电动农业机械研究现状及发展建议

2023-11-19冯汝广牛晓硕王梦娇贾天具

农业开发与装备 2023年8期

冯汝广，牛晓硕，王梦娇，贾天具

（聊城市农业科学院，山东聊城 252000）

0 前言

2018年农业部办公厅、财政部办公厅发布的《关于做好2018—2020年农机新产品购置补贴试点工作的通知》对开展植保无人机等创新农机产品补贴试点作出全面部署。2021年，农业农村部发布的《“十四五”全国农业机械化发展规划》中明确提出加快绿色智能农机装备和节本增效农业机械化技术推广应用，因地制宜发展复式、高效农机和电动农机装备。可见，电动农机装备在将来会持续得到相关的政策支持，具有很好的发展前景，考虑到我国水电、风电、核电资源丰富，化石能源相对匮乏，发展绿色、高效、实用的电动农机装备也符合我国基本国情。

1 发展电动农机的意义

1.1 零排放

传统燃油农机工作时产生的硫化物、颗粒物会对环境造成严重污染，特别是在设施农业应用中，空气不易流通，对身体健康会造成一定的影响。电动农机使用车载电池作为动力源，通过化学反应实现电池的充放电，可以实现零排放。

1.2 缓解能源危机

传统燃油农机在使用过程中会消耗大量石油资源，随着不断消耗，能源危机将会不断凸显。电动农机通过充电机使用电网统一配送的电能，电能属于二次能源，来源形式多样，可通过风能、水能、太阳能等绿色能源转化，减小了对化石能源的依赖。

1.3 运行成本低

电动农机较传统燃油农机运行成本更低，不足燃油农机的50%，随着石油价格不断上涨以及国家实施更为严格的农机排放标准，使用燃油农机付出的经济成本也越来越高。

1.4 便于实现自动化

动力部分电动化是未来农机走向自动控制的基础，电动农机的应用对加快农机装备作业传感器、智能网联终端等关键技术攻关，推进农机作业监测数字化进程具有极大的促进作用。

2 研究现状

2.1 国外研究现状

国外最早的电动农机可以追溯到19世纪的美国，当时已经出现不用化石原料、用电网供电的农用拖拉机，但由于早期的技术问题，电动拖拉机及其他电动农机没有得到更广泛的应用[1-2]。20世纪70年代以后，电动拖拉机进入了车载电源时代[3]，美、英、日等国纷纷开展车载供电电动拖拉机的研制，一定程度上促进了电动拖拉机的发展。进入新世纪后，随着电池、电机、电控技术的不断发展成熟，电动农机发展迅速。

2017年2月法国的SIMA展，美国的约翰迪尔发布了世界上首款纯电动拖拉机SESAM[4]，该款电动拖拉机已完成田间测试，能够完成传统拖拉机能够胜任的任何工作任务。SESAM功率为260 kW，配备两块动力电池，可持续工作4 h或55 Km的运输时间，充电时间 3 h，循环寿命3 100次。

2020年日本久保田公司推出了一款纯电动和自动驾驶的概念拖拉机Kubota X，它是通过锂离子电池组和太阳能电池板的组合完成供电的，没有配备车轮，而是具有四个履带的“爬行器”，可以在各种地形中实现最佳牵引力。这些履带中的每一个都有其自己的集成电机，它们可以以不同的速度独立地旋转，从而获得非常紧凑的转弯半径。

2.2 国内研究现状

我国电动农机研究起步较晚，但近几年国家出台一系列支持政策，相关企业加大研发投入，取得了一系列的研究成果。

2.2.1电动拖拉机。“超级拖拉机1号”是国内发布的首台具有完全自主知识产权的纯电动无人驾驶拖拉机产品，于2018年10月23日在洛阳下线[5]。该款机型是由河南省智能农机创新中心牵头，中国一拖集团有限公司、中国科学院计算技术研究所等单位通过关键技术攻关、核心器件研制、重大装备集成联合打造而成，在整车电动控制、无人自主路径规划与跟踪算法等方面取得了突破。

2021年10月份中国国际农机展上，山东超星智能科技有限公司的新能源无人驾驶拖拉机首发亮相[6]，其采用锂电池供电方案，通过无级变速电机为整机驱动。同时，此款拖拉机还具备无人驾驶功能，支持无人作业、协同作业等作业场景，通过4G/5G通信技术接入网络，通过与云端交互实现智能化作业管理和监控。

2022年，东方红HB2204是一拖集团有限公司在学习借鉴国内外先进的CVT技术、电驱动技术基础上开发出来的混合动力驱动的拖拉机，该机与纯电动相比，具有更好的实用性和经济性，预示着很快将进入商业化应用[7]。

2.2.2电动微耕机。2019年，湖北工业大学张强等研制了一款基于STM32单片机控制的电动微耕机[8]，平均耕幅为60 cm，耕作效率达到了0.3 hm2/h，远超于目前市面上内燃机驱动手扶式微耕机。经计算，经济性也优于市场上同规格汽油微耕机。

2.2.3电动播种机。2021年，黑龙江八一农垦大学匡丽红等设计了一款电动玉米播种机[9]，该样机以嵌入式系统工控机为控制核心，控制系统把输入的株距、施肥量等信息通过CAN总线传输给电机控制器，电机控制器根据作业信息和作业速度实时调节排种电机和排肥电机转速、播种速度和施肥量。经试验，样机株距合格率＞97.1%，施肥相对误差＜3.3%，可实现一机播多种作物，减少机械调整操作。

2.2.4电动叶菜收获机。2017年，南京农业大学许勇强设计了一种小型电动叶菜类收获机[10]，并在田间进行了试验，收获机械工作时作业效率为0.1 hm2/h，漏割率为2.7%，耗电量为12.8 Kwh/hm2。

2.2.5电动韭菜收割机。2018年4月，甘肃省武山县农机服务中心引进酒泉市林德机械制造有限公司生产的4GL-1型电动韭菜收割机，并对其进行功能性、适应性、操作性、安全性等指标进行试验[11]。试验结果表明，该机型能够提高作业效率，降低人工劳动强度，能够对不同密度、不同高度的韭菜进行收割，且入土深度可调，但是，韭菜收割后铺放不够整齐，不能自动完成打捆，且售价较高。

2.2.6电动植保无人机。电动植保无人机是目前应用最普遍、发展最成功的电动农机之一。近几年，大疆、极飞等企业纷纷进入电动植保无人机行业，飞机载荷量从3 L、5 L，快速发展到2020年的20 L，2022年部分企业已推出载荷量超过50 L的电动植保无人机，由于无人机具有极高的作业效率，目前正在全面取代地面植保机械。大疆创新科技有限公司2022年11月发布的T50农业无人机，播撒作业箱内部最大载重50 kg，电池容量30 Ah，电压52.22 V，电机功率4 kW，自带全能变频充电站，9～12 min即可充满一块电池，在大田作业环境下工作效率可达21.3 hm2/h。

3 存在的问题

电动农机在我国发展时间较短，在研究过程中发现了一些问题，一些技术性能指标也有待改进。

3.1 电池技术不够成熟

电池能量密度有待提高，目前，市场上锂离子电池能量密度不到200 Wh/kg，直接制约着电动农机的连续作业时间、工作效率、工作强度，增加电池组数量会影响整机各部件的总体布置和操作体验感。电池价格偏高，锂电池市场价格达1 000元/kW·h以上，增加了电动农机的购置成本及电池的更换成本。电池温度适应性较差，电池工作温度超过60℃时，直接影响电池寿命，温度超过85℃时，会出现热失控，严重时会引起电池起火甚至爆炸。电池回收体系不健全，没有完善的废旧电池回收产业链，随意丢弃会造成严重的环境污染和资源浪费。

3.2 安全性能重视不够

电动农机高压电气系统复杂、器件多、线束长、传输功率大、工作电压高，特别是对于中大型农机而言，电压达500 V以上。如果高压安全失效，会引起高压部件烧蚀、外壳带电、电池着火等，直接影响操作人员安全。电动农机高压安全是一个重要的研究课题。

3.3 评价标准不完善

电动农机目前没有专门的评价标准与指标，国内主要参考电动汽车和传统农机的相关要求进行评价。但是由于驱动方式与传统农机有着本质的区别，作业对象和载荷变化规律与电动汽车区别较大，参考其他标准并不能科学、全面、准确地评价电动农机。

4 发展建议

4.1 研发高性价比动力电池

电池作为电动农机的动力源，是电动农机的“心脏”，开发并推广高能量密度、循环寿命、良好温度适应性和充放电特性的高性能动力电池对推动电动农机的发展起着十分重要的作用。此外，还需要完善电池产业链，建立专业的电池回收渠道，促进电池回收再利用。

4.2 注重高压安全

高压安全是开发电动农机产品时需要考虑的首要问题。在设计高压电气系统时，要保证足够的电气间隙和爬电距离，选择响应速度快、精确度高的绝缘监测设备，科学制定电动农机控制逻辑，当存在高压安全隐患时及时报警。根据电动农机工作电压大小和使用环境，合理确定高压系统、部件的防护等级，保证农机在雨雪天气、水田作业时的安全性能。