電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

馮汝廣，牛曉碩，王夢(mèng)嬌，賈天具

（聊城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東聊城 252000）

0 前言

2018年農(nóng)業(yè)部辦公廳、財(cái)政部辦公廳發(fā)布的《關(guān)于做好2018—2020年農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品購(gòu)置補(bǔ)貼試點(diǎn)工作的通知》對(duì)開展植保無人機(jī)等創(chuàng)新農(nóng)機(jī)產(chǎn)品補(bǔ)貼試點(diǎn)作出全面部署。2021年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》中明確提出加快綠色智能農(nóng)機(jī)裝備和節(jié)本增效農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣應(yīng)用，因地制宜發(fā)展復(fù)式、高效農(nóng)機(jī)和電動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備?？梢?，電動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備在將來會(huì)持續(xù)得到相關(guān)的政策支持，具有很好的發(fā)展前景，考慮到我國(guó)水電、風(fēng)電、核電資源豐富，化石能源相對(duì)匱乏，發(fā)展綠色、高效、實(shí)用的電動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備也符合我國(guó)基本國(guó)情。

1 發(fā)展電動(dòng)農(nóng)機(jī)的意義

1.1 零排放

傳統(tǒng)燃油農(nóng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的硫化物、顆粒物會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，特別是在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，空氣不易流通，對(duì)身體健康會(huì)造成一定的影響。電動(dòng)農(nóng)機(jī)使用車載電池作為動(dòng)力源，通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電池的充放電，可以實(shí)現(xiàn)零排放。

1.2 緩解能源危機(jī)

傳統(tǒng)燃油農(nóng)機(jī)在使用過程中會(huì)消耗大量石油資源，隨著不斷消耗，能源危機(jī)將會(huì)不斷凸顯。電動(dòng)農(nóng)機(jī)通過充電機(jī)使用電網(wǎng)統(tǒng)一配送的電能，電能屬于二次能源，來源形式多樣，可通過風(fēng)能、水能、太陽能等綠色能源轉(zhuǎn)化，減小了對(duì)化石能源的依賴。

1.3 運(yùn)行成本低

電動(dòng)農(nóng)機(jī)較傳統(tǒng)燃油農(nóng)機(jī)運(yùn)行成本更低，不足燃油農(nóng)機(jī)的50%，隨著石油價(jià)格不斷上漲以及國(guó)家實(shí)施更為嚴(yán)格的農(nóng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，使用燃油農(nóng)機(jī)付出的經(jīng)濟(jì)成本也越來越高。

1.4 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

動(dòng)力部分電動(dòng)化是未來農(nóng)機(jī)走向自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，電動(dòng)農(nóng)機(jī)的應(yīng)用對(duì)加快農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)傳感器、智能網(wǎng)聯(lián)終端等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)字化進(jìn)程具有極大的促進(jìn)作用。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外最早的電動(dòng)農(nóng)機(jī)可以追溯到19世紀(jì)的美國(guó)，當(dāng)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)不用化石原料、用電網(wǎng)供電的農(nóng)用拖拉機(jī)，但由于早期的技術(shù)問題，電動(dòng)拖拉機(jī)及其他電動(dòng)農(nóng)機(jī)沒有得到更廣泛的應(yīng)用[1-2]。20世紀(jì)70年代以后，電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)入了車載電源時(shí)代[3]，美、英、日等國(guó)紛紛開展車載供電電動(dòng)拖拉機(jī)的研制，一定程度上促進(jìn)了電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著電池、電機(jī)、電控技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，電動(dòng)農(nóng)機(jī)發(fā)展迅速。

2017年2月法國(guó)的SIMA展，美國(guó)的約翰迪爾發(fā)布了世界上首款純電動(dòng)拖拉機(jī)SESAM[4]，該款電動(dòng)拖拉機(jī)已完成田間測(cè)試，能夠完成傳統(tǒng)拖拉機(jī)能夠勝任的任何工作任務(wù)。SESAM功率為260 kW，配備兩塊動(dòng)力電池，可持續(xù)工作4 h或55 Km的運(yùn)輸時(shí)間，充電時(shí)間 3 h，循環(huán)壽命3 100次。

2020年日本久保田公司推出了一款純電動(dòng)和自動(dòng)駕駛的概念拖拉機(jī)Kubota X，它是通過鋰離子電池組和太陽能電池板的組合完成供電的，沒有配備車輪，而是具有四個(gè)履帶的“爬行器”，可以在各種地形中實(shí)現(xiàn)最佳牽引力。這些履帶中的每一個(gè)都有其自己的集成電機(jī)，它們可以以不同的速度獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)，從而獲得非常緊湊的轉(zhuǎn)彎半徑。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)電動(dòng)農(nóng)機(jī)研究起步較晚，但近幾年國(guó)家出臺(tái)一系列支持政策，相關(guān)企業(yè)加大研發(fā)投入，取得了一系列的研究成果。

2.2.1電動(dòng)拖拉機(jī)。“超級(jí)拖拉機(jī)1號(hào)”是國(guó)內(nèi)發(fā)布的首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的純電動(dòng)無人駕駛拖拉機(jī)產(chǎn)品，于2018年10月23日在洛陽下線[5]。該款機(jī)型是由河南省智能農(nóng)機(jī)創(chuàng)新中心牽頭，中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所等單位通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心器件研制、重大裝備集成聯(lián)合打造而成，在整車電動(dòng)控制、無人自主路徑規(guī)劃與跟蹤算法等方面取得了突破。

2021年10月份中國(guó)國(guó)際農(nóng)機(jī)展上，山東超星智能科技有限公司的新能源無人駕駛拖拉機(jī)首發(fā)亮相[6]，其采用鋰電池供電方案，通過無級(jí)變速電機(jī)為整機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，此款拖拉機(jī)還具備無人駕駛功能，支持無人作業(yè)、協(xié)同作業(yè)等作業(yè)場(chǎng)景，通過4G/5G通信技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，通過與云端交互實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)管理和監(jiān)控。

2022年，東方紅HB2204是一拖集團(tuán)有限公司在學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CVT技術(shù)、電驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的拖拉機(jī)，該機(jī)與純電動(dòng)相比，具有更好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，預(yù)示著很快將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用[7]。

2.2.2電動(dòng)微耕機(jī)。2019年，湖北工業(yè)大學(xué)張強(qiáng)等研制了一款基于STM32單片機(jī)控制的電動(dòng)微耕機(jī)[8]，平均耕幅為60 cm，耕作效率達(dá)到了0.3 hm2/h，遠(yuǎn)超于目前市面上內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)手扶式微耕機(jī)。經(jīng)計(jì)算，經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于市場(chǎng)上同規(guī)格汽油微耕機(jī)。

2.2.3電動(dòng)播種機(jī)。2021年，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)匡麗紅等設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)玉米播種機(jī)[9]，該樣機(jī)以嵌入式系統(tǒng)工控機(jī)為控制核心，控制系統(tǒng)把輸入的株距、施肥量等信息通過CAN總線傳輸給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)作業(yè)信息和作業(yè)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種電機(jī)和排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速、播種速度和施肥量。經(jīng)試驗(yàn)，樣機(jī)株距合格率＞97.1%，施肥相對(duì)誤差＜3.3%，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)播多種作物，減少機(jī)械調(diào)整操作。

2.2.4電動(dòng)葉菜收獲機(jī)。2017年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)許勇強(qiáng)設(shè)計(jì)了一種小型電動(dòng)葉菜類收獲機(jī)[10]，并在田間進(jìn)行了試驗(yàn)，收獲機(jī)械工作時(shí)作業(yè)效率為0.1 hm2/h，漏割率為2.7%，耗電量為12.8 Kwh/hm2。

2.2.5電動(dòng)韭菜收割機(jī)。2018年4月，甘肅省武山縣農(nóng)機(jī)服務(wù)中心引進(jìn)酒泉市林德機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的4GL-1型電動(dòng)韭菜收割機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行功能性、適應(yīng)性、操作性、安全性等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)[11]。試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)型能夠提高作業(yè)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠?qū)Σ煌芏?、不同高度的韭菜進(jìn)行收割，且入土深度可調(diào)，但是，韭菜收割后鋪放不夠整齊，不能自動(dòng)完成打捆，且售價(jià)較高。

2.2.6電動(dòng)植保無人機(jī)。電動(dòng)植保無人機(jī)是目前應(yīng)用最普遍、發(fā)展最成功的電動(dòng)農(nóng)機(jī)之一。近幾年，大疆、極飛等企業(yè)紛紛進(jìn)入電動(dòng)植保無人機(jī)行業(yè)，飛機(jī)載荷量從3 L、5 L，快速發(fā)展到2020年的20 L，2022年部分企業(yè)已推出載荷量超過50 L的電動(dòng)植保無人機(jī)，由于無人機(jī)具有極高的作業(yè)效率，目前正在全面取代地面植保機(jī)械。大疆創(chuàng)新科技有限公司2022年11月發(fā)布的T50農(nóng)業(yè)無人機(jī)，播撒作業(yè)箱內(nèi)部最大載重50 kg，電池容量30 Ah，電壓52.22 V，電機(jī)功率4 kW，自帶全能變頻充電站，9～12 min即可充滿一塊電池，在大田作業(yè)環(huán)境下工作效率可達(dá)21.3 hm2/h。

3 存在的問題

電動(dòng)農(nóng)機(jī)在我國(guó)發(fā)展時(shí)間較短，在研究過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，一些技術(shù)性能指標(biāo)也有待改進(jìn)。

3.1 電池技術(shù)不夠成熟

電池能量密度有待提高，目前，市場(chǎng)上鋰離子電池能量密度不到200 Wh/kg，直接制約著電動(dòng)農(nóng)機(jī)的連續(xù)作業(yè)時(shí)間、工作效率、工作強(qiáng)度，增加電池組數(shù)量會(huì)影響整機(jī)各部件的總體布置和操作體驗(yàn)感。電池價(jià)格偏高，鋰電池市場(chǎng)價(jià)格達(dá)1 000元/kW·h以上，增加了電動(dòng)農(nóng)機(jī)的購(gòu)置成本及電池的更換成本。電池溫度適應(yīng)性較差，電池工作溫度超過60℃時(shí)，直接影響電池壽命，溫度超過85℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱失控，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電池起火甚至爆炸。電池回收體系不健全，沒有完善的廢舊電池回收產(chǎn)業(yè)鏈，隨意丟棄會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

3.2 安全性能重視不夠

電動(dòng)農(nóng)機(jī)高壓電氣系統(tǒng)復(fù)雜、器件多、線束長(zhǎng)、傳輸功率大、工作電壓高，特別是對(duì)于中大型農(nóng)機(jī)而言，電壓達(dá)500 V以上。如果高壓安全失效，會(huì)引起高壓部件燒蝕、外殼帶電、電池著火等，直接影響操作人員安全。電動(dòng)農(nóng)機(jī)高壓安全是一個(gè)重要的研究課題。

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不完善

電動(dòng)農(nóng)機(jī)目前沒有專門的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)，國(guó)內(nèi)主要參考電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的相關(guān)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是由于驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別，作業(yè)對(duì)象和載荷變化規(guī)律與電動(dòng)汽車區(qū)別較大，參考其他標(biāo)準(zhǔn)并不能科學(xué)、全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)電動(dòng)農(nóng)機(jī)。

4 發(fā)展建議

4.1 研發(fā)高性價(jià)比動(dòng)力電池

電池作為電動(dòng)農(nóng)機(jī)的動(dòng)力源，是電動(dòng)農(nóng)機(jī)的“心臟”，開發(fā)并推廣高能量密度、循環(huán)壽命、良好溫度適應(yīng)性和充放電特性的高性能動(dòng)力電池對(duì)推動(dòng)電動(dòng)農(nóng)機(jī)的發(fā)展起著十分重要的作用。此外，還需要完善電池產(chǎn)業(yè)鏈，建立專業(yè)的電池回收渠道，促進(jìn)電池回收再利用。

4.2 注重高壓安全

高壓安全是開發(fā)電動(dòng)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品時(shí)需要考慮的首要問題。在設(shè)計(jì)高壓電氣系統(tǒng)時(shí)，要保證足夠的電氣間隙和爬電距離，選擇響應(yīng)速度快、精確度高的絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備，科學(xué)制定電動(dòng)農(nóng)機(jī)控制邏輯，當(dāng)存在高壓安全隱患時(shí)及時(shí)報(bào)警。根據(jù)電動(dòng)農(nóng)機(jī)工作電壓大小和使用環(huán)境，合理確定高壓系統(tǒng)、部件的防護(hù)等級(jí)，保證農(nóng)機(jī)在雨雪天氣、水田作業(yè)時(shí)的安全性能。

4.3 優(yōu)先發(fā)展小型農(nóng)機(jī)

小型農(nóng)機(jī)在傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)基礎(chǔ)上改變較少、涉及高壓部件少、功率和電壓較低、負(fù)荷較小、研發(fā)難度相對(duì)較小，但有著廣闊的市場(chǎng)，可走由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展路徑。電動(dòng)田園管理機(jī)、電動(dòng)播種機(jī)、電動(dòng)蔬菜收獲機(jī)等低負(fù)荷農(nóng)機(jī)設(shè)備都可作為優(yōu)先發(fā)展的對(duì)象。

4.4 優(yōu)先發(fā)展增程式電動(dòng)農(nóng)機(jī)

現(xiàn)有的電池技術(shù)嚴(yán)重制約著大型農(nóng)機(jī)的作業(yè)強(qiáng)度和時(shí)間，短時(shí)間難以解決?？蛇x擇油電混動(dòng)的增程式電動(dòng)農(nóng)機(jī)作為由傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)到純電動(dòng)農(nóng)機(jī)的過渡，這個(gè)過渡時(shí)間既能積累研究大型電動(dòng)農(nóng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，也為研究高性能電池提供時(shí)間。

4.5 完善評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)農(nóng)機(jī)的健康發(fā)展離不開科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)職能部門應(yīng)組織專家制定電動(dòng)農(nóng)機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)電動(dòng)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)有序、快速發(fā)展，助力完成對(duì)國(guó)外農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的彎道超車。

4.6 加大對(duì)田間作業(yè)規(guī)律的研究

電動(dòng)農(nóng)機(jī)作業(yè)對(duì)象是農(nóng)作物和田地，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，載荷變化幅度較大，載荷突變工況頻繁，對(duì)農(nóng)機(jī)的過載性能和環(huán)境適應(yīng)性能要求較高。加大對(duì)田間作業(yè)規(guī)律的研究，可為電動(dòng)農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論依據(jù)。

5 結(jié)語

電動(dòng)農(nóng)機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近幾年發(fā)展迅速，相關(guān)高校、科技企業(yè)紛紛加入研發(fā)行列。未來，隨著電池性能的不斷提高和對(duì)電動(dòng)農(nóng)機(jī)技術(shù)的深入探索，相關(guān)技術(shù)將會(huì)更加成熟，性能更加優(yōu)越。對(duì)推進(jìn)農(nóng)機(jī)節(jié)能減排，助力實(shí)施農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰、碳中和具有十分重要的意義。