Por
Hongguang Yang, Feng Wu, Fengwei Gu, Hongbo Xu, Lili Shi, Xinsheng Zhou, Jiangtao Wang, Zhichao Hu
Instituto de Mecanización Agrícola de Nanjing, Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales, Nanjing 210014, China
Shandong Mingsin Machinery Co., Ltd., Shandong, China
Henan Province Planting and Harvesting Agricultural Equipment Co., Ltd., Zhumadian 463100, China
Los tractores son maquinaria motriz autopropulsada de uso generalizado. La electrificación es una de las principales direcciones para el desarrollo ecológico y bajo en carbono de los tractores. Actualmente, los tractores eléctricos se han convertido en uno de los principales focos de investigación en países de todo el mundo. Este estudio proporciona una revisión integral del progreso de la investigación sobre tractores eléctricos en China. En primer lugar, se realiza un breve análisis de la historia del desarrollo de los tractores eléctricos, el estado actual de la investigación en otros países del mundo y la situación de la industria de tractores de China. En segundo lugar, se resumen las clasificaciones y características de los tractores eléctricos. Nos enfocamos en el progreso de la investigación de los motores de tractores eléctricos y sus sistemas de transmisión de accionamiento, baterías y tecnología de gestión de energía, así como otras tecnologías clave. Finalmente, se señalan algunas oportunidades y desafíos que enfrenta el desarrollo de tractores eléctricos en China desde los aspectos de demanda del mercado, políticas nacionales y establecimiento de normas.
Palabras clave: tractor eléctrico; vehículos todo terreno; nueva energía; emisiones de carbono
(Resumen Gráfico)
Como es bien sabido, los tractores son una de las principales tecnologías de maquinaria motriz ampliamente utilizadas en la agricultura, la silvicultura y la producción industrial, desempeñando especialmente un papel importante en la práctica de la producción agrícola. Sin embargo, el problema de las emisiones de carbono durante la operación de los tractores no puede pasarse por alto fácilmente. Se ha convertido en una de las principales fuentes de emisiones de carbono en el sector agrícola.
Los tractores actualmente en uso suelen estar propulsados por motores de combustión interna que consumen diésel o gasolina. Los motores diésel o de gasolina suelen tener niveles más altos de contaminantes en sus emisiones de combustión. Los tractores eléctricos tienen las ventajas de menores emisiones y mayor ahorro de energía en comparación con los tractores tradicionales impulsados por motores de combustión interna. Pascuzzi et al. descubrieron que el consumo de combustible y las emisiones de dióxido de carbono de los tractores eléctricos híbridos son diez veces y cinco veces más bajas, respectivamente, que las de los tractores impulsados por motores de combustión interna. Mousazadeh et al. descubrieron que un tractor eléctrico híbrido enchufable con asistencia solar puede reducir las emisiones de dióxido de carbono en 14 toneladas por año en comparación con los tractores tradicionales impulsados por motores de combustión interna. Ueka et al. descubrieron que los tractores eléctricos reducen el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono necesarias para las operaciones de campo en aproximadamente un 70% en comparación con los tractores tradicionales impulsados por motores de combustión interna.
En los últimos años, con los crecientes problemas globales de energía y contaminación ambiental, muchos países como China, Estados Unidos, India, Italia, Brasil, Japón, Bielorrusia, Corea del Sur, Rusia, Australia, Reino Unido, Rumania, Irán, Suecia y Canadá han comenzado a desarrollar vigorosamente tractores eléctricos. Estos resultados de investigación harán contribuciones importantes a la conservación global de energía y la reducción de emisiones.
Para comprender mejor el estado actual de la investigación y la aplicación de tractores eléctricos en China, este estudio realizó una revisión integral. Los resultados de la investigación pueden proporcionar una referencia para el desarrollo de la industria de tractores eléctricos en China y otros países.
Para ser precisos, la electrificación de los tractores no es un fenómeno nuevo. Los tractores eléctricos existen desde hace más de 130 años, desde finales de la década de 1880. A lo largo de la historia del desarrollo de los tractores eléctricos, se pueden dividir en dos etapas: alimentados por red eléctrica y alimentados por baterías.
Los tractores eléctricos alimentados por la red eléctrica se desarrollaron principalmente antes de la década de 1950 y requieren suministro de energía a través de líneas eléctricas aéreas y cables largos. Aparecieron por primera vez en Alemania a principios del siglo XX y en Rusia y el Reino Unido en las décadas de 1930 y 1940. La Figura 1 muestra algunos tractores eléctricos agrícolas representativos producidos por Alemania, el Reino Unido y la Unión Soviética.
Figura 1. Línea de tiempo histórica de tractores eléctricos alimentados por redes eléctricas utilizados en la agricultura.
Sin embargo, la práctica ha demostrado que el mayor problema que enfrentan los tractores alimentados por la red eléctrica es cómo manejar los cables de alimentación. Además, existe el riesgo de desgaste al arrastrar cables sobre la superficie del suelo, y tienden a enredarse con las ruedas del tractor al girar en los cabeceros. Al mismo tiempo, los precios del petróleo eran baratos en ese entonces y los problemas de contaminación ambiental no se tomaban en serio, por lo que este tractor eléctrico no logró aplicaciones de reemplazo a gran escala para tractores tradicionales.
En los últimos años, el fabricante estadounidense John Deere ha propuesto un plan para desarrollar tractores eléctricos accionados por cables y desarrolló con éxito un prototipo a finales de 2018. Aunque el tractor eléctrico desarrollado por John Deere utiliza un brazo robótico para soltar y retraer el cable de alimentación, hasta cierto punto evita el problema del enredo del cable con las ruedas del tractor. Pero aún se desconoce si los tractores eléctricos alimentados por cables pueden usarse ampliamente en el futuro.
De hecho, el desarrollo de tractores eléctricos alimentados por baterías viene acompañado de problemas energéticos y ambientales, junto con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos. En particular, la crisis energética que surgió en la década de 1970 impulsó enormemente el desarrollo de tractores eléctricos en países de todo el mundo. Y, en esta etapa, los tractores eléctricos ya no están limitados por cables de alimentación y son impulsados por baterías.
En 1954, la International Harvester Company lanzó el tractor Farmall 400. El primer tractor eléctrico de celda de combustible del mundo fue fabricado por Allis Chalmers Manufacturing Company en 1959. Este tractor está equipado con 1008 celdas de combustible independientes, que generan electricidad para impulsar un motor de corriente continua de 20 caballos de fuerza. En las décadas de 1960 y 1970, General Electric en Estados Unidos lanzó el tractor eléctrico Elec Trak impulsado por baterías de plomo-ácido y motores de corriente continua sin escobillas de imán permanente, lo que promovió aún más el desarrollo de tractores alimentados por baterías. Posteriormente, muchos países del mundo llevaron a cabo investigación y desarrollo sobre tractores eléctricos alimentados por baterías. La Figura 2 muestra algunos tractores eléctricos representativos alimentados por baterías.
Figura 2. Línea de tiempo histórica de algunos tractores eléctricos alimentados por baterías en otros países.
Los tractores son la maquinaria motriz más importante para la producción agrícola. Como se muestra en la Figura 3, los tractores juegan un papel importante en los procesos de producción agrícola como el arado, la siembra, la gestión, la cosecha y el transporte.
Figura 3. Diagrama esquemático de escenarios de aplicación típicos para tractores.
La propiedad de tractores es uno de los indicadores importantes del nivel de desarrollo de la mecanización agrícola de un país. La Figura 4 muestra la propiedad de tractores en China durante los últimos 48 años. Según la Figura 4, a finales de 2022, la propiedad de tractores en China superó los 21 millones. La propiedad de tractores en 2022 es 278 veces la de 1965. Entre ellos, la propiedad de tractores grandes y medianos supera los 5 millones. La propiedad de tractores grandes y medianos se mantuvo relativamente estable entre 1978 y 2005. Superó el millón en 2004 y los 2 millones en 2007. Después de 2007, mostró una tendencia de rápido crecimiento y alcanzó un pico de 6.7 millones en 2017. La propiedad de tractores pequeños había estado en aumento hasta 2011. En 1997, superó los 10 millones y alcanzó los 18 millones en 2011. Después de eso, disminuyó gradualmente año tras año.
Figura 4. Propiedad de tractores en China durante los últimos 48 años.
Nota: Los datos se obtienen del Anuario Estadístico Rural de China, Beijing, 1980–2023, China Statistics Press. El estándar de clasificación para tractores grandes y medianos y tractores pequeños después de 2018 ha cambiado de una potencia del motor de 14.7 kW a 22.1 kW.
Necesitamos señalar que los criterios de clasificación para tractores cambiaron en 2018. Específicamente, el límite superior de potencia para tractores pequeños se cambió de 14.7 kW a 22.1 kW. Esto significa que, según este estándar, la propiedad de tractores pequeños inevitablemente aumentará, mientras que la propiedad de tractores grandes y medianos inevitablemente disminuirá porque, según estándares anteriores, los tractores que van de 14.7 a 22.1 kW se clasificarían como tractores grandes y medianos. Sin embargo, en 2018 y más allá, se clasificarán como tractores pequeños. Por lo tanto, esto también puede explicar por qué la propiedad de tractores pequeños en 2018 aumentó repentinamente en comparación con el año anterior. La propiedad de tractores grandes y medianos disminuirá repentinamente este año. Sin embargo, con el desarrollo de la agricultura en China, la demanda de tractores pequeños se ha debilitado y los agricultores generalmente compran tractores grandes y medianos. Así que aunque las reglas de clasificación para tractores cambiaron en 2018, la propiedad de tractores pequeños en los años siguientes ha tenido una tendencia a la baja. Por el contrario, la propiedad de tractores grandes y medianos está aumentando. Este fenómeno es consistente con la tendencia del desarrollo a gran escala y de alta eficiencia de la maquinaria agrícola en China.
Además, la cantidad de exportación de tractores de China en 2023 es de aproximadamente 150,000 unidades. Esto jugará un papel importante en la promoción del desarrollo de la mecanización agrícola en otros países del mundo, especialmente en los países en desarrollo a lo largo de la Franja y la Ruta.
Como es bien sabido, la principal característica de los tractores eléctricos es que el sistema de marcha es impulsado por un motor eléctrico. En la actualidad, los tractores eléctricos incluyen principalmente tres tipos: tractores eléctricos puros, tractores eléctricos híbridos y tractores eléctricos de celda de combustible. Nos referimos a los estándares relevantes y proporcionamos un breve análisis de los conceptos y características de tres tipos de tractores eléctricos a continuación.
Un tractor eléctrico puro se refiere a un tractor cuya potencia de operación proviene completamente del dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica a bordo o de la red eléctrica. Tiene una estructura simple y no requiere motor o caja de cambios. Un tractor eléctrico de celda de combustible se refiere a un tractor que utiliza un sistema de celda de combustible como fuente de energía única o una fuente de energía híbrida de un sistema de celda de combustible y un sistema de almacenamiento de energía recargable. Se puede dividir además en dos categorías: tractores eléctricos de celda de combustible puros y tractores eléctricos híbridos de celda de combustible. Un tractor eléctrico híbrido se refiere a un tractor que puede obtener energía de al menos dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía a bordo. Como se muestra en la Figura 5, los tractores eléctricos híbridos se pueden dividir en múltiples tipos.
Figura 5. Clasificación de tractores eléctricos híbridos.
La fuerza motriz de un tractor eléctrico híbrido en serie proviene solo del motor, y diferentes tipos de energía se mezclan utilizando acoplamiento eléctrico. La fuerza motriz de un tractor eléctrico híbrido paralelo es suministrada simultánea o separadamente por el motor y el motor, y diferentes tipos de energía se mezclan utilizando acoplamiento mecánico. El tractor eléctrico híbrido paralelo-serial tiene modos de accionamiento tanto en serie como en paralelo, y se pueden cambiar diferentes modos de mezcla de energía entre acoplamiento eléctrico y mecánico. Los principios estructurales de los tractores eléctricos de rango extendido y los tractores eléctricos híbridos en serie son similares. La diferencia es que los tractores eléctricos de rango extendido generalmente operan en modo puramente eléctrico, y solo encienden el dispositivo de suministro de energía auxiliar para proporcionar energía eléctrica al motor de accionamiento cuando el sistema de almacenamiento de energía recargable a bordo no puede satisfacer el kilometraje de operación.
Como se muestra en la Tabla 1, después del análisis anterior, podemos resumir las ventajas y desventajas de estos tipos de tractores eléctricos.
Tabla 1. Ventajas y desventajas de diferentes tipos de tractores eléctricos.
La historia del desarrollo de tractores eléctricos en China es consistente con la de otros países del mundo. Los tractores eléctricos también han pasado por dos etapas principales: suministro por red eléctrica y suministro alimentado por baterías.
En la década de 1950, los investigadores chinos desarrollaron el primer tractor eléctrico de ruedas alimentado por red basado en la imitación de tractores eléctricos soviéticos. Debido a su potencia de 28 kW, fue nombrado Toro Eléctrico 28. Más tarde, después de mejoras, se produjeron el segundo tractor eléctrico de ruedas Toro Eléctrico 33 y el primer tractor eléctrico de orugas Toro Eléctrico 55. Estos tres tractores eléctricos fueron alimentados por la red eléctrica y cables largos. Debido a varios factores, estos tractores eléctricos no se han utilizado ampliamente.
Al entrar en el siglo XXI, con el desarrollo de la industria de vehículos eléctricos de China, la mejora de electrificación de tractores también ha estado en la agenda. Muchas empresas e instituciones académicas en China han realizado investigaciones sobre tractores eléctricos alimentados por baterías y sus tecnologías clave. En particular, en 2007, el académico chino Gao Huisong escribió y publicó un artículo de revisión titulado 'Desarrollo del tractor eléctrico y tecnologías clave'. Este artículo presenta, en detalle, el estado actual de investigación de los tractores eléctricos en el mundo en ese momento, lo que también aceleró el proceso de investigación de tractores eléctricos en China.
En la producción y fabricación de tractores eléctricos, Hiboridd (Beijing, China) Automotive Technology Co., Ltd., desarrolló un tractor eléctrico alimentado por batería en 2011. En 2012, China Yituo Group Co., Ltd. (Luoyang, China), desarrolló los tractores eléctricos ET1400 y ET1400-1. En el mismo año, la Universidad de Agricultura y Silvicultura del Noroeste desarrolló un pequeño tractor eléctrico de orugas. En 2018, el Centro Nacional de Innovación de Equipos de Maquinaria Agrícola desarrolló sucesivamente el primer tractor eléctrico no tripulado de China. En 2020, Shandong Shifeng (Group) Co., Ltd. (Liaocheng, China), desarrolló tractores eléctricos de 25 y 35 caballos de fuerza. En 2021, Shandong Mingsin Machinery Co., Ltd. (Shandong, China), desarrolló la serie YL de tractor eléctrico. En 2022, China Yituo Group Co., Ltd., desarrolló un tractor híbrido diésel-eléctrico de alta potencia. En 2024, Lingong Agricultural Equipment Co., Ltd. (Linyi, China), desarrolló el tractor eléctrico híbrido de mayor potencia del mundo. Desde 2020, el Laboratorio de Ingeniería de Equipos de Maquinaria Agrícola Inteligente, Academia de Ciencias de China, ha desarrollado sucesivamente la serie Honghu T de tractores eléctricos no tripulados. Los tractores eléctricos representativos desarrollados y producidos actualmente en China se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Tractores eléctricos típicos en China.
Realizamos una búsqueda de tesis de posgrado utilizando la palabra clave "tractor eléctrico" en dos plataformas de servicio de conocimiento de datos, China National Knowledge Infrastructure (CNKI) y Wanfang Data. Después de un análisis integral, hubo 108 tesis de posgrado directamente relacionadas con tractores eléctricos hasta 2023. Entre ellas, hay 6 tesis doctorales y 102 tesis de maestría. Como se muestra en la Figura 6, la clasificación se basa en la institución académica, el tiempo de finalización y el contenido de investigación de la tesis de posgrado.
Figura 6. Clasificación de tractores eléctricos híbridos.
Nota: NJAU es la abreviatura de la Universidad Agrícola de Nanjing. NWSUAF es la Universidad de Agricultura y Silvicultura del Noroeste. UJS es la Universidad de Jiangsu. HAUST es la Universidad de Ciencia y Tecnología de Henan. TUST es la Universidad de Ciencia y Tecnología de Tianjin. SDUST es la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong. SXAU es la Universidad Agrícola de Shanxi. ZAFU es la Universidad de Agricultura y Silvicultura de Zhejiang. QLU es la Universidad de Tecnología de Qilu. SDUT es la Universidad de Tecnología de Shandong. Otros se refieren principalmente a la Universidad Agrícola de China, la Universidad de Tecnología y Educación de Tianjin, la Academia de Ciencias Agrícolas de China, la Universidad de Shihezi, la Universidad de las Tres Gargantas de Chongqing, la Universidad de Tecnología de Hubei, la Universidad de Tecnología de Xi'an, la Universidad de Hunan, la Universidad de Tecnología de Liaoning y la Universidad de Agricultura e Ingeniería de Zhongkai. (a) El número de tesis de posgrado de diferentes instituciones académicas. (b) El número de tesis de posgrado en diferentes momentos. (c) Análisis de las tres principales instituciones en términos del número de tesis de posgrado. (d) El número de tesis de posgrado dividido por contenido de investigación.
Según la Figura 6a, las tres principales instituciones académicas con el mayor número de tesis de posgrado son NJAU, UJS y HAUST. La suma de tesis de posgrado de estas tres instituciones representa el 62% del total. Según la Figura 6b,c, la tesis de posgrado más antigua se publicó en 2008 en NJAU. Tanto en 2019 como en 2020, hubo 15 estudiantes de posgrado dedicados a la investigación sobre tractores eléctricos. Como se muestra en la Figura 6d, el contenido de investigación de estas tesis de posgrado involucra principalmente el sistema de transmisión de accionamiento y la gestión de energía de los tractores eléctricos. Su proporción ha alcanzado más del 50%. Esto indica indirectamente que el sistema de transmisión de accionamiento y la gestión de energía son temas candentes y difíciles en la investigación de tractores eléctricos. En general, hay muchos estudiantes de posgrado en China dedicados a la investigación sobre tractores eléctricos.
De manera similar, estas instituciones académicas han realizado una extensa investigación sobre diferentes tipos de tractores eléctricos y sus tecnologías clave desde 2007, y han logrado resultados fructíferos.
El uso de motores eléctricos para la propulsión es una de las principales diferencias entre los tractores eléctricos y los tractores tradicionales. La investigación sobre motores eléctricos y sus sistemas de transmisión de accionamiento es también uno de los temas candentes para tractores eléctricos. La Figura 7 muestra el tipo de motores utilizados en tractores eléctricos.
Figura 7. Tipos de motores utilizados en tractores eléctricos.
En la actualidad, los sistemas de transmisión de accionamiento utilizados para tractores eléctricos incluyen principalmente accionamientos de motor único, accionamientos de motor dual independientes o acoplados y accionamientos de cuatro motores independientes. La Tabla 3 empareja sistemas de accionamiento con diferentes números de motores y escenarios agrícolas.
Tabla 3. Coincidencia de diferentes sistemas de conducción y escenarios agrícolas.
Mientras tanto, los académicos chinos han realizado una extensa investigación sobre estos sistemas de accionamiento de motores y su ajuste de parámetros.
(1) Accionamiento de motor único
Un accionamiento de motor único se refiere al uso de un motor para impulsar las dos ruedas traseras o ambas orugas de un tractor. La Figura 8 muestra un diagrama esquemático estructural típico de tractores eléctricos puros impulsados por un solo motor.
Figura 8. Diagrama esquemático de un tractor eléctrico impulsado por un solo motor: (a) tractor eléctrico de ruedas; (b) tractor eléctrico de tipo oruga.
Nota: El dispositivo de transmisión mecánica se refiere principalmente a la combinación de caja de cambios, embrague, reductor, diferencial, etc.
Los tractores eléctricos accionados por un solo motor son el tipo de sistema de transmisión de accionamiento más antiguo y simple, ampliamente utilizado en varios tipos de tractores eléctricos.
Tractor eléctrico puro de ruedas accionado por un solo motor
La Universidad Agrícola de Nanjing fue una de las primeras instituciones en realizar investigación sobre tractores eléctricos puros de ruedas accionados por un solo motor. Estudiaron sistemáticamente la teoría del diseño, la fuerza motriz y la eficiencia de transmisión de la transmisión de accionamiento de un solo motor. Realizaron experimentos de simulación en sistemas de accionamiento de motores utilizando el software ADVISOR, y desarrollaron un banco de pruebas para pruebas de rendimiento. Shi et al. propusieron un esquema de sistema de accionamiento para un tractor eléctrico puro manual. Chen et al. estudiaron un sistema de accionamiento de motor único para tractores eléctricos puros adecuado para áreas montañosas y de colinas. Xie et al. diseñaron un controlador de motor para tractores eléctricos puros de ruedas. Ning et al. desarrollaron un tractor eléctrico puro con posición de batería ajustable impulsado por un solo motor.
Tractor eléctrico de tipo oruga accionado por un solo motor
La Universidad de Agricultura y Silvicultura del Noroeste realizó investigaciones sobre tractores eléctricos puros accionados por un solo motor. Desarrollaron un tractor eléctrico puro de tipo oruga para usar en invernaderos. Los resultados del experimento de arado realizado muestran una reducción de más del 80% en los costos de consumo de energía. La Universidad de Jiangsu también ha realizado una serie de estudios sobre tractores eléctricos puros de tipo oruga utilizados en invernaderos de instalaciones. Ajustaron los parámetros del sistema de transmisión del tractor eléctrico y construyeron estrategias de control correspondientes basadas en los requisitos de potencia del motor bajo diferentes modos de operación.
Tractor eléctrico híbrido accionado por un solo motor
En los últimos años, muchos académicos en China han realizado investigaciones sobre tractores eléctricos híbridos en serie, paralelos y de rango extendido y sus sistemas de transmisión de accionamiento impulsados por un solo motor. Shi y Xu et al. diseñaron un sistema de transmisión para un tractor híbrido en serie impulsado por un solo motor. Deng y Xie et al. analizaron un sistema de transmisión de un tractor híbrido paralelo impulsado por un solo motor. Zhao y Wang et al. realizaron pruebas experimentales en los sistemas de accionamiento de tractores eléctricos de rango extendido impulsados por un solo motor.
(2) Accionamiento de motor dual
Un accionamiento de motor dual se refiere al uso de dos motores para impulsar independientemente las dos ruedas traseras o ambas orugas de un tractor. Alternativamente, dos motores pueden acoplarse para impulsar las dos ruedas traseras o ambas orugas del tractor. La Figura 9 muestra un diagrama esquemático de la estructura de un tractor eléctrico típico impulsado independientemente por dos motores.
Figura 9. Diagrama esquemático de un tractor eléctrico impulsado independientemente por dos motores: (a) tractor eléctrico de ruedas; (b) tractor eléctrico de tipo oruga.
Lu et al. estudiaron un sistema de accionamiento independiente de motor dual en las ruedas traseras para una serie de tractores híbridos y realizaron experimentos de arado. Mao et al. construyeron un sistema de accionamiento de motor dual para tractores eléctricos y realizaron experimentos de simulación. Zhao et al. desarrollaron un método de cambio de modo para el sistema de accionamiento de motor dual de un tractor eléctrico. Xie et al. estudiaron el rendimiento de transmisión del accionamiento de motor dual en tractores eléctricos. Li et al. realizaron un estudio sistemático sobre las características de transmisión de un sistema de accionamiento acoplado de motor dual para tractores eléctricos. Chen et al. diseñaron y analizaron una estrategia de distribución de par para un tractor eléctrico de accionamiento acoplado de motor dual. Zhang et al. estudiaron una estrategia de control PI difuso para tractores eléctricos de accionamiento acoplado de motor dual.
(3) Accionamiento de cuatro motores
Un accionamiento de cuatro motores se refiere al uso de cuatro motores para impulsar independientemente las cuatro ruedas de un tractor. La Figura 10 muestra un tractor eléctrico de ruedas impulsado independientemente por cuatro motores. An et al. estudiaron las características de dirección diferencial de un tractor eléctrico de accionamiento independiente a las cuatro ruedas. Deng et al. analizaron las características dinámicas de un tractor eléctrico de accionamiento independiente de cuatro motores. Zhou et al. estudiaron el problema de distribución de par de un tractor eléctrico impulsado independientemente por cuatro motores.
Figura 10. Diagrama esquemático de un tractor eléctrico impulsado independientemente por cuatro motores.
La batería es la fuente de energía de los tractores eléctricos, y su selección y tecnología de gestión de energía son de gran importancia para mejorar el rendimiento y la vida útil de los tractores eléctricos. Los primeros tractores eléctricos utilizaban baterías de plomo-ácido como fuente de energía. Actualmente, los tractores eléctricos utilizan comúnmente baterías de iones de litio, supercondensadores y celdas de combustible como fuentes de energía.
Actualmente, los académicos chinos han realizado una extensa investigación sobre las tecnologías de batería y gestión de energía utilizadas en tractores eléctricos. Li et al. analizaron los problemas de gestión de energía adaptativa y configuración de capacidad en los sistemas de suministro de energía de tractores eléctricos puros. Wang et al. construyeron un modelo de gestión de energía para tractores eléctricos de rango extendido. Xu y Wu et al. estudiaron algoritmos de control de gestión de energía para tractores eléctricos de rango extendido. Zhao et al. estudiaron las estrategias de gestión de energía de tractores eléctricos híbridos. Li et al. estudiaron una estrategia de gestión de energía adaptativa en tiempo real para tractores eléctricos impulsados por motor dual. Li et al. analizaron las estrategias de control de energía de tractores eléctricos basadas en programación dinámica. Sheng et al. estudiaron estrategias de gestión de energía para tractores eléctricos basadas en la predicción de la demanda de energía. Xia et al. estudiaron una estrategia de gestión de energía para tractores eléctricos basada en electrónica de iones de litio y supercondensadores. Investigadores de HAUST y UJS realizaron un estudio sistemático sobre las estrategias de gestión de energía de tractores eléctricos de celda de combustible, lo que ha hecho contribuciones importantes para promover la utilización de energía de tractores eléctricos de celda de combustible.
El desarrollo de un banco de pruebas para las pruebas de rendimiento de tractores eléctricos y sus componentes clave es de gran importancia. Wang et al. construyeron una plataforma de prueba de tractor eléctrico híbrido en serie y realizaron pruebas de labranza rotativa bajo modos de potencia puramente eléctrica e híbrida. Xu et al. diseñaron un banco de pruebas integral para tractores eléctricos utilizando un enfoque modular. Los resultados de la prueba de rendimiento realizados en el banco de pruebas mostraron que el error en comparación con el análisis de simulación anterior estaba dentro del 10%.
Además, ha habido muchos estudios sobre el diseño de componentes clave para tractores eléctricos, pruebas de rendimiento general, planificación de rutas de operación y conducción autónoma. Estos resultados de investigación promueven aún más el progreso tecnológico y el nivel de inteligencia de los tractores eléctricos en China.
Una gran cantidad de práctica ha demostrado que los tractores eléctricos tienen muchas ventajas, como la protección ambiental, el ahorro de energía, la operación simple y la fácil implementación de la inteligencia. La Tabla 4 muestra resultados de comparación de rendimiento entre tractores eléctricos y tractores tradicionales.
Tabla 4. Comparación de rendimiento entre tractores eléctricos y tractores tradicionales.
Por lo tanto, la investigación y las aplicaciones de tractores eléctricos son de gran importancia, especialmente para la producción agrícola y países usuarios de tractores como China. Sin embargo, también hay muchas oportunidades y desafíos alrededor del desarrollo de tractores eléctricos.
(1) Actualmente, China es el mayor productor y usuario de tractores del mundo. A finales de 2022, la propiedad de tractores en uso superó los 21 millones. El desarrollo y la aplicación de tractores eléctricos tienen amplias perspectivas de mercado. Mientras tanto, China ha desarrollado varios tractores eléctricos en los últimos años. La Tabla 5 muestra una comparación entre tractores eléctricos desarrollados en China y aquellos desarrollados en otros países del mundo. De la Tabla 5, podemos ver que los tractores eléctricos desarrollados en China están sincronizados con el nivel avanzado internacional y superan a otros países en términos de potencia de trabajo.
Tabla 5. Comparación entre tractores eléctricos típicos en China y otros países del mundo.
(2) Los vehículos de nueva energía de China han sido ampliamente promovidos y utilizados. En 2024, la producción y ventas de vehículos de nueva energía en China fueron 12.888 millones y 12.866 millones, respectivamente, un aumento del 34.4% y 35.5% interanual. La Figura 11 muestra la tasa de penetración en el mercado de vehículos eléctricos de nueva energía en China. Podemos ver que ha estado creciendo continuamente en los últimos años. Especialmente en 2021, hubo un aumento de 8 puntos porcentuales en comparación con el año anterior. Los motores, baterías y tecnologías de control electrónico utilizados en vehículos de nueva energía pueden aplicarse directamente a tractores eléctricos. El rápido desarrollo de vehículos eléctricos en China sin duda promoverá enormemente el proceso de electrificación de tractores.
Figura 11. La tasa de penetración en el mercado de vehículos de nueva energía en China.
(3) En los últimos años, el gobierno chino ha continuado apoyando la investigación y aplicación de tractores eléctricos. Esto incluye lanzar proyectos nacionales clave de investigación y desarrollo relacionados con tractores eléctricos, desarrollar un esquema de promoción y evaluación para tractores eléctricos de ruedas, y proporcionar subsidios para la compra de tractores híbridos de alta potencia. Como se muestra en la Tabla 6, el gobierno chino ha apoyado el desarrollo de tractores eléctricos a través de políticas, proyectos y subsidios de financiación.
Tabla 6. Políticas nacionales y apoyo de proyectos para tractores eléctricos.
(1) Los escenarios de aplicación de los tractores son significativamente diferentes de los de los vehículos. Además de las funciones de conducción en carretera, generalmente es necesario transportar maquinaria agrícola para operaciones de campo. Los tractores a menudo requieren una gran cantidad de potencia para operar en entornos de campo complejos, especialmente en los escenarios de aplicación de uso de tractores eléctricos para arar y excavar y cosechar cultivos subterráneos. Este es uno de los desafíos que enfrenta la investigación y el diseño de tractores eléctricos.
(2) Hay una falta de instalaciones de carga e intercambio alrededor de las tierras de cultivo. En la actualidad, la infraestructura de carga de China se concentra principalmente en ciudades grandes y medianas, y estas instalaciones de carga se utilizan principalmente para vehículos eléctricos. Hay pocas instalaciones de carga para vehículos eléctricos o maquinaria agrícola eléctrica en áreas rurales. En los últimos años, el gobierno también ha introducido políticas para apoyar la construcción de infraestructura de carga en áreas rurales, por ejemplo, las Opiniones Guía de la Oficina General del Consejo de Estado sobre la Construcción Adicional de un Sistema de Infraestructura de Carga de Alta Calidad en 2023. Esta opinión establece claramente la necesidad de construir una cobertura efectiva de redes de carga rurales. En general, la construcción de infraestructura de carga en áreas rurales de China aún se encuentra en sus primeras etapas, principalmente limitada por las siguientes razones:
① La tierra en áreas rurales está protegida, y las empresas privadas encuentran difícil resolver el problema de los atributos de la tierra para construir una gran cantidad de estaciones de carga.
② La masa de tierra rural es muy grande, la población está dispersa y la densidad de la red eléctrica es baja, lo que dificulta satisfacer la demanda de carga a gran escala.
③ Debido a la gran área de las zonas rurales, hay escasez de personal de mantenimiento fuera de línea para la infraestructura de carga.
Para resolver los problemas anteriores, el gobierno debe realizar proyectos piloto en áreas rurales con buena infraestructura de red eléctrica, y explorar modelos de experiencia para construir infraestructura de carga e intercambio en áreas rurales. Por otro lado, debemos acelerar la mejora de las condiciones de la red eléctrica rural y mejorar la seguridad energética. Al mismo tiempo, fortaleceremos la capacitación del personal para la operación y mantenimiento de la infraestructura de carga e intercambio. También es posible considerar el tema de la infraestructura de carga rural en la construcción de tierras de cultivo de alto estándar. También necesitamos utilizar plenamente la situación actual de la generación de energía eólica y fotovoltaica en áreas rurales en China, y construir una infraestructura integrada de carga e intercambio, como se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Diagrama esquemático de infraestructura integrada de carga e intercambio.
(3) En la actualidad, aunque existen algunos estándares para tractores eléctricos, estos estándares no se han sistematizado. Por lo tanto, no puede apoyar efectivamente todo el proceso de investigación y desarrollo, fabricación, promoción y aplicación de tractores eléctricos. Según la consulta en la Plataforma Nacional de Servicio Público de Información sobre Normas, como se muestra en la Tabla 7, actualmente solo hay ocho estándares relacionados con tractores eléctricos en China (un estándar de la industria y siete estándares de grupo). En comparación con los 542 estándares para vehículos eléctricos (117 estándares nacionales, 76 estándares de la industria y 349 estándares de grupo), hay una brecha significativa en el número de estándares. Aunque algunos estándares relacionados con vehículos eléctricos pueden usarse para tractores eléctricos, aún hay muchos aspectos que deben mejorarse y complementarse, especialmente aquellos estándares que involucran escenarios agrícolas y tienen diferencias significativas con los vehículos eléctricos.
Tabla 7. Los estándares actuales para tractores eléctricos en China.
(4) Debe desarrollarse una solución sistemática para el reciclaje y utilización de baterías usadas. El problema del reciclaje de baterías usadas se ha convertido en uno de los desafíos que enfrenta el desarrollo saludable de la industria de vehículos eléctricos. Este problema inevitablemente será enfrentado y resuelto por tractores eléctricos en un futuro cercano. Solo abordando este problema podemos garantizar el desarrollo saludable de tractores eléctricos en el futuro. Por lo tanto, es necesario establecer un mecanismo de colaboración multipartita. No solo debe implementarse el sistema de responsabilidad del productor, sino también debe construirse una comunidad de responsabilidad multipartita de "productores de baterías + usuarios + recicladores" para resolver completamente el problema del reciclaje de baterías usadas para tractores eléctricos.
Este estudio dilucida las clasificaciones y características de los tractores eléctricos en China. Resumimos el estado de la investigación de los motores de tractores eléctricos y sus sistemas de transmisión, baterías y tecnologías de gestión de energía. También analizamos algunas de las principales oportunidades y desafíos que enfrenta la investigación y el desarrollo en torno a los tractores eléctricos en China. Esta investigación encontró que los tractores eléctricos en China aún se encuentran en sus primeras etapas de desarrollo, muchos todavía en la etapa de prototipo. Todavía hay una brecha significativa desde el desarrollo hasta la aplicación industrial. Mientras tanto, los escenarios de aplicación de tractores eléctricos puros se encuentran principalmente en instalaciones como invernaderos. Los tractores eléctricos de alta potencia generalmente usan modos híbridos.
En general, la investigación activa de China y las aplicaciones de tractores eléctricos son oportunas y de gran importancia para reducir la intensidad laboral, el consumo de energía fósil y las emisiones de carbono en la producción agrícola.
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