匹配与优化2部分。

1.2.1　混合度设计

混合度是衡量混合动力系统电动力与发动机动力比例的关键指标，表征电动部分在整机作业时的参与程度，其量化参数称为混合度因子（Hybridization factor，HF）。

混合度因子最早出现在道路车辆领域，BOLVASHENKOV等^[23]采用电动机额定功率与发动机额定功率的比值来量化电动汽车的混合度。但是，该方法一方面无法建立明确的车辆混合度等级；另一方面，串联式混合动力车辆的牵引功率完全由电动机提供，该方法将其等同于纯电动车辆，与实际情况矛盾。SOMÁ^[24]改进了该量化方法，新的HF定义公式为

(1)

式中

P_EM——电动机额定功率，kW

P_CM——发动机额定功率，kW

H的取值范围为0~1，0表示纯燃油驱动，1表示纯电驱动。同时该研究将混合度分为3个等级：全混合动力（0.5<H<0.7）、轻度混合动力（0.25<H<0.5）、微混合动力（0<H<0.1）。

与道路车辆不同，混合动力拖拉机混合度计算需兼顾整机驱动和PTO动力输出，并且不同的整机工作模式下提供动力的动力源与其参与程度不尽相同。因此，SOMÁ等^[25]通过引入动态权重系数k，以精确表征整机实际作业时的动力分配情况，HF的定义式改进为

(2)

式中，HF_Drive为采用式（1）计算的牵引行驶部分的混合度因子；HF_Load为采用式（1）计算得出的PTO部分的混合度因子；k为0~1之间的系数，其值根据特定工作循环中牵引行驶功率占总输出功率的比例动态调整，在无工作循环信息时一般假设为0.5。

式（2）虽然考虑了拖拉机的工作特性，但是未考虑对整机电动化水平影响较大的动力电池、发电机等部件关键参数。为了进一步精确描述混合动力拖拉机的混合度，MOCERA等^[26]提出了改进版的HF定义公式

(3)

其中

(4)

式中

、

——新定义的牵引行驶部分的混合度因子

P_EM_，ne_t、P_CM_，net——电动机和发动机传动至半轴和PTO轴的功率，kW

P_BP——动力电池输出的额定功率，kW

P_eg——发电机额定功率，kW

C_BP——动力电池容量，kW·h

C_ICE——燃油箱能量，kW·h

η_EL——电路平均效率

η_ICE——发动机平均效率

在混合度应用方面，魏明亮等^[27]对P2架构并联式混动拖拉机的研究表明，混合度与电动机额定功率和动力电池总容量参数呈正相关。ZHU等^[28]运用式（1）的混合度计算方法，结合运输、播种等低负荷作业数据，设计了25%混合度的机电液复合混联式混合动力拖拉机动力系统。仝一锟^[29]将混合动力拖拉机分为弱混、轻混、中混和强混4类，通过合理设计混合度及部件功率，开发了一种高效并联式动力系统。

1.2.2　参数匹配与优化

参数匹配与优化是混合度目标落地的具体手段，通过量化整机作业性能需求，优化确定动力系统关键部件的设计参数。相关学者主要围绕参数匹配与参数优化两方面开展研究。

（1）关键部件参数匹配

关键部件参数匹配是指通过合理匹配发动机、电机、动力电池等部件功能参数，保障整机牵引性能、PTO性能以及经济性能等要求。

目前，参数匹配方法主要有两种：①基于传统拖拉机性能指标与评价体系的方法。例如，徐立友等^[30]以东方红1804型拖拉机的牵引性能为参考，匹配设计了串联混合动力驱动系的电动机功率、发动机/发电机功率与挡位数，降低了2.64%的平均等效燃油消耗。刘亚楠等^[31]与邓晓亭等^[18]提出了涵盖牵引性能、爬坡度、平均电耗等动力性与经济性的评价指标，设计了混合动力系统的主要零部件参数，实现最高节能24%的效益。该方法具有设计流程成熟、目标明确且易于验证的优势，但是存在对混合动力系统多动力源耦合、动态工作点优化等新特性考量不足的问题。②基于实测作业负载数据的方法。例如，MOCERA等^[32]基于碎木、喷雾与耙地作业的实测负载确定了动力源功率范围，并结合作业负载特性，匹配了发动机、电机及电池组参数，可节省49%~63%的燃油。该方法从作业需求出发，能够实现部件参数与真实工况高度匹配，但整机不同作业环节的通用性受限。

（2）关键部件参数优化

关键部件参数优化是指从设定的整机目标性能出发，在可行范围内寻找最优的部件参数组合的计算过程。ESTEVEZ等^[33]基于果园作业场景，提出了一种双循环优化设计架构，外循环采用穷举搜索算法，筛选发动机/发电机功率及传动比等参数的可行组合，内循环为能量控制策略优化，所提方法较传统方案的全生命周期成本和CO₂排放量分别降低了9%和20%。WEN等^[34]提出了一种基于粒子群与动态规划算法的双层协同优化方法，以优化双电机动力耦合驱动系统参数，参数优化后整机在犁耕、旋耕与道路运输作业时耗电量分别减少23.76%、9.15%和13.98%。李贤哲等^[35]以驱动系统能量损失最小为优化目标，提出了一种基于多岛遗传算法的轮边驱动传动比优化方法，平均犁耕效率提高0.38%，能耗降低7.53%。

上述方法多以整机能耗和部件成本最小化为优化目标，缺少对整机及部件空间约束的考量，给整机紧凑化布局与环境适用性带来了挑战，部分学者针对这一问题开展研究。文献[36-37]结合果园、葡萄园空间狭窄特点，设计了小型化柴油机和电动机并联的驱动构型方案，提出了一种考虑等效转矩的电机额定转矩设计方法，将电动机堆叠长度由243.75 mm减至65 mm。周润东等^[38]为减小串联式混合动力分动箱的体积，在满足其结构、强度、刚度的约束下，建立了总中心距和齿轮总体积最小化的目标函数，优化后的齿轮总体积减小了2.9%。

1.3　关键部件专用化

混合动力拖拉机的关键部件包括电机、储能装置、发动机等，其专用化是指紧密结合农业作业载荷高幅值易瞬变、环境复杂多变、功能需求多元等特点，进行针对性开发。

1.3.1　电机

电机是混合动力拖拉机动力系统的核心驱动和发电单元，其性能直接影响整机可靠性、作业效率和作业质量。

目前，混合动力拖拉机常用电机的类型以交流感应、永磁同步、开关磁阻为主。交流感应电机成本低、维护便捷且可靠耐用，短时过载转矩可达额定值的3倍，适用于连续重载作业工况。但是，其在高功率运行区间的功率因数较低，为保证整机能量利用率，需选择功率和体积更大的产品，不适用于成本和空间敏感型的拖拉机。永磁同步电机具有体积小、重量轻、噪声低、转矩脉动小、低速大转矩以及运行效率高等优势，并且得益于价格低的优势，成为当前混合动力拖拉机主流应用产品。但是永磁体性能受温度影响较大，使用过程中的退磁现象也会导致作业效率和可靠性下降。开关磁阻电机是一种新型的交流调速电机，与永磁同步电机相比，其在高速时具有更高的转矩和效率，且价格低、可靠性高，但是低速时存在效率偏低、高振动和高转矩脉动问题，需要更复杂的控制算法来解决。

混合动力拖拉机适用电机的机械结构需满足：能承受高频随机振动；重量、尺寸和体积小；适配发动机和变速箱的物理接口；低噪声运转。技术性能需实现：低速大扭矩动力输出；宽转速范围调速；高运行效率；快速动力响应；高效散热；高防护等级，适应农田多尘、潮湿的环境。为实现上述性能要求，研究人员从结构优化和控制优化两方面开展了电机技术在拖拉机领域应用研究。

（1）电机结构优化

结构优化是指通过改变气隙宽度、槽口宽度、冷却水道结构等电机结构参数，以提升电机转矩密度、运行效率等性能。

陈高丽^[39]为降低拖拉机驱动电机的热损失并提高驱动效率，提出了一种基于改进非支配排序遗传算法的无刷直流电机多目标优化设计方法，驱动系统总效率的最大值和额定值分别提高了2%和1.4%。刘田奇等^[40]针对现有拖拉机驱动电机的温升过高问题，优化了电机的螺旋水道冷却结构，并设置了60°偏转角的涡流发生器，提高了电机的流体换热率，同等条件下最高温度降低1.5℃。张凯^[41]基于园艺拖拉机的作业工况与牵引工况特点，提出了一种具有高功率/转矩密度、高效率等潜在性能优势的内置式永磁电机结构，并研究了基于多工况多目标的电机优化设计方法，功率密度4.2 kW/kg，较通用电机提高15%~20%。

（2）电机控制优化

控制优化是指通过改进电机的控制架构与控制策略，提升电机动态响应、能效、稳定性及作业环境适应性等性能。

杜怿等^[42]提出了基于自抗扰控制和跟踪微分器的双凸极变极永磁电机变极策略，在实现电机平滑变极的同时，可同步匹配拖拉机田间作业和转场运输的高效运行行驶速度需求，变极过程转矩波动可下降11.8%。吴雨泽等^[43]针对用作PTO电机的变漏磁永磁电机，提出了一种复杂扰动补偿控制策略，作业参数变化和负载突变时，转速震荡平均下降60.0%，调节时间减少13.4%。张凯等^[44]针对农机重载工况下永磁电机机械式转子传感器可靠性差的问题，提出了一种基于模糊滑模观测器和模糊锁相环的无传感器电机控制方法，提高了转速和转子位置的估计精度，比无模糊控制器时的转速误差振幅减少27.2%。WANG等^[45]提出了一种永磁同步电机温度补偿矢量控制策略，可降低拖拉机犁耕作业时的速度和滑移率平均相对误差，整机牵引效率提高了23.33%。

在产业层面，电机的设计制造技术取得了一定突破。轴向磁通电机突破传统径向结构设计的限制，轴向空间缩短50%，适配拖拉机紧凑布局需求。在同等功率要求下，其质量可减轻50%，高效区面积超90%，转矩密度和功率密度提升，目前成功应用于部分高端产品，一定程度优化了动力系统性能。然而，目前多数混合动力拖拉机产品仍采用市场通用的电动机和发电机产品，专用电机产品仍较为缺乏。

1.3.2　储能装置

储能装置是混合动力拖拉机的核心能源部件，起整机电能存储、功率调节和能效提升的作用，主要包括锂电池、超级电容和燃料电池等^[46]，不同装置的工作特性如表2所示。

锂电池具备均衡的比能量和比功率优势。是目前混合动力拖拉机储能装置的首选方案。但是，其存在3方面缺点：可靠性不足且安全隐患大，拖拉机作业时振动、灰尘与温差较大，对电池系统的安全性要求较高，一旦热失控起火，会造成设备损毁、农田火灾甚至威胁农民生命安全；能量密度提升受限，电池组的质量和体积偏大，给整机设计布局带来较大的挑战；寿命较短，长时高功率输出加速了电池容量衰退速率。

因此，为缓解上述问题，相关学者从动力电池设计与控制、组合电源系统两方面展开研究。在动力电池设计与控制方面，王旭等^[47]通过考虑电池组SOC、温度与单体压差对电池使用寿命的影响，优化了功率跟随控制策略，最终混合动力拖拉机电池容量衰退缓减率降低了14%~25%。薛占坡等^[48-50]面向实际应用，针对某款混合动力拖拉机的能源系统，围绕整机功能、能量管理、电气安全和结构可靠性，设计了三元锂电池总成，研发了高压配电系统及低温冷启动控制方法。

在组合电源系统方面，李万敏等^[51]结合超级电容比功率大、工作温度范围宽等优势，提出了一种基于超级电容和蓄电池组合的混合动力拖拉机储能系统，用于解决频繁瞬时峰值大电流充放电引起蓄电池低效及寿命缩减的问题。GORJIAN等^[52]解析太阳能电池系统可用于混合动力拖拉机，通过适配光伏模块、与电池系统协同储能及功率输出，燃油消耗降低15%~20%。

综上，通过优化电芯材料、电池包结构和控制策略，可提高锂电池在混合动力拖拉机上的应用性能。未来，固态电池的快速发展将为整机性能提升提供新的可能。

1.3.3　混动专用发动机

混动专用发动机是伴随混合动力技术发展催生的新技术。在农机领域，该技术又称窄域高效发动机，是专为农机混合动力系统优化设计的动力装置。其技术核心是突破传统发动机作为整机唯一动力源的设计局限，一方面改进发动机结构，另一方面通过发动机与电机协同控制，规避发动机的低效工况，重点提升目标转速和负荷区间的热效率，助力实现动力系统整体能效提升。

目前，在农机领域尚未见关于混动专用发动机的公开研究文献，但已有相关企业成功推出了自主研发的混动专用发动机产品。如图9所示，2020年意大利菲亚特动力科技公司在Conexpo上推出搭载电子飞轮的FPT F28混合动力发动机，适用于农业机械。其结构紧凑化设计，通过与电动机协同工作，可额外提供20 kW的持续功率，兼顾高动力与低油耗。广西玉柴公司研发的拖拉机增程器用YCK16发动机，采用飞轮集成式电机方案，具备结构紧凑、体积小、重量轻、发电效率高等特点，最高发电效率达4.43 kW·h/L。2024年，东风康明斯公司面向混合动力农机领域，推出了4款发动机产品：B3.9、B5.9、B6.7及QSM15。该系列产品针对农机作业中的颠簸工况、高散热需求等进行了优化升级，排量覆盖3.9~15 L，功率覆盖97~563 kW。

1.3.4　其他部件

除上述部件外，行业也在积极研发专用变速箱、智能控制器等部件。例如，2024年，浙江海天推出E-CVT2604混合动力拖拉机无级变速箱，可适配190~220 kW（260~300马力）拖拉机。为充分发挥DV3504混合动力拖拉机搭载的MIDD混动系统性能，中联重科开发了0~40 km/h区间无级变速箱^[53]。广西柳工构建了动力域集中控制架构，并应用于LT3504-CE机型，实现了柴油机与电动机的智能协同^[54]。LUO等^[55]针对现有电动拖拉机依赖分布式微控制器或PLC，存在的通信冗余、计算性能弱等问题，开发了集成式高性能控制器及配套的分层实时操作系统，复杂协同方程求解时间平均46 ms、协同任务通信延迟低至83 μs，相关共性技术为混合动力拖拉机控制器的设计提供了参考。

部件专用化开发，通过针对性的性能优化与功能适配，为充分发挥混合动力系统及整机性能提供了重要支撑，未来会持续成为产品升级研究的重点。

1.4　农机具电动化

农机具电动化是指依托混合动力拖拉机“电力平台”的功能，利用电力驱动替代传统机械PTO或液压动力输出，实现机具各项作业功能的技术。该技术凭借便捷、低噪声、高效率等优势，已成为电动农业装备的重要发展方向^[56]。

电动农机具的电气系统包括通信控制系统、电力供应系统2个模块。通信控制系统一般由传感器、主控器、数据采集控制器、电机控制器等部分组成，基于CAN总线、串口等通信方式，实现农机具作业状态监测与控制^[57]。农机具的电力供应系统分高压电力和低压电力2部分，高压电力一般设计为低于480 V的交流电或800 V直流电，为高功率电动机供电；低压电力一般为3~48 V直流电，为小型分布式用电设备供电，如传感器、电子控制单元等。

混合动力拖拉机为电动农机具提供电力的方法包括：①在拖拉机侧设计电力输出接口（Electric power take off，ePTO），将发动机-发电机组和动力电池的电能引至农机具。②为农机具配备发电机，由拖拉机的PTO轴驱动发电。③通过拖拉机三点悬挂系统挂接便携式发电机，并利用PTO轴驱动发电，再经由电缆将电力输送至农机具。

针对第1种方法，2015年，农业工业电子基金会（AEF）率先推出了拖拉机的ePTO功能样机，兼具数据和功率传输功能，可输送700 V直流电或480 V交流电^[58]。2024年，AEF的合作公司HARTING改进了ePTO，提升直流电压至800 V，创新集成了断路、联锁、机载以太网等功能，并应用于AgBot 5混合动力拖拉机，如图10a所示。近年来，国内也颁布了ePTO技术要求团体标准，明确要求直流电压不超过750 V，直流电流不超过250 A^[59]。针对第2种方法，VU等^[60]设计了一种串联式混合动力吹雪拖拉机，作业机具工作原理如图10b所示，吹雪机具配置1个发电机和2个电动机，其中发电机由后置机械PTO驱动发电，为驱动叶轮和螺旋钻的2个电动机供电，吹雪作业燃油消耗减少33.4%。针对第3种方法，VARANI等^[61]针对传统拖拉机电功率不足以驱动电动农机具的问题，设计了由前PTO驱动并安装在前三点悬挂的外部发电机装置，如图10c所示，喷雾和除草作业燃油消耗分别降低33.3%和29.8%。

2　混合动力拖拉机动力控制技术

收起

混合动力拖拉机动力控制技术是指为提高整机能量效率与作业性能，根据作业工况变化和实际作业负载，协同控制动力部件输出功率与动力传动路径的方法。现有混合动力拖拉机动力控制研究以驱动控制和能量管理为主。

2.1　驱动控制

混合动力拖拉机驱动控制是通过协调控制发动机、发电机、电动机及变速器的工作状态，一方面实现整机无级变速作业，另一方面改善整机在复杂作业工况下的作业性能。

2.1.1　无级变速作业技术

在传统拖拉机中，无级变速传动是指在不改变发动机转速的前提下，通过连续调整传动系统输入轴与输出轴的传动比，实现整机动力不间断调速的技术。在混合动力拖拉机领域，该技术进一步扩展为整机作业速度的平稳连续控制。目前主流技术路线包括集中电驱式无级变速系统、分布电驱式无级变速系统以及电驱机械耦合式无级变速系统3种，其技术特点和典型产品如表3和图11所示。

2.1.2　动力协调控制技术

混合动力拖拉机动力协调控制技术是通过合理匹配发动机、发电机、电动机的输出动力以及变速器的挡位，提升整机动力性、经济性和稳定性的方法。

WANG等^[65]考虑混合动力拖拉机农田地形适应性，提出了一种以作业油耗和牵引效率为优化目标的分布式混合动力拖拉机驱动控制策略，最高牵引效率由80.82%提升至87.42%。ZHU等^[66]以混联式混合动力拖拉机纯电模式向转速耦合模式切换过程为研究对象，提出了一种“离合器油压模糊控制+电机转矩补偿”策略，冲击由26.181 m/s³降至7.08 m/s³，速度偏差降低约92.6%，模式切换时间由1.345 s减至0.35 s。RADRIZZANI等^[67]针对发动机内置的转速控制器无法满足并联式混合动力拖拉机作业速度控制要求的问题，提出了协调考虑电池SOC与速度跟踪精度的等效燃油消耗最小化策略，实现作业速度均方根误差减少0.68%、燃油节省14%。窦海石等^[68]针对大功率混联式混合动力拖拉机作业时载荷突变导致发动机输出扭矩剧烈波动的问题，基于Haar小波分解方法，提出了基于功率预测的发动机和电动机转矩分配策略，发动机的转矩波动减小35.0%。DERE^[69]设计了并联混合动力拖拉机分层控制架构，上层控制器可根据实时作业工况选择与切换驱动模式，下层为可协调控制整机车速、发动机转速以及电机转矩的3个PI控制器。

综上，混合动力拖拉机驱动控制技术的特点为：①注重采用电动机调优发动机的运行状态，如平抑发动机转矩波动、维持发动机持续高效运行、补偿发动机的动力惯性延迟等。②注重动力源和传动系统联合控制。③侧重从动力传动角度提升作业性能，热管理对整机作业性能的影响尚未得到充分研究。

2.2　能量管理

混合动力拖拉机能量管理策略可分为3种，如图12所示。第1种为基于规则的能量管理策略，根据实验数据、工程经验或专家知识等，人为制定混合动力系统在不同运行状态和作业工况下的功率分配方式和工作模式切换条件，使发动机、发电机和电动机运行在高效区间。第2种为基于优化的能量管理策略，以混合动力拖拉机性能最优化为目标，构建关于动力性、经济性、排放水平等指标的成本函数，采用数学分析方法，在动态约束条件下求解最小化成本函数的控制量动作序列。第3种为基于工况自适应的能量管理策略，通过实时辨识或预测负载工况和机组运行状态，动态优化目标或关键参数，实现整机能量智能在线控制。

2.2.1　基于规则的能量管理策略

基于规则的能量管理策略可根据规则是否模糊，分为确定规则和模糊规则2种。

（1）确定规则能量管理策略

确定规则能量管理策略通常基于发动机万有特性经济区、电机高效驱动区间与电池最佳荷电状态，结合整机作业车速、功率需求和电池SOC，制定动力源启停与功率分配逻辑。该策略旨在通过预定义的规则，优化各动力源的工作点，提升整机作业经济性。典型控制方法包括恒温器控制策略、功率跟随控制策略等。

早期研究主要关注策略的功能实现。赵心等^[70]在产品设计阶段，提出了基于功率需求和电池SOC的逻辑门限式能量管理策略，为整机节能提供了基础方案。JIA等^[71]对比了串联混合动力拖拉机中恒温器与功率跟随策略的性能，发现在犁耕作业中，恒温器策略油耗高于3.57%，但PM排放降低21%。

为进一步提升策略性能，王萌等^[72]提出了基于约束比例的功率跟随控制策略，通过动态约束发动机功率并将其限制在高效区运行，使等效油耗较传统功率跟随和恒温器策略分别降低8.96%和14.56%。尹必峰等^[73-74]则从发电系统效率出发，制定了基于发电需求的发动机最优工作曲线及切换逻辑，实现综合油耗降低5.57%。

近期研究趋向系统化与精细化。例如，AI等^[75]依据动力部件响应特性差异，将系统解耦为快慢子系统：慢子系统采用Artstein变换处理时滞，快子系统以最小母线电流为目标，通过双层PI控制器实时协调转矩分配，在保障作业稳定性的同时降低了电池使用频率与电流波动。为解决经典的确定规则策略缺乏工况适应性的问题，李妍颖等^[76]采用非线性规划遗传算法对恒温器策略的关键参数进行优化，取得了油耗降低29.25%的显著效果。

综上，确定性规则能量管理策略具有逻辑简单、易于实现、实时性强的优势，是最早应用于混合动力拖拉机的一类控制方法。然而，该策略通常采用固定参数，难以适应拖拉机动态变化的作业工况，导致整机无法持续运行于最优能效区间。

（2）模糊规则能量管理策略

与确定规则策略不同，模糊规则能量管理策略首先将作业车速、功率需求、电池SOC等输入参数模糊化处理，并根据经济性目标，构建基于模糊逻辑的控制规则，最终通过推理与解模糊过程实现对动力系统的实时调控。

王春光^[77]针对并联式混合动力系统多参数耦合带来的整机能量管理复杂性问题，以需求转矩和电池SOC为输入，构建了基于模糊逻辑的发动机与电动机功率分配控制策略，提高了整机动力性和燃油经济性。方树平等^[78]则面向串联式混合动力拖拉机，以整机需求功率和电池SOC为输入，实现了发动机功率的精确控制，较恒温器和功率跟随策略的燃油经济性分别提高4.16%和8.10%。

针对特定作业场景，QUATTROMINI等^[79]聚焦果园作业工况，开发了以负载功率和SOC偏差为输入、电池输出功率为控制量的专用模糊策略。试验结果表明，该策略在不同作业任务中的SOC与目标值偏差不超过±2%，平均节油率为1.5%，最优节油率达4.2%。

现有研究表明，模糊规则能量管理策略在处理混合动力拖拉机多变量、非线性、时变等复杂特性问题方面展现出良好的适应性。但是，该策略的控制效果依赖于隶属度函数和规则集的精度，缺乏最优性。并且随着输入和输出量的增多，规则集的制定也变得更加困难。

2.2.2　基于优化的能量管理策略

基于优化的能量管理策略可根据作业工况信息完整度和优化时间尺度，分为全局优化和瞬时优化2类。

（1）全局优化能量管理策略

全局优化能量管理策略是在作业工况信息已知的前提下，将控制问题离散化为多阶段决策问题，再通过动态规划（Dynamic programming，DP）、庞特里亚金最小值原理（Pontryagin minimum principle，PMP）、遗传算法（Genetic algorithm，GA）等算法求解全局最优控制序列。

当前研究主要聚焦于通过算法对比与实验验证来评估不同算法的节能性能表现。缪皓楠等^[80]基于DP算法，在犁耕工况下较功率跟随策略油耗降低6.3%。汪珍珍等^[81]建立了增程式混合动力拖拉机的DP能量管理模型，仿真和台架试验的油耗误差为1.77%，表明模型具有较高的精度。针对串联式驱动构型，JIA等^[82]对比研究了DP、PMP和直接法3种策略，结果表明，3种策略均能有效协调柴油机与电池功率，且较功率跟随策略的燃油经济性提升约3.08%。针对并联式驱动构型，张俊江等^[83]以等效燃油消耗量最小为目标，提出了基于PMP的节能控制策略，在旋耕和犁耕作业中分别降低油耗10.44%和11.20%。ZHOU等^[84]同样采用PMP算法，聚焦发电机组和电池的能量分配，较恒温器和功率跟随策略的油耗分别降低32.91%和26.10%。针对混联式驱动构型，ZHANG等^[85]以等效燃油消耗最小化为目标，提出了一种基于贝尔曼最小值DP算法的能量管理策略，较功率跟随策略的等效节油率提高26.87%。

综上，混合动力拖拉机的全局优化能量管理策略在作业工况信息已知的前提下，可最大限度地降低整机能耗。但是该策略的应用难点体现在：获知拖拉机全局作业工况信息较难；全局优化策略计算量大、计算时间长，实车在线应用受到限制。

（2）瞬时优化能量管理策略

瞬时优化能量管理策略通常以当前或未来数个单位时间内的燃油消耗最小化为优化目标，在有限计算资源下实现在线优化控制。

相关学者从算法融合、控制结构创新和功能集成等角度，提升系统能效。杨萌等^[86]融合猴群优化算法与等效燃油消耗最小策略（Equivalent consumption minimization strategy，ECMS），实现了较传统ECMS策略5%的节油效果。为解决犁耕作业中牵引阻力时变导致的能耗问题，朱明杰等^[87]提出了ECMS与动态约束双层优化策略，较固定等效因子的ECMS策略可减少10.47%的燃油消耗。BARTHEL等^[88]开发了融合优化与启发式方法的能量管理策略，通过整合负载点偏移、再生制动和电池辅助动力功能，并引入SOC监控机制，使整机燃油效率提升4.7%。ZHANG等^[89]以并联式机型等效燃油消耗最小为目标，建立了以电动机和柴油机转矩为控制变量、动力电池SOC为状态变量的瞬时优化节能控制策略，旋耕和犁耕工况下燃油消耗分别降低4.7%和6.31%。

瞬时优化能量管理策略可以实现整机能量消耗的局部最优。但是一系列局部最优决策的叠加并不能实现全局最优，并且随着模型精度、控制周期以及代价函数复杂度的提升，计算负荷会显著增加。

2.2.3　基于工况自适应的能量管理策略

近年来，随着人工智能和大数据技术的快速发展，基于工况自适应的能量管理策略成为提升混合动力拖拉机能效的重要研究方向。

VARLESE等^[90]提出了一种基于特征筛选与深度学习的功率预测方法，通过最大相关性准则选取23个特征参数，并构建双层长短期记忆网络与7层卷积神经网络模型，100 kW拖拉机在6 s内的预测功率均方根误差为7 kW，60 s内误差为9 kW。南祥等^[91]采用径向基神经网络预测视界长度需求功率序列，并结合DP算法实现能量管理，较规则策略的油耗节省5.18%。闫祥海等^[92]针对整机作业末期电能过剩的问题，通过动态估算剩余作业面积需求能量，并将其与电池剩余电量对比，适时切换至纯电驱动模式，等效燃油消耗下降了8.78%。朱镇等^[93]提出了一种融合拖拉机工况信息预测与SOC反馈信息的自适应ECMS方法，在犁耕工况中油耗较固定等效因子ECMS和仅SOC反馈策略分别降低6.30%和2.55%。DOU等^[94]基于径向基神经网络预测未来30 s的旋耕功率需求，提出了一种面向燃油和电能消耗最优的PMP控制策略，并利用离线GA对等效因子进行优化，较传统规则策略的等效燃油消耗降低8.4%。FENG等^[95]提出了一种融合自适应三次指数负载预测的PMP策略，较功率跟随策略的燃油消耗降低9.42%。

基于工况自适应的能量管理策略可与作业工况实际负载实现合理匹配，其本质是源于对已知工况信息的学习与优化，面对训练数据以外的工况稳定性较低。若要实现更广泛的工况覆盖，数据规模、模型复杂度及算力需求将呈指数级增长。

表4针对所提混合动力拖拉机能量管理策略，分别描述了其优点及缺点。

3　混合动力拖拉机智能化技术

收起

混合动力拖拉机的智能化技术旨在通过深度融合多源感知、信息融合、智能通信、人工智能决策与自动控制等前沿技术，构建集环境感知与智能监管于一体的综合技术体系。

3.1　环境感知技术

环境感知技术是指利用多源传感器获取作业环境信息。混合动力拖拉机主要用于农业生产的“耕”和“种”环节，其环境感知技术主要用于检测农田地块边界及田间障碍物。

（1）农田边界感知

农田地块的边界感知主要是检测农机所需耕种地的边缘界限，生成起始行、转向点与结束行，为自主导航系统提供关键空间信息，对混合动力拖拉机自动驾驶作业区域的精确划定具有重要意义。农田边界数据获取方式主要包括基于全球卫星导航系统（Global navigation satellite system，GNSS）高精度定位检测、基于无人机遥感信息检测和基于车载视觉感知检测^[96]。近年来，GNSS的精度和实时性得到了显著提升，已成为农田边界感知的主要手段^[97]。基于无人机遥感信息检测和基于车载视觉感知检测由于受复杂地形或光照变化影响，其技术发展仍处于研究阶段。为解决该技术瓶颈，相关学者采取不同改进措施^[98]。WU等^[99]基于无人机采集的农田多光谱影像数据，构建深度学习模型并结合0.5 m空间分辨率与红边、近红外等敏感波段信息，实现对农田地块的高精度自动提取，分割准确率为95.9%。张岩等^[100]提出融合单目相机与毫米波雷达的田埂检测方法，采用支持向量机对颜色与纹理特征进行判别融合，实现田埂边界像素级分割，分割准确率超95%。

尽管多模态融合与深度神经网络已在农田边界提取精度与鲁棒性上显示出优势，但在维持高检测精度的前提下，平衡实时性与硬件算力限制依然是该领域亟待突破的核心瓶颈。

（2）障碍物感知

在农田地块边界已被准确感知的前提下，障碍物感知构成混合动力拖拉机自动驾驶安全作业的核心基础。常用感知方法包括视觉感知和多传感器融合感知。

基于视觉的障碍物感知技术是指利用图像采集设备，结合计算机视觉与人工智能算法，实现对图像或视频中障碍物的识别、定位与跟踪。XU等^[101]提出了一种基于全景图像与Lucas-Kanade光流算法的动态障碍物识别方法，整体检测准确率为82.93%。ZHANG等^[102]设计了一套基于双目相机和改进YOLO v8模型的障碍物感知系统，能够在10 m内实现障碍物的精准感知，且5类障碍物的定位精度相对误差为2.26%。SKOCZEŃ等^[103]提出了基于RGB-D相机的障碍物检测与建图系统，将图像信息与深度数据相融合以感知实际障碍物，在多光照真实场景中检测准确率达95.2%。视觉感知方法为障碍物感知提供了有效手段。但是农田环境中的光照变化、尘土干扰等因素限制了视觉传感器的感知鲁棒性与识别性能。为解决上述问题，研究者尝试采用多传感器融合感知方案。SUVEI等^[104]提出了一种基于激光雷达与立体视觉的先验信息融合方法，试验表明该方法对农田中的障碍物检测F1值均高于0.93。LV等^[105]提出一种基于毫米波雷达与相机信息融合的障碍物检测方法，通过全局最近邻算法进行数据关联，融合输出目标的朝向、速度与类别信息，检测准确率可达95.19%。YAO等^[106]提出了一种融合激光雷达与相机的多传感器障碍物检测方法，其中视觉模块采用PPM-Unet网络实现对低矮小型障碍物的语义分割，有效弥补了激光雷达检测盲区。KRAGH等^[107]提出一种基于条件随机场的多模态障碍物感知方法，融合视觉与激光雷达信息。试验结果表明，相较单一传感器方案，该方法可降低检测误差并提升鲁棒性。

多传感器融合感知方法通过信息冗余和互补，增强了感知系统的可靠性和准确性，但同时存在成本高、长时工作稳定性低等问题。

3.2　智能监管技术

智能监管技术是指利用机载传感器、控制单元和GNSS等方式实时获取混合动力拖拉机和农机具的作业信息，借助4G/5G、卫星通信、无线局域网等通信技术，将信息实时传输至监管平台，实现整机智能监测与管理。目前，智能监管技术可分为机载监管与远程监管两类。

在机载监管方面，马若飞等^[108]提出了一种基于数据融合的耕深检测模型，采用自适应迭代扩展卡尔曼滤波算法，有效提高了耕深检测系统的稳定性与精度，均方根误差为1.08 cm。王宏伟等^[109]设计了一种基于NI C-DAQ控制器的拖拉机工况参数采集与监测系统，覆盖发动机、车轮/车桥、悬挂系统及机具等子系统，通过多通道信号调理与同步采样实现关键参数的高可靠采集，并通过车载终端实现实时监测与数据管理。李贺等^[110]开发拖拉机深松作业关键作业参数远程监测系统，能够对耕作深度、阻力、速度与面积等核心作业参数进行实时采集和远程监测。

在远程监管方面，安麒麟等^[111]提出一种基于TMAInet模型的农机具工况监测方法，借助5G通信模块将监测结果连同时间戳与地理位置等数据实时回传至监管平台，实现作业过程的在线感知与可追溯记录。YIN等^[112]设计了一种基于边缘计算与物联网架构的深松作业智能监控平台，在边缘侧实现关键参数的实时采集与预处理，并通过物联网将数据传至平台，能够实现深松参数自动监测、作业量统计、作业质量与效率评估以及作业过程管理，耕作深度检测误差小于1.2 cm，深松面积检测误差小于1%。LUO等^[113]提出了一种拖拉机耕作深度监测方法，并构建拖拉机运行远程监控系统，通过机载终端实时整合耕作深度数据、位置信息、作业速度与作业状态等关键数据，并借助4G无线网络将信息传输至服务平台，实现对拖拉机作业状态的全面监控与远程管理。

对于混合动力拖拉机，有利于实现智能化的原因包括：驱动、制动、转向等系统线控化设计，为实现自动驾驶提供硬件基础；电池可为传感器、控制器、通信模块等部件供应充足稳定电力，避免因发动机怠速或熄火而导致的智能系统断电风险；整机运行产生大量数据，为控制策略训练和优化提供丰富的数据样本，提升整机的自适应作业能力。

表5列举了国内外智能混合动力拖拉机产品。可知，国外企业面向无人化、智能化、数据监管化及互联协同化等需求，基于高精度定位导航、多模态感知、边云协同与高速通信等技术，开发了相关智能产品。经过多年发展，国内部分混合动力拖拉机产品已具备自动驾驶、环境感知和远程监管等功能，但仍处于功能叠加型智能阶段，尚不能支撑混合动力拖拉机全程无人化生产作业。

4　混合动力拖拉机试验验证技术

收起

混合动力拖拉机的试验验证技术是指通过半实物仿真、试验台架以及试验场试验的方法，开展包括传动效率、可靠性、耐久性等方面的性能试验研究，测试对象主要包括工作部件、混合动力总成以及拖拉机整机3类。

4.1　工作部件性能试验

当前，混合动力拖拉机的工作部件性能试验主要针对动力系统关键部件和整机工作装置两部分展开。前者包括电机、电池、发动机-发电机组与动力耦合装置；后者包括电液悬挂、动力输出轴和液压动力输出。表6归纳了上述部件的主要试验项目及对应试验方法。

分析可知，动力系统关键部件性能试验侧重于效率、动态响应和可靠性等指标，并采用台架、半实物仿真与田间试验结合的方法进行验证；整机工作装置更注重实际作业可靠性与耐久性，一般通过电液加载系统、动态加载试验台等模拟真实工况，以评估其在复杂作业环境下的综合性能。

4.2　动力总成性能试验

动力总成性能试验主要采用台架试验方法，通过加载装置复现田间作业工况，综合运用动力总成控制、负载模拟、试验数据处理和结果评价4项关键技术^[125]，测试动力总成在不同模拟负载输入下的综合性能。

文献[126]针对现有混合动力总成试验装置通用性不足、模拟加载精度低、控制策略测试条件复杂且难度大等问题，提出一种混合动力拖拉机综合试验装置与多驱动模式测试方法。汪珍珍等^[127]基于测控系统通信模块化和控制策略模块化的设计思想，搭建了串联式混合电动拖拉机快速原型试验平台，并在纯电动和混合动力模式下进行了旋耕作业试验，当旋耕负载转矩变化时，转速变化的最大相对误差约为2.037%。窦海石等^[128]搭建了柴油机和电机双流耦合动力系统试验台，并通过台架试验模拟了拖拉机旋耕与犁耕负载，验证了双流耦合动力系统多功率流输出的可行性。雷意^[129]从驾驶员、电源、发动机、轮毂电机、模拟加载以及数据采集6个模块出发，设计了串联式混合动力拖拉机的加载试验台，并进行了道路运输、犁耕和突加载荷3种典型工况的模拟加载试验。徐立友等^[130]针对单一试验系统难以适配电动拖拉机“三电”系统及复杂动力架构的测试需求的问题，采用模块化设计方法，开发了集成能源系统模块和动力系统模块的综合试验系统，测试误差与前期仿真设计误差小于10%。

综上，现有研究已通过模块化设计、高精度负载模拟和多工况复现等技术，提升了动力总成试验的适用性与测试精度，强化了复杂控制策略的验证能力。

4.3　整机装备性能试验

整机性能试验主要围绕牵引性能、可靠性、疲劳性及耐久性展开，采用的试验方法包括试验台架测试与试验场测试。

如图13a所示，林恒矗等^[131]利用轮耦合试验台，通过路面信息模拟试验方法，等效模拟了拖拉机试验场颠簸试验。所测数据与真实颠簸试验场景相比，目标测点的加速度最大值偏差小于0.7 g，座椅三轴加速度的加权均方根偏差为0.28 g。如图13b所示，WEN等^[132]提出一种适用于室内可靠性加载试验台的拖拉机耐久性加速结构试验设计方法，并基于四轮转鼓试验台开展试验，加速系数达到12.6，损伤相对误差的平均值为14.56%。如图13c所示，贾方等^[133]设计了一种基于电驱动系统的农业车辆牵引负荷车，并实现被试车辆牵引性能多参数监测与全面评估；如图13d所示，赵静慧等^[134-135]针对现有牵引性能预测模型通用性差、预测精度低等问题，提出新型通用牵引性能预测模型，并通过田间牵引试验，验证了最大牵引力、滑转率和滚动阻力的预测有效性。WANG等^[136]开发了一种动态载荷加载平台，可实现PTO功率、牵引功率和悬挂提升多项加载试验。以PTO测试为例，加载最大延时为0.8 s，最大超调量为9.81%，最大误差为4.78%，载荷谱相关系数为0.997 0，拟合优度为18.94 N·m。

综上，当前整机性能试验方法已从传统单一静态加载向动态模拟与多参数综合评估方向发展，通过构建贴近实际工况的试验台架与载荷谱，提升了试验结果的准确性与工程适用性。

5　展望

收起

受益于政策与技术共同激励，混合动力拖拉机历经设计开发、动力控制、智能化及性能试验等关键技术环节的探索攻关，实现了阶段性技术突破。面向未来，随着5G、人工智能、大数据等新兴技术持续赋能农业现代化，混合动力拖拉机在提升整机作业性能的同时，也将加速从孤立作业装备升级为“智慧农业”体系中的关键智能节点。相关研究主要从以下几方面开展：

（1）基于大数据的整机优化设计技术

在未来农场中，通过采集不同驱动构型的混合动力拖拉机在典型作业场景（如大田、丘陵、果园等）中全环节、多工况下的作业数据，构建覆盖牵引效率、能量消耗、作业质量等多维度的场景-性能大数据体系，为实现驱动构型高效拓扑优化、关键设计参数高效迭代及控制策略参数智能寻优提供重要支撑，从而形成基于海量数据反馈优化的高效闭环设计方法。

（2）热管理与能量管理协同优化控制技术

高效作业，不仅指燃油或电量消耗最优，更是指在有限农时内实现作业质量与作业效率最大化。当前，热管理问题，特别是重载工况下的过热故障停机，成为制约整机连续可靠作业的关键瓶颈。未来研究需致力于开发智能化的热管理与能量管理协同调控策略，通过引入机器学习和深度学习算法技术，超前预测动态作业载荷特性；同时探索整机多热源耦合系统的热负荷生成机理，构建以热安全为边界、系统能效最优为目标的实时协同控制方法，保障混合动力拖拉机在复杂工况下持续高效作业。

（3）混合动力拖拉机智能作业与监管技术

当前，高分辨率多模态传感器、边云协同感知和深度学习等前沿技术的快速发展，为在复杂农田环境中实现低成本、稳定可靠的感知奠定了基础。未来研究应围绕动态决策控制、多目标优化、强化学习和群体协同等智能方法，提升混合动力拖拉机在非结构化场景中的自主作业能力；同时，构建融合物联网和数字孪生的智能监管平台，实现全生命周期下的作业调度、设备健康管理与远程运维管理，推动混合动力拖拉机向智能化与无人化深度发展。

（4）加快研发与应用混动专用关键部件

关键部件专用化涉及作业工况专用化、安全专用化与结构专用化等多方面，是提升混合动力拖拉机性能的重要支撑。目前，针对电池、电机、发动机、变速箱等部件的专用化研发虽取得一定成效，但仍处于初期阶段，距离实现成熟、可靠且具备成本优势的规模化应用仍有较大差距。因此，亟需加快研制新型高性能专用部件，并融合智能控制与系统协同技术，推动形成标准化、模块化的专用部件技术体系。

（5）混合动力拖拉机专用性能测试装备

混合动力拖拉机在技术架构与性能需求上与传统拖拉机存在根本性差异，其新增了“三电”系统与多动力源、多模式协同工作机制，对性能测试验证环节提出了更高的要求。因此，需要围绕安全性、动力性、经济性以及动力输出性能，构建集动力总成智能控制、负载高频响精准模拟、性能数据实时测量与测试性能智能分析于一体的综合性专用测试装备。

混合动力拖拉机作为拖拉机绿色转型的重要方向，为农业现代化提供了新路径。随着相关政策持续完善与核心技术突破，混合动力拖拉机的规模化应用将显著提升农业生产的经济效益和环境效益，成为推动农业绿色发展与智能化变革的重要力量。

基金

收起

国家重点研发计划项目(2024YFD2001302)
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参考文献

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2025年第56卷第12期

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文章信息

doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2025.12.001

接收时间：2025-09-09
首发时间：2026-09-30
出版时间：2025-12-25

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作者

出版历史

收稿日期：2025-09-09
修回日期：2025-09-29

基金

国家重点研发计划项目(2024YFD2001302)

国家自然科学基金项目(32301719; 52472462)

作者信息

^1.中国农业大学工学院，北京　100083

^2.智能农业动力装备全国重点实验室，北京　100083

^3.农业农村部农业机械化总站，北京　100122

通讯作者:

宋正河（1973—），男，教授，博士，主要从事农机装备试验验证方法与技术研究，E-mail：songzhenghe@cau.edu.cn

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/nyjxxb/CN/10.6041/j.issn.1000-1298.2025.12.001

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

驱动构型	构型特点	典型产品	国家及推出时间	优点	缺点
串联式	增程型	发动机与牵引负载和PTO负载解耦动力电池容量大，整机一般为纯电驱动模式动力电池为主能源、增程器为辅能源	未见相关产品报道，文献[12-14]对该构型开展了研究	无级变速作业；发动机与作业负载解耦；传动系统复杂度降低	能量二次转换效率损失，动力系统体积质量偏大
一般型	发动机与牵引负载解耦，PTO可选独立驱动动力电池容量小，用于作业功率削峰填谷发动机发电机组为主能源、动力电池为辅能源	Fendt X concept series	德国（2019）
东方红HB2204	中国（2022）
并联式	转矩耦合型	一般选用离合器为动力耦合装置整机转矩响应迅速，适用于高幅时变负载场景	Antonio Carraro SRX Hybrid	意大利（2018）	无级变速作业；发动机功率需求降低，能够长时运行在高效区；负载动态响应能力良好；传动系统复杂度降低	依赖大容量电池，研制成本高；控制系统复杂度较高
转速耦合型	一般选用行星齿轮机构为动力耦合装置通过调节电动机，调优发动机的运行区间整机无级变速传动，且作业速度控制精度高	未见相关产品报道，文献[18]对该构型开展了研究
牵引力耦合型	依靠驱动轮与土壤互作实现动力耦合前后桥分布式驱动，适用于复杂地势作业场景	Landini Rex 4 Electra	意大利（2020）
混联式	串并联型	基于转矩耦合型系统增设一套发电系统	未见相关产品报道，文献[22]对该构型开展了研究	无级变速作业；可实现串联/并联/混联等驱动模式，最大限度提高整机能效水平	电力系统复杂；整机研制成本高；控制系统开发难度较大
功率分流型	基于转速耦合型系统增设一套发电系统	John Deere 8R 410 Hybrid	美国（2019）
山东临工T32047E	中国（2024）

驱动构型

构型特点

典型产品

国家及推出时间

优点

缺点

串联式

增程型

发动机与牵引负载和PTO负载解耦
动力电池容量大，整机一般为纯电驱动模式
动力电池为主能源、增程器为辅能源

未见相关产品报道，文献[12-14]对该构型开展了研究

无级变速作业；发动机与作业负载解耦；传动系统复杂度降低

能量二次转换效率损失，动力系统体积质量偏大

一般型

发动机与牵引负载解耦，PTO可选独立驱动
动力电池容量小，用于作业功率削峰填谷
发动机发电机组为主能源、动力电池为辅能源

Fendt X concept series

德国（2019）

东方红HB2204

中国（2022）

并联式

转矩耦合型

一般选用离合器为动力耦合装置
整机转矩响应迅速，适用于高幅时变负载场景

Antonio Carraro SRX Hybrid

意大利（2018）

无级变速作业；发动机功率需求降低，能够长时运行在高效区；负载动态响应能力良好；传动系统复杂度降低

依赖大容量电池，研制成本高；控制系统复杂度较高

转速耦合型

一般选用行星齿轮机构为动力耦合装置
通过调节电动机，调优发动机的运行区间
整机无级变速传动，且作业速度控制精度高

未见相关产品报道，文献[18]对该构型开展了研究

牵引力耦合型

依靠驱动轮与土壤互作实现动力耦合
前后桥分布式驱动，适用于复杂地势作业场景

Landini Rex 4 Electra

意大利（2020）

混联式

串并联型

基于转矩耦合型系统增设一套发电系统

未见相关产品报道，文献[22]对该构型开展了研究

无级变速作业；可实现串联/并联/混联等驱动模式，最大限度提高整机能效水平

电力系统复杂；整机研制成本高；控制系统开发难度较大

功率分流型

基于转速耦合型系统增设一套发电系统

John Deere 8R 410 Hybrid

美国（2019）

山东临工T32047E

中国（2024）

参数	三元锂电池	磷酸铁锂电池	超级电容	燃料电池
功率密度/（W·kg^-1）	3 000	2 000	10⁵	2 000
能量密度/（W·h·kg^-1）	250	160	9	800
循环次数	3 000	5 000	10⁶	7 000
工作温度/℃	-20~60	-20~60	-40~70	-20~80

参数

三元锂电池

磷酸铁锂电池

超级电容

燃料电池

功率密度/（W·kg^-1）

3 000

2 000

10⁵

2 000

能量密度/（W·h·kg^-1）

250

160

800

循环次数

3 000

5 000

10⁶

7 000

工作温度/℃

-20~60

-40~70

-20~80

类型	技术方案特点	优点	缺点	典型产品
集中电驱式无级变速系统	利用电动机宽转速范围无级调速特性，配合智能电控有级换挡装置，实现整机全速度区间无级变速作业	结构简单，传动效率高，易于调控	挡位衔接需精细调校、作业性能依赖单一驱动电机	广西玉柴IE-POWER^[62]
分布电驱式无级变速系统	采用轮边电机搭配减速器或轮毂电机，利用电动机宽转速范围无级调速特性，实现整机全速度区间无级变速作业	驱动轮转速/转矩差异控制，整机空间布局灵活	控制系统复杂、电动机峰值转矩与峰值转速要求高	STEYR Konzept轮毂电驱系统^[63]
电驱机械耦合式无级变速系统	以“发电机-电动机”替代HMCVT的“泵-马达”，通过调节电机转速，优化发动机工况并实现无级变速	速度控制精准、可优化发动机工作点、驱动模式切换	系统集成复杂，制造成本高，整机能量二次转换	John Deere eAutoPower^[64]

类型

技术方案特点

优点

缺点

典型产品

集中电驱式无级变速系统

利用电动机宽转速范围无级调速特性，配合智能电控有级换挡装置，实现整机全速度区间无级变速作业

结构简单，传动效率高，易于调控

挡位衔接需精细调校、作业性能依赖单一驱动电机

广西玉柴IE-POWER^[62]

分布电驱式无级变速系统

采用轮边电机搭配减速器或轮毂电机，利用电动机宽转速范围无级调速特性，实现整机全速度区间无级变速作业

驱动轮转速/转矩差异控制，整机空间布局灵活

控制系统复杂、电动机峰值转矩与峰值转速要求高

STEYR Konzept轮毂电驱系统^[63]

电驱机械耦合式无级变速系统

以“发电机-电动机”替代HMCVT的“泵-马达”，通过调节电机转速，优化发动机工况并实现无级变速

速度控制精准、可优化发动机工作点、驱动模式切换

系统集成复杂，制造成本高，整机能量二次转换

John Deere eAutoPower^[64]

策略类型	优点	缺点
确定规则策略	逻辑简单，易于实现，实时性强，算力要求低	实际作业工况适应性低，无法实现最佳燃油消耗
模糊规则策略	适用于多变量、非线性时变系统，无需精确数学模型	缺乏最优性；输入、输出变量增多时规则设计复杂
全局优化策略	在已知工况下可实现全局最优，能效提升显著	依赖完整先验工况信息；计算量大、耗时长，难以在线应用
瞬时优化策略	在线优化，计算量相对较小，可实现局部最优，实时性强	无法保证全局最优；计算负荷随模型复杂度增加
工况自适应策略	作业工况匹配度高，节能效果显著，适合复杂多变作业环境	依赖训练数据，在未知工况中稳定性差；广泛覆盖工况需大量数据与高算力

策略类型

优点

缺点

确定规则策略

逻辑简单，易于实现，实时性强，算力要求低

实际作业工况适应性低，无法实现最佳燃油消耗

模糊规则策略

适用于多变量、非线性时变系统，无需精确数学模型

缺乏最优性；输入、输出变量增多时规则设计复杂

全局优化策略

在已知工况下可实现全局最优，能效提升显著

依赖完整先验工况信息；计算量大、耗时长，难以在线应用

瞬时优化策略

在线优化，计算量相对较小，可实现局部最优，实时性强

无法保证全局最优；计算负荷随模型复杂度增加

工况自适应策略

作业工况匹配度高，节能效果显著，适合复杂多变作业环境

依赖训练数据，在未知工况中稳定性差；广泛覆盖工况需大量数据与高算力

产品	智能化功能
Combined Powers无人混合动力拖拉机（德国，KRONE与KEMKEN）	搭载相机与LiDAR，能够提供360°环境感知；具备自动驾驶技术，并配套远程监控与数据记录分析
AgBot T2混合动力农业机器人（荷兰，AgXeed）	搭载LiDAR、超声波和雷达传感器，并结合RTK-GNSS定位实现360°环境感知；支持自动驾驶、远程管理、数据储存与分析等功能
Prospr混合动力农业车辆（新西兰，Robotics Plus）	集成多相机与LiDAR，能够实现360°障碍物检测与避让；具备多机协同控制、远程监管功能
8R系列混合动力拖拉机（美国，John Deere）	具备自动转弯、全局路径规划和自动驾驶功能；支持无线同步作业、地图与设备数据，实现远程可视化与任务管理
DV3504混合动力拖拉机（中国，中联重科）	配套辅助驾驶系统，支持高精度卫星导航与自动路径规划；装配前后置相机用于监视环境与保障作业安全
LT3504-CE混合动力拖拉机（中国，广西柳工）	集成自动导航系统，能够实现路径跟踪与直线作业

产品

智能化功能

Combined Powers无人混合动力拖拉机（德国，KRONE与KEMKEN）

搭载相机与LiDAR，能够提供360°环境感知；具备自动驾驶技术，并配套远程监控与数据记录分析

AgBot T2混合动力农业机器人（荷兰，AgXeed）

搭载LiDAR、超声波和雷达传感器，并结合RTK-GNSS定位实现360°环境感知；支持自动驾驶、远程管理、数据储存与分析等功能

Prospr混合动力农业车辆（新西兰，Robotics Plus）

集成多相机与LiDAR，能够实现360°障碍物检测与避让；具备多机协同控制、远程监管功能

8R系列混合动力拖拉机（美国，John Deere）

具备自动转弯、全局路径规划和自动驾驶功能；支持无线同步作业、地图与设备数据，实现远程可视化与任务管理

DV3504混合动力拖拉机（中国，中联重科）

配套辅助驾驶系统，支持高精度卫星导航与自动路径规划；装配前后置相机用于监视环境与保障作业安全

LT3504-CE混合动力拖拉机（中国，广西柳工）

集成自动导航系统，能够实现路径跟踪与直线作业

部件类型	测试部件	主要试验项目	试验方法	文献序号
动力系统关键部件	电机	转速特性、转矩特性、转矩密度、运行效率与永磁体损耗等	磁粉制动器/测功机台架试验	[42，114-115]
电池	容量衰退率、高压安全性	dSPACE半实物仿真、电源系统台架试验、田间耕地测试	[47-48]
发动机-发电机组	电力输出稳定性与动态响应能力	可变负载电阻台架试验	[116]
动力耦合装置	传动性能、动态响应性能	磁粉制动器台架试验	[117-118]
整机工作装置	电液悬挂	提升力、提升行程与可靠性	三点悬挂电液加载台架试验	[119-121]
动力输出轴	可靠性与耐久性	拖拉机传动系动态加载试验	[122]
液压动力输出	液压压力、流量与最大有效液压输出功率	多路液压输出功率试验	[123-124]

部件类型

测试部件

主要试验项目

试验方法

文献序号

动力系统关键部件

电机

转速特性、转矩特性、转矩密度、运行效率与永磁体损耗等

磁粉制动器/测功机台架试验

[42，114-115]

电池

容量衰退率、高压安全性