《汽车拖拉机学 第2版》(中文电子课件)第十七章 电动与无人驾驶汽车拖拉机

汽车拖拉机学2024/7/2第十七章电动与无人驾驶汽车拖拉机第十七章电动与无人驾驶汽车拖拉机第一节电动汽车第二节电动拖拉机第三节无人驾驶汽车第四节无人驾驶拖拉机2024/7/2第十七章的教学内容电动汽车的结构与原理电动拖拉机的结构与原理无人驾驶汽车的结构与原理无人驾驶拖拉机的结构与原理第十七章的重点、难点2024/7/2掌握纯电动汽车/拖拉机的驱动原理掌握燃料电池汽车/拖拉机的驱动原理掌握混合动力汽车/拖拉机的混合度控制原理理解无人驾驶汽车行驶原理理解无人驾驶拖拉机行驶原理。第十七章的教学要求2024/7/21.纯电动汽车/拖拉机的驱动原理与实践2.燃料电池汽车/拖拉机的驱动原理与实践3.混合动力汽车/拖拉机的混合度控制原理与实践4.无人驾驶汽车行驶原理与实践5.无人驾驶拖拉机行驶原理与实践第十七章的课程思政融入点2024/7/2扎根“三农”环保意识能源意识科学精神国之重器第十七章的课程思政的育人目标2024/7/2课程耕读教育要点耕读教育映射与融入点教育方法与载体途径耕读育人预期成效纯电动汽车/拖拉机的驱动原理与实践1.纯电动汽车/拖拉机的电力驱动控制系统由哪些部件构成的?2.纯电动汽车/拖拉机为何有多种驱动方式？3.为何说轮毂电机驱动模式是纯电动汽车/拖拉机的主要发展方向？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT扎根“三农”环保意识能源意识科学精神国之重器燃料电池汽车/拖拉机的驱动原理与实践1.燃料电池汽车/拖拉机的动力系统由哪些部件构成的?2.燃料电池是如何产生电能的？3.燃料电池汽车/拖拉机的关键技术是什么？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT扎根“三农”环保意识能源意识科学精神国之重器混合动力汽车/拖拉机的混合度控制原理与实践1.混合动力汽车/拖拉机为何有多种类型？2.混合动力汽车/拖拉机为何广泛采用混联式驱动系统?3.混合动力汽车/拖拉机的关键技术是什么？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT扎根“三农”环保意识能源意识科学精神国之重器第十七章的“耕读教育”思政点映射表(1)2024/7/2课程耕读教育要点耕读教育映射与融入点教育方法与载体途径耕读育人预期成效无人驾驶汽车行驶原理与实践1.无人驾驶汽车由哪些部件构成的?2.无人驾驶汽车的关键技术有哪些？3.不同级别的无人驾驶汽车有什么区别?4.无人驾驶汽车有哪些相关法律和法规？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT中国梦国家竞争创新思维工程伦理无人驾驶拖拉机行驶原理与实践1.无人驾驶拖拉机是怎样实现导航定位的？2.无人驾驶拖拉机是怎样实现导航控制的？3.无人驾驶拖拉机是怎样实现地头转弯的？信息化载体、参观体验、课堂讨论；制作讲义或教材、制作PPT扎根“三农”科技报国乡村振兴农业农村现代化第十七章的“耕读教育”思政点映射表(2)2024/7/28

2024/7/2第一节电动汽车9

2024/7/2

电动汽车（BEV）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的汽车。电动汽车有多种类型，本书主要介绍纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车3种。10一、纯电动汽车

1.纯电动汽车的类型与特点

纯电动汽车是指以动力蓄电池或增加辅助动力源为动力，用电机驱动车轮行驶的汽车，可分为用单一蓄电池为动力源的纯电动汽车和装有辅助动力源的纯电动汽车两种类型。

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，只装配了蓄电池组，它的电力和动力传输系统如图所示。2024/7/2第一节电动汽车11

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，蓄电池的比能量和比功率较低，蓄电池组的质量和体积较大。因此，可在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超级电容器、发电机组和太阳能等，由此来改善纯电动汽车的起动性能并增加续驶里程。装有辅助动力源的纯电动汽车如图所示。2024/7/212

2.纯电动汽车的工作原理

纯电动汽车的工作原理是通过蓄电池产生电流，经过电力调节器（逆变器）将电能输送到电机，再通过动力传动系统驱动汽车行驶。纯电动汽车主要由底盘、车身、蓄电池组、电机、控制器和辅助设施六部分组成。由于电机具有良好的驱动特性，纯电动汽车的传动系统可以不需设置离合器和变速器。车速控制由控制器通过电机调速系统改变电机的转速实现。

当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电机运转，电机输出的转矩经传动系统带动驱动轮转动。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，而蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。2024/7/213

2.纯电动汽车的工作原理

纯电动汽车的电力驱动控制系统主要由电力驱动主模块、车载电源及控制模块、辅助模块3大部分组成。2024/7/214

2.纯电动汽车的工作原理（1）电力驱动主模块

电力驱动主模块主要包括中央控制单元、驱动控制器、电机和机械传动装置等。其作用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为驱动车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。（2）车载电源及控制模块

车载电源及控制模块主要包括蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器等。其作用是向电机提供驱动电能，监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。（3）辅助模块

辅助模块主要包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和辅助装置等。辅助模块除辅助动力源外，依据不同车型而不同。2024/7/215

3.纯电动汽车驱动系统的布置形式

纯电动汽车的驱动系统是它的核心部分，其性能决定着它运行性能的好坏。电动汽车的驱动系统布置取决于电机驱动系统的型式。常见的纯电动汽车驱动系统布置型式如图所示。（1）传统的驱动模式

与传统汽车驱动系统的布置方式一致，带有变速器和离合器，只是将发动机换成电机，属于改造型电动汽车如图17-4a，这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时电动汽车的后备功率。2024/7/2a传统的驱动模式图17-4纯电动汽车驱动系统布置型式

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3.纯电动汽车驱动系统的布置形式（2）电机-驱动桥组合式驱动模式

取消了离合器和变速器，但具有减速差速机构，由1台电机驱动两车轮旋转（图17-4b和图17-4c）。优点是可以继续沿用燃油发动机汽车中的动力传动装置，只需要一组电机和逆变器。这种模式对电机的要求较高，不仅要求电机具有较高的起动转矩，还要求其具有较大的后备功率，以保证电动汽车的起动、爬坡、加速和超车等动力性。2024/7/2b电机-驱动桥组合式驱动模式（后驱）c

电机-驱动桥组合式驱动模式（前驱）图17-4纯电动汽车驱动系统布置型式17

3.纯电动汽车驱动系统的布置形式（3）电机-驱动桥整体式驱动模式

将电机装到驱动轴上，直接由电机实现变速和差速转换（图17-4d）。这种传动方式同样对电机有较高的要求，要求其有大起动转矩和后备功率，同时还要求控制系统有较高的控制精度，且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全和平稳。2024/7/2d

电机-驱动桥整体式驱动模式图17-4纯电动汽车驱动系统布置型式18

3.纯电动汽车驱动系统的布置形式（4）轮毂电机驱动模式

同电机-驱动桥整体式驱动模式布置方式比较接近，轮毂电机驱动模式将电机直接装到了驱动轮上，由电机直接驱动车轮行驶（图17-4e和图17-4f）。2024/7/2e.轮毂电机驱动模式（无轮边减速器）f.轮毂电机驱动模式（有轮边减速器）图17-4纯电动汽车驱动系统布置形式19二、燃料电池汽车

1.类型

采用燃料电池（发动机）作为电源的电动汽车称为燃料电池汽车。燃料电池汽车一般以质子交换膜燃料电池作为车载能量源。（1）按燃料特点不同分类

可分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。直接燃料电池汽车的燃料主要是氢气。直接燃料电池汽车排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等问题。重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷和液化石油气等，其结构比氢燃料电池汽车复杂得多。（2）按燃料氢的存储方式不同分类

可分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金（碳纳米管）吸附氢燃料电池汽车。2024/7/220

（3）按“多电源”的配置不同分类

可分为纯燃料电池驱动（FC）的燃料电池汽车，燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的燃料电池汽车，燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的燃料电池汽车以及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的燃料电池汽车。2024/7/221

2.驱动动力系统（1）纯燃料电池驱动（FC）的燃料电池汽车

纯燃料电池驱动的燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动的燃料电池汽车的动力系统如图所示。

图17-5纯燃料电池驱动的燃料电池汽车的动力系统结构

纯燃料电池驱动系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系统，从而驱动汽车行驶。2024/7/222

（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的燃料电池汽车

燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池汽车的动力系统结构如图所示。是一个典型的串联式混合动力结构，在该动力系统中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车行驶；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池用来储存回馈的能量。在燃料电池和蓄电池联合供能时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的高频部分由蓄电池分担。

2024/7/2图17-6燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池汽车的动力系统结构23

（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的燃料电池汽车

燃料电池+超级电容的结构与燃料电池+辅助蓄电池的结构相似，只是把蓄电池换成超级电容，如图17-7所示。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。随着超级电容技术的不断进步，这种结构有巨大潜力。

2024/7/2图17-7燃料电池与超级电容联合驱动的燃料电池汽车的动力系统结构24

（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的燃料电池汽车

燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的燃料电池汽车的动力系统如图17-8所示，该结构也为串联式混合动力结构。在该动力系统结构中，燃料电池、辅助蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车行驶；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，辅助蓄电池和超级电容用来储存回馈的能量。

在燃料电池、辅助蓄电池和超级电容联合供能时，燃料电池的能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，而能量需求变化的低频部分由蓄电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。在这种结构中，各动力源的分工更加明细，各自的优势也得到更好的发挥。

2024/7/22024/7/225图17-8燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的燃料电池汽车的动力系统结构26

3.结构原理

燃料电池汽车的动力系统主要由燃料电池（发动机）、辅助动力源、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、驱动电机和动力电控系统等组成。

2024/7/2图17-9燃料电池汽车的结构27

（1）燃料电池（发动机）

在燃料电池汽车所采用的燃料电池（发动机）中，为保证质子交换膜燃料电池组的正常工作。除以质子交换膜燃料电池组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。（2）辅助动力源

在燃料电池汽车上，燃料电池（发动机）是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根据燃料电池汽车的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用辅助蓄电池组、飞轮储能器或超级电容器等共同组成双电源或多电源系统。2024/7/228

（3）DC/DC变流器

燃料电池汽车采用的电源有各自的特性，燃料电池只提供直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃料电池不能接受外部电源的充电，电流的方向只是单向的。燃料电池汽车采用的辅助电源（蓄电池和超级电容）在充电和放电时，也是以直流电的形式流动，但电流的方向是可逆性流动。燃料电池汽车上各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定状态。为了满足驱动电机对电压和电流的要求及对多电源电力系统的控制，在电源与驱动电机之间，用单片机控制，以实现对燃料电池汽车的多电源综合控制，保证燃料电池汽车的正常运行。燃料电池汽车的燃料电池需要装配单向DC/DC变流器，蓄电池和超级电容需要装配双向DC/DC变流器。2024/7/229

（4）驱动电机

燃料电池汽车用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁电机和开关磁阻电机等。驱动电机必须与整车进行匹配。（5）动力电控系统

燃料电池汽车的动力电控系统主要由燃料电池发动机管理系统、蓄电池管理系统、动力控制系统及整车控制系统组成。2024/7/230三、混合动力汽车

1.混合动力汽车定义

混合动力汽车作为电动汽车的一种，国际电工委员会（IEC）电动车技术委员会对混合动力电动车的定义为：有多于一种能量转换器能提供驱动动力的混合型电动车。

也有学者对混合动力汽车作如下定义：驱动系统由两个或多个能同时运转的驱动系统联合组成的、行驶功率需求由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供的汽车。

一般来讲，混合动力汽车是指同时装备两种动力源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（蓄电池与电机）的汽车。2024/7/2第一节电动汽车31

2.混合动力汽车类型混合动力汽车的分类方法有很多，主要分类见表2024/7/232

2024/7/233

2024/7/2（续）34

3.混合动力汽车结构及工作原理（1）串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车是由两个能源向电机供电，以产生驱动力的汽车。串联式混合动力汽车系统结构如图所示，主要由发动机、发电机、电机三大动力总成和蓄电池组等部件组成。

发动机、发电机和驱动电机采用串联的方式组成驱动系统。发动机仅仅用于发电，发电机发出的电能通过电机控制直接输送到电机，由电机产生的电磁力矩驱动汽车行驶。2024/7/235

（2）并联式混合动力汽车

并联式混合动力汽车的驱动系统由发动机、电动/发电机或驱动电机两大动力总成组成。发动机、电动/发电机或驱动电机采用并联的方式组成驱动系统。

并联式混合动力汽车系统结构如图所示，主要是由发动机、电机/发电机和蓄电池等部件组成。并联式混合动力汽车系统有多种组合型式，可以根据使用要求选用。并联式混合动力系统采用发动机和电机两套独立的驱动系统驱动汽车。发动机和电机通常通过不同的离合器来驱动汽车，可以采用发动机单独驱动、电机单独驱动或者发动机和电机混合驱动3种工作模式。当发动机提供的功率大于汽车所需驱动功率时，或者当汽车制动时，电机工作于发电机状态，给蓄电池充电。发动机和电机的功率可以互相叠加，发动机功率和电机/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的0.5～1倍。

2024/7/2（2）并联式混合动力汽车2024/7/237

（3）混联式混合动力汽车

混联式驱动系统是串联式和并联式的综合，其系统结构如图所示，它主要由发动机、发电机、电机、行星齿轮机构和蓄电池等部件组成。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电机或蓄电池，电机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联方式为主。

2024/7/238

（4）插电式混合动力汽车

又称为外接充电式混合动力汽车。插电式（含增程式）混合动力汽车是指车辆的驱动力由驱动电机及发动机同时或单独供给，并且可由外部提供电能进行充电，纯电动模式下续驶里程符合我国相关标准规定的汽车。

插电式混合动力汽车从结构上可分为串联式、并联式和混联式3种类型。

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4.关键技术

混合动力汽车是集汽车、电力拖动、自动控制、新能源及新材料等高新技术于一体的高新集成产物。它的研究涉及多个领域，其关键技术主要有电池及电池管理、电机、发电机、动力耦合装置和整车能量管理等。

2024/7/240

2024/7/2第二节电动拖拉机41一、纯电动拖拉机

1.纯电动拖拉机的结构类型及原理

根据拖拉机工况的需求，纯电动拖拉机通常具有6类型，如下图所示。2024/7/2第二节电动拖拉机

电动拖拉机一般可以分为纯电动拖拉机和混合动力拖拉机两类。42

图17-14a所示的纯电动拖拉机驱动系统用电驱动装置替代传统拖拉机的内燃机，而传动系统则沿用传统的机械器件进行动力传递。该驱动结构可以通过对传统类型的拖拉机进行简单改装而获取，同时由于大量继承了传统拖拉机的机械部件，其整体结构布置变动较小。2024/7/2图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式a.传统方式D.差速器GB.变速器M.电机43

图17-14b所示的纯电动拖拉机驱动系统在图17-14a所示驱动系统结构的基础上进行了简化，取消了离合器。同时利用电动机在高转速范围具有的恒功率特性，将多挡变速器转换为固定速比的齿轮传动装置，能够简化驱动系统的控制复杂程度，还可以减小整套机械传动装置的尺寸和质量，促进电动拖拉机整机的轻量化。2024/7/2图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式b.无离合器D.差速器M.电机FG.固定挡齿轮传动装置44

图17-14c所示的纯电动拖拉机驱动系统进行了进一步的简化，其将电机、固定挡齿轮传动装置和差速器结合为一体形成一个组合件，驱动轮连接在组合件两侧的半轴上。整个驱动系统的布置更加紧凑，传动部件的尺寸进一步减小，占据的空间也更小，为纯电动拖拉机整机结构的布置提供了方便，增强了整机布置的灵活性。2024/7/2图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式c.电机、固定档传动装置和差速器一体式D.差速器M.电机FG.固定挡齿轮传动装置45

图17-14d所示的纯电动拖拉机驱动系统采用了双电机结构，其利用两个电机的共同作用取代了传统传动结构中的差速器。每一个驱动轮通过一个固定挡的齿轮传动装置连接一个驱动电机。两侧的驱动轮在转弯过程中需要的速度差通过控制系统对两个驱动电机的转速控制来实现。整机的机械传动装置进一步减少，轻量化程度有所提高，整机的布置也更加灵活、方便。但是双电机结构布置型式对驱动电机控制技术的精确性和可靠性提出了更高的要求，其整机控制系统的复杂程度较高。2024/7/2图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式

d.双电机结构式M.电机FG.固定挡齿轮传动装置46

图17-14e所示的纯电动拖拉机驱动系统通过驱动电机和行星齿轮组的组合作用实现对驱动电机的降速增矩，从而提供纯电动拖拉机正常行驶所需的驱动力和行驶速度。此外，该电驱动系统采用行星齿轮组实现了动力输入轴和动力输出轴在同一个方向上的纵向布置，进一步缩小了驱动系统所占的空间比例，为拖拉机整机结构的灵活布置提供了便利。2024/7/2e.驱动电机和行星齿轮组组合式图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式M.电机FG.固定挡齿轮传动装置47

图17-14f所示的纯电动拖拉机驱动系统采用轮毂驱动电机直接内置于驱动轮中的结构型式。其驱动电机和驱动轮直接连接在一起，它们之间没有任何的机械调速部件，完全通过电动机和控制器来实现对整机车速的控制。上述驱动系统的结构尺寸减小到了极致，节省了大量的机械传动部件，为整机的结构布置提供了大量的空间，整机的轻量化程度可以得到进一步的提高。2024/7/2f.轮毂驱动电机式图17-14纯电动拖拉机驱动系统6种可能的结构型式M.电动机48

然而，图17-14f所示的电驱动系统对驱动电机的要求非常高，驱动电机不仅需要具备较宽的恒功率区域，以方便拖拉机进行速度的调节，还必须具备较高的转矩，以满足纯电动拖拉机起步和加速时的动力性需求。除此之外，图17-14f所示的电驱动系统要求整机的控制系统具有非常高的灵敏性和可靠性，从而方便驾驶人员对整机的运行状态进行实时调节，保证纯电动拖拉机按照驾驶人的意图安全稳定地行驶。

上述六种形式中，对于动力输出轴（PTO）的动力传递，图17-14a和图17-14b可采用机械传递方式，也可增加一台驱动电机，采用电力传动方式。其他四种型式均采用电力传动方式。2024/7/249

2.纯电动拖拉机的关键技术（1）动力电池及能量管理技术

动力电池为电动拖拉机提供动力源，一直是制约电动拖拉机发展的技术瓶颈。动力电池主要的性能包括比能量、比功率、能量密度、使用寿命和成本等。如何开发高比能量、大比功率、低成本和长寿命的动力电池是关系到电动拖拉机能否实用的关键所在。（2）电机驱动及其控制技术

电机驱动及其控制技术是电动拖拉机的核心，由于电动拖拉机特殊的工作环境，对电机性能要求比较高。需要研发新型电机，利用多电机控制技术，简化电动拖拉机机械传动和联动机构，减轻拖拉机整体质量。因此，电动拖拉机用电机必须具有以下特点：2024/7/250

电动拖拉机用电机必须具有以下特点：①起动转矩大，过载能力强（过载系数应达到3～4），以满足工作载荷突变对动力的要求。②大的调速范围，既能适应缓慢的犁耕作业，又能进行快速运输。③具有再生制动能力，以延长一次充电作业时间。④具有较强的防尘、防水能力，以适应田间复杂、恶劣的作业环境。2024/7/2（2）电机驱动及其控制技术2.纯电动拖拉机的关键技术51

2.纯电动拖拉机的关键技术（3）系统仿真技术

电动拖拉机动力驱动系统是一个庞大而复杂的动力系统，各部件的物理特性和动力特性各不相同，存在大量的非线性环节和时变特性，而且作业工况也复杂多变，使得普通的设计计算方法难以奏效，而借助于系统仿真技术，可以在设计初始阶段快速分析系统动力性能和能量消耗，提供动力系统仿真分析结果，优化匹配各部件之间的参数，分析能量管理策略的有效性，为拖拉机的后续设计和开发提供有力的参考和依据。2024/7/252

2.纯电动拖拉机的关键技术（4）传动技术

动力传动装置是电动拖拉机底盘的重要组成部分，其作用是根据电动拖拉机作业需求的不同，将电动拖拉机的动力转变为一定的转速和相应的转矩，其性能将直接影响电动拖拉机整机的动力性、舒适性和经济性。由于电动拖拉机需要与农机具配套完成田间作业，因此电动拖拉机需要在传动快速性、换挡性能、平顺性和传动效率等方面进行传动特性综合分析。无级变速传动可以精确实现电动拖拉机自动驾驶、定速巡航和自动全功率控制等技术需求。无级变速传动技术应用于电动拖拉机并对其进行技术突破将是电动拖拉机的主要发展趋势之一。2024/7/253二、混合动力拖拉机

混合动力拖拉机分为串联式、并联式和混联式三种类型。1.混合动力拖拉机的结构及工作原理（1）串联式混合动力拖拉机

串联式混合动力拖拉机由发动机、发电机、电机、蓄电池、控制系统及驱动系统（变速装置、后桥至后轮）等组成，结构如图17-15所示。2024/7/2第二节电动拖拉机图17-15串联式混合动力拖拉机的结构54

发动机-发电机组和电动机之间采用“串联”的方式构成串联式混合动力系统。发动机与传动系统没有直接机械连接，仅直接驱动发电机发电，电能存储在蓄电池中；蓄电池为电机提供驱动电能，电机与传动系统直接机械连接，将动力传至车轮。由于发动机与传动系统之间没有机械连接，可在很大程度上减少发动机瞬态响应，使发动机长期平稳工作在高效区而很少受拖拉机工况变化的影响。其后PTO可采用机械连接或单独用电机驱动。2024/7/255

（2）并联式混合动力拖拉机

并联式混合动力拖拉机由发动机、电机、动力耦合机构、蓄电池、控制系统及驱动系统（变速装置、后桥至后轮）等组成，如图17-16所示。2024/7/2图17-16并联式混合动力拖拉机的结构56

并联式混合动力系统的发动机和电机之间为“并联”方式连接，发动机、电机各自的输出动力经过动力耦合机构的耦合叠加后经传动系统传递至车轮；发动机和电机为相互独立的两套驱动系统，可分别独立地给拖拉机提供动力，也可同时为拖拉机提供动力；在不同工况下，电机可以作电动机或作发电机使用。由于发动机提供动力驱动拖拉机，又没有单独的发电机，因此该动力系统更接近传统动力系统，应用比较广泛。其后PTO可采用机械连接或单独用电机驱动。2024/7/257

并联式混合动力拖拉机传动系统较传统动力系统增加了电机、动力耦合机构及蓄电池；通常发动机工作在满负荷（中等转速）下燃油经济性较好，电机可以通过平衡发动机负载，使其工作在高效区。当拖拉机负载较小时，传统动力系统发动机的燃油经济性较差，而并联式混合动力拖拉机传动系统可关闭发动机，仅用电机驱动拖拉机或者控制发动机工作在一定功率的高效区，其输出动力一边驱动拖拉机，一边给蓄电池充电。当拖拉机载荷较大时，需求功率较大，可以协调控制电机和发动机工作，控制电机输出，使发动机工作在高负荷率、稳定、高效区。2024/7/258

（3）混联式混合动力拖拉机

混联式混合动力拖拉机主要由发动机、发电机、电机、动力耦合机构、蓄电池、控制系统及驱动系统等组成，如图17-17所示。2024/7/2图17-17混联式混合动力拖拉机的结构59

混联式混合动力系统兼顾了串联式和并联式混合动力系统的优点，也克服了两动力系统的不足。与串联式相比，它增加了发动机直接驱动拖拉机的“并联式”机械驱动模式；与并联式相比，增加了“串联式”的发动机-发电机组的发电模式。混联式混合动力系统有多种混合驱动模式，可以根据不同工况工作在并联驱动模式、串联驱动模式或并联及串联联合驱动模式。该系统可通过合理的控制策略使各动力源负荷率较高，部件效率较高，能量的综合利用率较高；但同时混联式的多能源动力系统结构复杂，布置难度大；要实现串、并联模式间的合理切换，就需要复杂精确的控制系统和控制策略。其后PTO可采用机械连接或单独用电动机驱动。2024/7/260

2.混合动力拖拉机关键技术

混合动力拖拉机涉及到机械、电力、电子和计算机控制等多种学科，对混合动力驱动系统的研究也处于研究探索阶段，要想使其成熟地应用在拖拉机上，还需要走很长的路。很多技术问题亟待解决，包括动力传动系统参数的匹配设计、控制策略的制定、蓄电池及能量管理技术、车身底盘技术以及系试验仿真技术等。以下初步分析几项关键技术在混合动力系统中的应用问题。2024/7/261

（1）动力传动系统参数匹配

根据拖拉机运行工况的要求，对柴油发动机与驱动电机进行优化耦合后，可以获得良好的动力性、燃油经济性和排放性能等指标，为此，要对混合动力系统各部件参数进行合理匹配。主要包括合理计算选择发动机功率、电机功率以及动力电池容量和数量、变速器的挡位数及传动比大小等，确定混合动力拖拉机的混合度，组成效率最高的混合驱动系统。传动系统的布置以及动力耦合方式有多种，各个传动部件参数设计具有很大的自由度，目前大多是基于电动汽车仿真软件，借用各种优化算法进行仿真来对混合动力系统参数进行匹配。2024/7/262

（2）整机控制系统

整机控制系统的主要目标是实现整机工作模式切换和动力分配，以及确定采用何种驱动方式（全驱，前驱或者后驱）。整机控制系统作为拖拉机的“大脑”，统筹协调车辆的各部件协同工作，优化提高车辆的性能。从整机控制角度来说，控制策略的制定依据是整机的工作效率和部件的传动效率以及动力电池的使用寿命。整机控制技术包括换挡控制技术，工作模式切换技术以及能量管理技术等。重点是能量管理控制策略，实现全局最优，保证各个系统高效率工作。2024/7/263

（3）电机及其控制技术

电机驱动系统是把电能转化为机械能，然后经过传动装置驱动车轮。驱动电机转速高、调速范围较宽、启动转矩大，因而电机可以起到“削峰填谷”的作用。控制技术也由基于转速和功率的控制策略转变到模糊控制，神经网络及专家系统等各种智能控制策略上来，从而实现整机对电机的控制。2024/7/264

（4）蓄电池及其充放电管理系统

蓄电池是混合动力拖拉机的电能储存单元，其充放电特性会影响整机性能及价格。蓄电池的发展已经历经了三代：第一代为铅酸蓄电池，技术比较成熟，价格便宜，其缺点是能量密度低，循环寿命短及比能量低；第二代为高能电池，以锂电池为代表，锂电池容易发生炸裂等隐患，但是随着锂电池性能的进一步发展，锂电池的成本在逐年降低，安全性提高，所以未来混合动力拖拉机乃至纯电动拖拉机的动力电池将会被锂电池取代；第三代为燃料电池，作为最先进的电池，燃料电池的技术还不够成熟。混合动力拖拉机上的蓄电池在工作时经常处在充放电循环状态，因而要求蓄电池做到充放电速率和效率高。蓄电池放电深度、充放电电流的大小及具体的拖拉机工况等诸多因素会影响混合动力拖拉机蓄电池的寿命、充放电效率和内阻等。电池管理系统可以对动力电池组的状态进行管理，是混合动力拖拉机的重要研究内容之一。2024/7/265

2024/7/2第三节无人驾驶汽车66

无人驾驶汽车（self-drivingcar）是一种主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶的智能汽车，又称为自动驾驶汽车、计算机驾驶汽车等。

无人驾驶汽车能够在道路上安全可靠地行驶，主要通过车载传感器对行驶车辆的周围环境进行感知与识别，对获取的车辆位置、交通信号、道路以及障碍物等信息进行分析处理，从而控制汽车的速度和转向。

无人驾驶技术是一门建立在信息感知、信息控制以及信息执行等环节基础上的多学科、跨行业的综合性技术。汽车智能化的基础包括：信息感知、处理控制和动作执行，汽车智能将由高级驾驶辅助系统（ADAS）向整车自动驾驶发展。无人驾驶技术一般分为六个等级，依次为完全手动驾驶、辅助驾驶、部分模块自动化、特定条件下自动化、高度自动化和全自动化的无人驾驶。2024/7/267

无人驾驶汽车组成包括车载雷达、计算机处理系统、激光测距仪、微型传感器、视频摄像头、计算机资料库等，如图17-18所示。2024/7/2第三节无人驾驶汽车一、无人驾驶汽车的结构及工作原理68

无人驾驶汽车需要感知汽车和周围物体间的距离，激光射线可以满足这一技术要求，车顶安装能够发射激光射线的激光测距仪，通过从发射到接触物体反射回来的时间，车载计算机便可计算出和物体间的距离。汽车为了能够避开道路路障和提前做出处理，需要车载雷达探测行驶中汽车周围的固定路障。安装在车后方的雷达探测在汽车变换车道时左右后方是否有车，由于车顶的激光测距仪激光反射具有盲点区域，车后雷达弥补这一不足，达到防止汽车发生侧面撞击，同时在汽车倒车时，判断汽车的倒车距离，防止发生倒车碰撞。安装在车前的三个车载雷达，能够探知车前方是否有路口以及是否有车制动动作，雷达把探测信息传递给车载计算机，系统对探测信息进行判断和处理，并做出相应指示操作。2024/7/269

在汽车底部装有雷达、超声波和摄像头等设备，如图所示，能够检测出汽车行驶方向上的角速度、加速度等一些重要数据，再利用卫星定位系统（北斗或GPS）传输的数据进行整合处理，能够精确计算出行驶汽车的具体位置。安装在汽车上的微型传感器能够监控汽车是否偏离导航仪指定的行驶路线，而道路的宽度、交通信号灯以及汽车行驶的道路信息是通过车载摄像机捕获的图像进行判断分析处理的。2024/7/2图17-19无人驾驶汽车中雷达、超声波、摄像头范围及应用70

无人驾驶汽车为保障汽车在道路上正常行驶，符合交通法规，必须在汽车车头安装摄像头进行对道路地面分析判断，避免发生占道、偏离路线以及行驶错道，如图17-20所示。汽车在通过交通岗时，要利用车载雷达进行对人、车、物的分析判断，避免发生交通事故。汽车对交通信号的判断是通过车载摄像机捕获的实时图像，再结合雷达测量的路口距离，分析处理后对汽车做出停车、行驶、加速和减速等指示，提高交通效率，达到无人驾驶的目的。2024/7/2图17-20无人驾驶汽车在道路口的判断71

无人驾驶汽车是指通过车载传感系统感知汽车行驶过程中周围的道路环境状况，同时对获取的信息经行分析处理，具有自动规划行车路线并对汽车进行导航，从而到达预定目的地的智能汽车。能够保障无人驾驶汽车行驶安全可靠的核心技术主要有环境感知技术、高精度地图技术以及路径规划与决策技术三个方面。1.环境感知技术

作为无人驾驶汽车系统中最基础的模块，环境感知技术的功能如同人类的眼和耳一样，其主要由激光雷达、视觉摄像头和毫米波雷达等设备组成，用来获取无人驾驶汽车周围详细的环境信息，为汽车正确行为决策提供必要的信息支持，从而达到无人驾驶。2024/7/2第三节无人驾驶汽车二、无人驾驶汽车的关键技术72

（1）激光雷达：利用激光技术、北斗（或GPS）系统以及惯性测量装置获得相关数据，并自动生成高精确的数字高程模型，输送给车载计算机。无人驾驶汽车中的激光雷达有两个核心功能：其一是3D建模进行环境感知，通过激光扫描得到汽车周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化，探测出周围的车辆和行人；其二是同步建图加强定位，实时得到的全局地图，通过和高精度地图中特征物的比对，加强汽车导航与定位的精准度。2024/7/273

（2）视觉摄像头：具有人工智能中的图像识别功能，实现对驾驶员状态、障碍物以及行人的检测和交通标志、路标的识别等功能。

（3）毫米波雷达：无人驾驶汽车系统里极其重要的传感器，是智能汽车高级驾驶辅助系统的标配传感器。雷达采用的毫米波的波长为1mm-10mm，其频率为30-300GHz，具有非常强的穿透力。毫米波雷达与超声波雷达以及激光、红外等光学传感器相比，具有体积小、质量轻以及全天候、全天时的特点，而且其空间分辨率高、穿透障碍物的能力强，极大提高了信息感知的准确性。2024/7/274

2.高精度地图技术

高精度地图和动态交通信息是无人驾驶汽车重要组件，在辅助感知、路径规划和辅助决策中起到了重要作用。高精度地图技术是无人驾驶汽车的重要辅助技术，能够提前使汽车获知汽车行驶前方的方向和路况。动态交通信息通过互联网和GPS系统能够获取实时的交通信息状况，并传递给行驶汽车，同时车载计算机对信息进行分析处理，来判断道路拥堵的程度，并选择最佳行驶路径对汽车进行导航。2024/7/275

3.路径规划与决策技术

路径规划是决策技术的初级环节，其中涉及路径搜索算法，并结合提供的实时动态交通信息，在传统静态路径规划基础上，实时动态调整及修改车载计算机最初对汽车所规划好的行驶路径，最终寻找出到达目的地的最优路径。决策技术的高级环节便是机器学习中的深度学习。在前两个核心技术对无人驾驶汽车提供的实时环境数据和交通大数据的基础上，深度学习能够不断对无人驾驶系统进行改进完善，使无人驾驶汽车在面对复杂交通状况和交通环境的时候，系统可以作出智能、合理的判断，并进行最优处理。这也是目前整个无人驾驶环节中最核心的技术，受益于诸多科技巨头的潜心研究，算法已加速成熟。2024/7/276

2024/7/2第四节无人驾驶拖拉机77

在无人驾驶拖拉机中，采用了多种导航定位方法，其中，北斗或GPS导航定位应用最广。北斗或GPS导航主要由RTK基站和拖拉机车载两部分组成。1.RTK基站

为了实现拖拉机自动驾驶，RTK基站连续发送高精度的差分数据给拖拉机，以保证耕整地、起垄、播种、喷药等作业的精度要求，通过RTK基站的差分纠错后，作业精度可达2.5cm的千米直线度和行距精度。RTK基站由接收部分和通信部分组成。接收部分接收卫星信号，并实时输出高精度差分数据。通信部分采取电台或者网络模式将差分数据传输给拖拉机终端设备。2024/7/2第四节无人驾驶拖拉机一、无人驾驶拖拉机导航定位方法78

2.车载部分

车载部分主要由卫星定位、通信模块、控制器、转向控制和角度传感器等组成。这五部分是导航自动驾驶系统所有技术共有和不可或缺的组成部分。液压组件为液压模式独有，转向盘组件为转向盘式独有，转向控制部分其意义包含多种实现模式。

①卫星定位：由卫星接收机接收卫星信号不进行结算得出粗略的单点定位信息，并传输至控制器。

②通信模块：通过电台或者网络模式接收基站发送的查分数据，传输至控制器。2024/7/279

③控制器：控制器为人机交互和数据计算的综合系统，首先，接收拖拉机卫星定位数据和基站查分数据并进行计算得出精确定位坐标，提高拖拉机定位精度；其次，控制器作为车辆设置、行进轨迹规划和操控设置等实际操作终端。

④转向控制：针对不同的导航自动驾驶技术实现方式，转向控制通过调节转向盘的转动或者调节液压油的流向和流速等实现对拖拉机方向的调节。

⑤角度传感器：角度传感器可测量拖拉机当前位置下车轮的转向角度，用于计算定位坐标的延续和车轮转向角度的调整。2024/7/280

无人驾驶拖拉机的导航系统主要由信息感知及采集系统、设备控制系统和导航控制系统三大部分构成，如图所示。2024/7/2第四节无人驾驶拖拉机二、无人驾驶拖拉机的构造原理81

信息感知及采集系统包括转角信号采集模块、速度测量模块、航姿测量模块、全球定位模块、视觉感知模块和数据通信模块等。转角信号采集模块主要负责实时监测转向信号，为实现在规定区域内车辆自动转向提供信息；速度测量模块主要负责实时监测拖拉机行驶速度，以便形成闭环反馈，控制拖拉机按照作业工况控制行驶速度；航姿测量模块主要负责实时监测拖拉机的加速度、角速度和磁场强度等信息，并通过实时计算获得所需的导航参数，确定拖拉机行驶方向和姿态；全球定位模块主要负责拖拉机在田间作业时，实时获取田间路径，使拖拉机能够在田间按照规定路径行驶；视觉感知模块主要负责通过CCD摄像机对周围环境进行实时探测，并对获得的图像信息进行分析处理，做出行动路径规划，在无人干涉的情况下，自动移动到预定的目标；数据通信模块主要负责各传感器、控制器和执行器之间的信息传递和控制。2024/7/282

设备控制系统包括转向油路模块、手动/自动转向切换模块和电控转向模块，可根据信息感知及采集系统所获取的信息，从而实现田间自动转向。

无人驾驶拖拉机的实现依赖于连续高效、高精度以及高质量地提供导航定位信息的各类传感器，目前无人驾驶拖拉机在导航定位系统中所用传感器及其安装位置如图17-21所示。2024/7/283

我国已经实现无人驾驶拖拉机的实际运行，图为东方红LF1104S-C无人驾驶拖拉机，整机配备了共轨柴油机、动力换向变速器、电控悬挂系统、信息与控制系统等技术。2024/7/2图17-23东方红LF1104S-C无人驾驶拖拉机84

信息与控制系统包括北斗自动转向系统、整机控制系统、雷达及视觉测量系统、远程视频传输系统监测显示系统以及远程遥控系统等。其中，自动转向系统实现规定区域内拖拉机自动转向；整机控制系统实现对发动机转速、行驶方向、制动以及电控悬架的自动控制；雷达及视觉测量系统实现对地理环境信息的识别及测量；远程视频传输系统能够将车载摄像头采集到的图像信号，通过运营商移动网络发送至终端并进行显示；监测显示系统用于显示车辆工作信息，并对车辆工作模式进行设置；远程遥控系统可实现对拖拉机的远程操作。2024/7/2

东方红LF1104S-C无人驾驶拖拉机可实现拖拉机在规定区域内的自动路径规划及导航、自动换向、自动制动、自动后动力输出、发动机转速的自动控制、农具的自动控制、障碍物的主动避让和远程控制等功能，是一款可适用犁耕、旋耕、平地、耙地、起垄、播种以及喷