农业机械的新能源化发展情况与关键技术研发方向

刘玉琴

(同心县农业机械化推广服务中心，宁夏 同心 751300)

0 引言

随着我国社会的不断发展进步，人们在生活水平不断提升的同时，对于生产生活中的绿色、低碳、环保的要求越来越高，生产生活过程中应用的很多机械产品都呈现出了节能环保的特点。根据我国2016年提出的《农机装备发展行动方案(2016—2025)》，要求农业机械的新能源化发展是农机产品发展的主要方向之一。而现阶段以柴油机为主要动力的农业机械在生产中不仅存在着排气污染和能源浪费的问题，而且其结构复杂使用成本较高，作业过程中容易出现故障问题和安全问题。随着农机技术的进一步提高，以新能源为动力的农业机械将会得到更大力度的政策扶持，以电力为主的新能源技术在农业机械上的应用会进一步降低农业机械的能源成本负担，其将与柴油机农机结合完成更多的农业生产任务。

1 农业机械的新能源化发展情况

1.1 新能源农机技术研究现状

得益于我国机械电子技术和电池技术的发展，电动技术已经开始在各个行业中进行应用，尤其是永磁电机和异步交流电机等先进电机技术逐步在农业机械方面进行应用，使电动农机替代传统的燃料农机变得更为容易。新能源农机的特点就是利用清洁能源替代传统的化石能源，现阶段新能源的重点研究对象就是电能的利用，此外新能源还包括氢燃料能源、酒精燃料能源和核能源等。从农业机械作业的角度来讲，现阶段最直接可利用的新能源即为电能，其应用包括了纯电动农机和混动农机两大类。目前从农业机械的应用场合来看，以插电电动机械技术替代传统的柴油机技术是新能源农机发展的主要方向，同时移动式可充电电池技术也是新能源农机研发的关键技术。

总体来说，我国农业机械的新能源技术研究起步较晚，前期的很多技术应用和研究重点在于小微农机，例如背负式电动喷雾机、手扶式电动撒肥机、农用电动微耕机等。到20世纪末期，我国的电动农机技术研究开始向传统大田农机衍生，直到21世纪初期，农业机械的自动化和智能化得到了快速发展，我国的新能源农机使用率也得到了快速的发展。例如2009年华南农业大学的农机团队在传统的水稻插秧机技术基础上研制了电动水稻插秧机，并针对电动机特点对插秧机的功率分配和参数进行了优化；2012年衢州学院与浙江工业大学等多家科研机构合作研制了电动油菜割晒机，使电动机在农业机械上的应用和控制优化得到了显著提升；2018年，由河南省智能农机创新中心为主要研发单位，中国一拖、中国科学院计算技术研究所等多家单位联合研制的新型拖拉机—超级拖拉机1号(图1)是一款具有超前设计理念的中马力拖拉机，标志着拖拉机技术在整车电动控制、跟踪算法与无人自主路径规划等方面取得了突破。

图1 基于纯电动技术的超级拖拉机1号

1.2 新能源农机技术的应用方式

现阶段，我国新能源农机的应用主要以电动机为主。其应用的形式包括以下两类：

一是固定式农机具的应用，主要是应用在农产品加工机械、谷物烘干机械、排灌机械等方面，其特点是机具在某一位置固定不动，电能的利用方式是以电源线连接电动机进行作业，这也是现阶段应用时间最长，技术最成熟的新能源农机作业方式，具有结构简单、功能可靠、使用成本低的优点，现阶段的固定式新能源农机技术逐渐向着智慧大棚方向发展，智慧大棚不仅具备多种电动机用以控制棚顶开闭、自动喷淋、自动喷药等功能，还能充分利用清洁的太阳能、风能调节大棚的内部环境，利用最小的资源消耗量实现大棚生产的全部需求。

二是在移动式机具上的应用，采用可移动电池配套电动机的作业形式，现阶段的应用以小功率农机为主，例如替代传统人工动力的电力机械，如小型喷雾机、果树修剪机等，也有部分大田作业的移动式农机，如电动拖拉机等，只是电动机在农业机械上的应用目前还受到动力性能的限制，大多数移动电池配套的电动机功率仅在10～15 kW左右，一方面仅能替代传统的小马力农机，另一方面电源的作业时间有限，因此目前移动式电动农机的实际应用范围仍不大。

2 新能源农机的关键技术研发方向

2.1 动力电源技术

动力电源技术是新能源农业机械替代传统农机作业的关键技术，现阶段来看农业机械的动力电源技术与新能源汽车的动力电源技术相类似，主要都是解决以较小的体积实现长续航的要求，并使电池具备较长的使用寿命。现阶段，可供农业机械使用的动力电源技术包括镍氢电池技术、锂离子电池等。其技术的先进性受到以下三方面的影响：一是储能材料的性能，现阶段应用于电池行业的储能材料有很多，例如高电压镍锰酸锂、磷酸铁锂等正极材料和石墨、硅碳、钛酸锂等负极材料，从目前的技术来看，只能实现约400 Wh·kg-1的单体能量密度，未来应通过技术的提升使储能材料的性能逐渐提高到500～800 Wh·kg-1，并将锂离子、镁离子等先进技术逐步引入农业机械领域。二是电芯成组技术，从现阶段来看我国的电芯成组技术与国际水平存在一定差距，由于生产中对原料、工艺过程和环境管控能力不足，导致国内优秀锂电池容差比国际先进水平大约低一个数量级，导致电池技术存在一定的落后问题。三是电池能量管理技术，主要包括单体高共模电压精确测量、电池充放电管理、电芯状态精确测量与计算、电池一致性评价与均衡管理，其对于电池性能的有效发挥起着关键作用。

2.2 电力驱动技术

现阶段的农业机械所应用的电力驱动技术主要包括纯电驱动和混动驱动两类，纯电动包括了电动机和电池系统，混动系统包括了发动机、变速器、电动机、电源系统。纯电驱动具有更好的环保性和能源利用率，结构更为简单，但电动机的性能往往难以达到传统大中型农机对动力的需求；而混动系统的结构相对复杂，作业过程利用智能分配柴油机和电动机的工作方式，相对来说也具有节能环保的特点，其柴油机对于中大型农机的作业更为有利。从现阶段来看，电力驱动中的电动机技术逐渐向着永磁同步、交流感应以及开关磁阻方向发展，电动机的控制技术也开始向高精度、高功率密度方向发展，电动机的性能应该会在未来的短时间内得到快速提升。

2.3 电量补充技术

现阶段，针对电动农机的电量补充主要有两种方式，一是线路充电技术，利用专用的充电枪配合充电接口进行充电，农业机械的充电功率通常在5～10 kW ，对于农业繁忙时期可能存在充电不及时影响生产的问题。二是电池更换技术，即对于电能不足的农业机械直接更换电池，具有较高的电量补充效率，但需要相对复杂的结构设计，且备用电池的购置费用、运输费用较高。未来的电量补充技术应向着大功率、便捷化的线充或无线充电发展，以提高农机使用的便捷性。

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