農業機械的新能源化發展情況與關鍵技術研發方向

劉玉琴

(同心縣農業機械化推廣服務中心，寧夏 同心 751300)

0 引言

隨著我國社會的不斷發展進步，人們在生活水平不斷提升的同時，對于生產生活中的綠色、低碳、環保的要求越來越高，生產生活過程中應用的很多機械產品都呈現出了節能環保的特點。根據我國2016年提出的《農機裝備發展行動方案(2016—2025)》，要求農業機械的新能源化發展是農機產品發展的主要方向之一。而現階段以柴油機為主要動力的農業機械在生產中不僅存在著排氣污染和能源浪費的問題，而且其結構復雜使用成本較高，作業過程中容易出現故障問題和安全問題。隨著農機技術的進一步提高，以新能源為動力的農業機械將會得到更大力度的政策扶持，以電力為主的新能源技術在農業機械上的應用會進一步降低農業機械的能源成本負擔，其將與柴油機農機結合完成更多的農業生產任務。

1 農業機械的新能源化發展情況

1.1 新能源農機技術研究現狀

得益于我國機械電子技術和電池技術的發展，電動技術已經開始在各個行業中進行應用，尤其是永磁電機和異步交流電機等先進電機技術逐步在農業機械方面進行應用，使電動農機替代傳統的燃料農機變得更為容易。新能源農機的特點就是利用清潔能源替代傳統的化石能源，現階段新能源的重點研究對象就是電能的利用，此外新能源還包括氫燃料能源、酒精燃料能源和核能源等。從農業機械作業的角度來講，現階段最直接可利用的新能源即為電能，其應用包括了純電動農機和混動農機兩大類。目前從農業機械的應用場合來看，以插電電動機械技術替代傳統的柴油機技術是新能源農機發展的主要方向，同時移動式可充電電池技術也是新能源農機研發的關鍵技術。

總體來說，我國農業機械的新能源技術研究起步較晚，前期的很多技術應用和研究重點在于小微農機，例如背負式電動噴霧機、手扶式電動撒肥機、農用電動微耕機等。到20世紀末期，我國的電動農機技術研究開始向傳統大田農機衍生，直到21世紀初期，農業機械的自動化和智能化得到了快速發展，我國的新能源農機使用率也得到了快速的發展。例如2009年華南農業大學的農機團隊在傳統的水稻插秧機技術基礎上研制了電動水稻插秧機，并針對電動機特點對插秧機的功率分配和參數進行了優化；2012年衢州學院與浙江工業大學等多家科研機構合作研制了電動油菜割曬機，使電動機在農業機械上的應用和控制優化得到了顯著提升；2018年，由河南省智能農機創新中心為主要研發單位，中國一拖、中國科學院計算技術研究所等多家單位聯合研制的新型拖拉機—超級拖拉機1號(圖1)是一款具有超前設計理念的中馬力拖拉機，標志著拖拉機技術在整車電動控制、跟蹤算法與無人自主路徑規劃等方面取得了突破。

圖1 基于純電動技術的超級拖拉機1號

1.2 新能源農機技術的應用方式

現階段，我國新能源農機的應用主要以電動機為主。其應用的形式包括以下兩類：

一是固定式農機具的應用，主要是應用在農產品加工機械、谷物烘干機械、排灌機械等方面，其特點是機具在某一位置固定不動，電能的利用方式是以電源線連接電動機進行作業，這也是現階段應用時間最長，技術最成熟的新能源農機作業方式，具有結構簡單、功能可靠、使用成本低的優點，現階段的固定式新能源農機技術逐漸向著智慧大棚方向發展，智慧大棚不僅具備多種電動機用以控制棚頂開閉、自動噴淋、自動噴藥等功能，還能充分利用清潔的太陽能、風能調節大棚的內部環境，利用最小的資源消耗量實現大棚生產的全部需求。

二是在移動式機具上的應用，采用可移動電池配套電動機的作業形式，現階段的應用以小功率農機為主，例如替代傳統人工動力的電力機械，如小型噴霧機、果樹修剪機等，也有部分大田作業的移動式農機，如電動拖拉機等，只是電動機在農業機械上的應用目前還受到動力性能的限制，大多數移動電池配套的電動機功率僅在10～15 kW左右，一方面僅能替代傳統的小馬力農機，另一方面電源的作業時間有限，因此目前移動式電動農機的實際應用范圍仍不大。

2 新能源農機的關鍵技術研發方向

2.1 動力電源技術

動力電源技術是新能源農業機械替代傳統農機作業的關鍵技術，現階段來看農業機械的動力電源技術與新能源汽車的動力電源技術相類似，主要都是解決以較小的體積實現長續航的要求，并使電池具備較長的使用壽命。現階段，可供農業機械使用的動力電源技術包括鎳氫電池技術、鋰離子電池等。其技術的先進性受到以下三方面的影響：一是儲能材料的性能，現階段應用于電池行業的儲能材料有很多，例如高電壓鎳錳酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料和石墨、硅碳、鈦酸鋰等負極材料，從目前的技術來看，只能實現約400 Wh·kg-1的單體能量密度，未來應通過技術的提升使儲能材料的性能逐漸提高到500～800 Wh·kg-1，并將鋰離子、鎂離子等先進技術逐步引入農業機械領域。二是電芯成組技術，從現階段來看我國的電芯成組技術與國際水平存在一定差距，由于生產中對原料、工藝過程和環境管控能力不足，導致國內優秀鋰電池容差比國際先進水平大約低一個數量級，導致電池技術存在一定的落后問題。三是電池能量管理技術，主要包括單體高共模電壓精確測量、電池充放電管理、電芯狀態精確測量與計算、電池一致性評價與均衡管理，其對于電池性能的有效發揮起著關鍵作用。

2.2 電力驅動技術

現階段的農業機械所應用的電力驅動技術主要包括純電驅動和混動驅動兩類，純電動包括了電動機和電池系統，混動系統包括了發動機、變速器、電動機、電源系統。純電驅動具有更好的環保性和能源利用率，結構更為簡單，但電動機的性能往往難以達到傳統大中型農機對動力的需求；而混動系統的結構相對復雜，作業過程利用智能分配柴油機和電動機的工作方式，相對來說也具有節能環保的特點，其柴油機對于中大型農機的作業更為有利。從現階段來看，電力驅動中的電動機技術逐漸向著永磁同步、交流感應以及開關磁阻方向發展，電動機的控制技術也開始向高精度、高功率密度方向發展，電動機的性能應該會在未來的短時間內得到快速提升。

2.3 電量補充技術

現階段，針對電動農機的電量補充主要有兩種方式，一是線路充電技術，利用專用的充電槍配合充電接口進行充電，農業機械的充電功率通常在5～10 kW ，對于農業繁忙時期可能存在充電不及時影響生產的問題。二是電池更換技術，即對于電能不足的農業機械直接更換電池，具有較高的電量補充效率，但需要相對復雜的結構設計，且備用電池的購置費用、運輸費用較高。未來的電量補充技術應向著大功率、便捷化的線充或無線充電發展，以提高農機使用的便捷性。

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