[金容柱专栏] 氢燃料电池拖拉机开发现状

[金容柱专栏] 忠南大学农业生命科学学院智能农业系统机械工程学系教授

氢燃料电池拖拉机是 2022年起 5年间投入约 300亿韩元推进的农林畜产食品部大型项目. 本项目由忠南大学主持，供应氢燃料电池的现代汽车集团, 农机整车企业 LSMtron, 大同, TYM 等参与，共有 19家机构参与，可以说是农食部单一课题中规模最大的项目. 本研究为设计 110kW级氢燃料电池拖拉机，由 4个研究组组成. E-动力总成及拖拉机设计组, 驱动系统及底盘设计组, 动力系统设计组及安全组构成.

本项目除了开发世界首款氢燃料电池拖拉机之外，还具有多方面的挑战性. 首先, 最大的挑战是将最近才应用于环保汽车的氢燃料电池技术应用到拖拉机上. 为此，需要进行能够应对高负荷连续作业的动力系统设计与优化等工作, 同时还需要完善多项法律·制度.
尤其是, 为将高压氢用品应用于拖拉机，有必要对相关法律进行审查和修订. 研究团队首先为车辆开发申请了监管沙盒, 并以开发过程中获得的内容为基础，为制定监管规则而经过多次咨询会议，完成了试验规范制定的准备工作. 2027年起相关法规将制定出台, 从制度层面也已完成使氢燃料电池拖拉机能够实现商业化的所有准备.

第二是新型拖拉机平台的设计. 传统上，韩国国内开发的拖拉机都是通过连接发动机·变速器·后桥·壳体来支撑车身载荷的无车架结构(Frameless construction)다. 作业者是在拖拉机变速器上方设置驾驶座并乘坐其上进行作业. 这种结构的优点是可以直接利用现有核心部件来应用电动化技术，但在搭载氢燃料电池, 氢气罐等多种氢燃料电池部件方面存在空间限制.

因此，如果在现有拖拉机结构上安装氢气罐, 就必须采用像久保田氢燃料电池拖拉机那样将氢气罐搭载在车顶上的方式, 但这种结构在翻车时难以确保氢气罐的安全性. 此外，还需要开发包含氢气罐的专用车顶，因此也难以应用于多样化的拖拉机产品线.

本项目为克服这些局限，设计了便于安装氢气罐的氢燃料电池拖拉机专用车架, 并利用其设计了氢燃料电池专用平台. 这一平台可以说是在韩国国内农业机械领域尚未应用过的全新尝试. 专用平台在确保搭载氢燃料电池系统所需空间的同时, 还具有可供多家农机企业共同利用的优点. 最后，本项目的平台通用化不仅超越了农机企业之间的通用化，还设计成有人与无人机型都具备相同平台.

氢燃料电池通用化平台设计为可在底盘下部安装电机, 逆变器, 变速器等驱动部件以及氢气罐等能源装置，因此韩国国内拖拉机企业既可以通过安装自有驾驶室来充分利用该平台，同时也具有去除驾驶室后作为无人机型使用的优点. 因此，本氢燃料电池项目可以说是在开发氢燃料电池技术的同时，验证新型电动化平台通用化可能性的挑战性课题.

尤其是, 氢燃料电池拖拉机平台为反映拖拉机的作业特性，由行驶电机, PTO 电机, 液压电机这 3种电机构成来驱动拖拉机. 这种结构相较于现有内燃机可具备较为简单的变速器结构, 并可由此提高动力传递效率. 此外, 由于氢燃料电池动力包比作为内燃机动力源的发动机效率更高，因此具有使用相同能源也能更高效地开展农作业的优点.

氢燃料电池拖拉机课题如今已完成作为新型环保能源源, 可通用的电动化专用平台, 以及可同时适用于有人和无人的下一代平台的开发，并正在进行用于最终车辆稳定化的各项试验. 为验证拖拉机性能，正按照韩国农业技术振兴院的拖拉机性能试验方法，以与现有内燃机拖拉机相同的方法进行试验，但目前需要适用针对 3电机构成的单独试验方法. 这种试验方法除氢燃料电池外，也可用于以一个以上电机代替现有内燃机进行驱动或作业的所有电动拖拉机，本研究正在开发该试验方法.

目前，氢燃料电池拖拉机已完成有人和无人拖拉机样机开发, 并已完成性能试验，商业化准备也已结束. 不过, 为了实际在农户中使用，还需要完善法律·制度, 充能, 安全等方面的制度. 同时，也需要制定面向市场扩大的环保农机补贴等措施.