農業裝備電動化技術研究綜述

徐立友 張俊江 閆祥海 趙思夏 吳依偉 劉孟楠

(1.河南科技大學車輛與交通工程學院,洛陽 471003; 2.智能農業動力裝備全國重點實驗室,洛陽 471039;3.中國一拖集團有限公司,洛陽 471039)

0 引言

農業新業態、農業生產新模式對生態、節能、環保提出了更高的要求。以拖拉機為代表的農機動力裝備是農業生產的最主要動力來源,傳統農機動力系統消耗了大量柴油,排放廢氣產生了嚴重的大氣污染。農業裝備在溫室大棚內作業時,排放的廢氣嚴重影響工作人員和農作物的健康。設施農業、生態農業、庭院農業等特殊農業生產環境對綠色農機具動力的需求越來越迫切,高效環保農業裝備產品已成為全球農機科技創新的主攻方向。

傳統農業機械結構相對復雜,體積較大,難以適應復雜工作環境,作業中產生大量有害物質及噪聲,降低了農業裝備的環境友好性。電動農業裝備以電氣代替大量機械機構,體積較小,能夠適應復雜的工作環境,作業中對環境影響較小,駕駛員保護性高[1];由電機取代了發動機,工作噪聲小,污染少,因而農業裝備電動化是未來農業生產機械綠色化轉型升級的重要發展方向。

目前,我國的電動農業裝備仍處于萌芽階段,關于電動農業裝備的研究主要停留在理論研究階段,隨著電力電子、能量儲存等技術的發展,動力裝備電動化已率先在新能源汽車領域取得成功,我國在電動化方向擁有完備的產業基礎,發展電動農業裝備具有先發優勢。

本文綜述國內外農業裝備電動化技術發展現狀及電動農業裝備發展瓶頸與趨勢,結合農業裝備作業環境特點,闡述現有國內外電動拖拉機、電動微耕機、電動移栽機、電動果園作業機、電動播種機等農業裝備的研究現狀,進行電動化農業裝備與傳統農業裝備性能對比。針對不同農業裝備的農藝特點和電動化關鍵部件特性,分析不同電動農業裝備發展瓶頸與趨勢,以期為我國電動農業裝備的發展提供借鑒。

1 農業裝備電動化研究現狀

1.1 電動農業裝備關鍵部件及軟件平臺分析

1.1.1電池

電池技術是農業裝備電動化技術的核心之一。其發展進程極大影響電動農業裝備的產業化。目前,常用的電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池。鉛酸電池是一種傳統的電池類型,具有過壓容忍值較高、自放電速率低、價格低、穩態的工作狀況良好,并且維護成本相對較低[2]等優點。但鉛酸電池能量密度較低、循環壽命較短,含有大量重金屬鉛,環境友好性差[3]。

鎳氫電池具有容量高、功率大和安全性能好等優點。相對于鉛酸電池,氫鎳電池比能量和比功率均提高了數倍,對環境的污染較小。但也存在低溫容量下降、自放電率增加、價格相對較高[4-5]的缺陷。

鋰電池是目前應用最為廣泛的電池之一。與鉛酸電池和氫鎳電池相比,鋰電池具有更高的單體電池工作電壓,電池組對單體一致性要求較低,提高了使用壽命;鋰離子電池無記憶效應,電壓范圍寬、壽命長、環保,充放電對電池的容量影響較小。但其成本仍相對較高[6-7]。

農業裝備通常需要良好的動力響應、長使用壽命、低維護成本和環保,鋰電池在電動農業裝備領域更具優勢;電動農業裝備需要具備較高的機動性和靈活性,鋰電池具有體積小、重量輕的優點,可更好地適應農業生產的需要[7]。盡管鋰電池優勢明顯,但電動農業裝備工作環境惡劣、工況復雜多變,亟待開發高能量密度和高安全性的電池。

1.1.2電機

電機是農業裝備電動化技術的核心部件之一。常見的電機有直流電機、開關磁阻電機、交流電機和永磁同步電機。直流電機作為農業裝備電動化技術發展歷程中最早應用的電機類型之一,具有結構簡單、控制方便、轉速范圍廣、技術成熟和生產成本低等優點。但直流電機可靠性低、設備維護困難[8]。隨著電機技術的不斷發展,直流電機正在逐漸被其他更加先進的電機所取代。

開關磁阻電機具有結構簡單、成本較低、可靠性高等優點,轉子上沒有繞組,在高速運轉的場合表現良好。但該電機定子和轉子均為雙凸極結構,磁鏈與轉矩對轉子位置角和相電流之間呈現強烈的非線性關系,導致電機的轉矩脈動較大,同時也會引起電機振動和噪聲等問題[9-10]。

交流電機由于其成本低廉、結構簡單以及維護保養較為便利等優點,受到越來越多的關注。同時,借助先進的拓撲設計和精準的控制策略,現代交流電機已能夠達到與直流電機相當甚至更好的性能。但交流電機也存在電控系統復雜、起動轉矩較小等缺點[11]。

永磁同步電機采用永磁體勵磁,具有功率密度高、響應速度快、能耗低、調速性能好和效率高等優點。但存在磁場質量要求較高,易受短路故障影響等問題[12-13]。

農用電機需具備高能效、快速響應、輕量化、易維護、魯棒性強等特點,永磁同步電機在這些方面具有較明顯的優勢。這些特點使得其能夠滿足電動農業裝備驅動系統對可靠性和穩定性的需求。然而,農業專用電機仍然缺乏,需要進一步開發適合農業裝備特點的低速大扭矩電機。

1.1.3軟件平臺

農業電動化是當前農業技術發展的趨勢,而軟件平臺則是在這個過程中不可或缺的工具之一。目前,廣泛應用于農業裝備的仿真軟件平臺主要有Matlab/Simulink、ADVISOR、AVL CRUISE、ModeFRONTIER等。

Matlab/Simulink是進行物理系統仿真的通用平臺,根據仿真對象的數學模型搭建模塊化的仿真模型,適用范圍較廣。但存在建模過程繁瑣,工作量大的缺點,適合對部件或控制策略進行仿真。商高高等[14]利用Matlab/Simulink建立了履帶式電動拖拉機的驅動系統仿真模型,進行了牽引性能仿真分析。

ADVISOR是在Simulink環境下開發的半開源型整機仿真軟件,包含的相關子模塊之間通過Workpace實現數據動態交互。但該軟件在2004年后更新緩慢,新型仿真技術和功能不足,難以對各子模塊之間的通訊關系直接定義,無法用于控制器硬件在環測試。王成繼[15]利用ADVISOR 和Simulink仿真軟件對燃料電池拖拉機開展了仿真工況二次開發和建模仿真。

AVL CRUISE是目前車輛研發領域常用的整機仿真軟件,具有多種仿真功能和數據流模式,開發過程較簡單,軟件更新速率較快,仿真精度較高。但存在部件二次開發困難的缺點。劉孟楠等[16]基于AVL CRUISE開發了增程式電動拖拉機整機仿真模型,進行了牽引性能仿真,評估了仿真結果的可信度,開發了增程式電動拖拉機旋耕機組仿真模型。

ModeFRONTIER主要用于車輛多目標優化,應用較為廣泛。趙思夏等[17]對電動拖拉機的動力電池布置進行了優化并基于ModeFRONTIER仿真平臺對電動拖拉機牽引機組性能仿真分析,驗證了分置式電動拖拉機底盤方案的有效性。

1.2 電動拖拉機

1.2.1電動拖拉機發展現狀

針對傳統拖拉機污染高、效率低、噪聲大等問題,國內外的高校和企業對電動拖拉機開展了一系列的研究[18-26]。最早的電動拖拉機可以追溯到20世紀初,電動拖拉機的發展歷程可以劃分為3個階段[27]。

20世紀70年代以前是電動拖拉機的早期發展階段。最早的電動拖拉機是由德國Siemens公司于1912年生產的用于旋耕作業的36.8 kW電動拖拉機(圖1a),依靠電纜供電,工作范圍受到電纜長度的限制,采用輪式結構,此后Siemens公司又推出了二代2.9 kW的電動拖拉機(圖1b),采用手扶式結構,用于割草、播種等輕負荷作業[28]。哈爾濱松江拖拉機廠于1960年成功試制了我國首臺電動拖拉機——電牛28,其擁有28 kW電機功率和1 100 V的額定電壓,不具備PTO輸出功能;該廠同年研制出輪式電牛33和履帶式電牛55兩款電動拖拉機,電纜長度達到450 m以上[29]。

圖1 早期電動拖拉機

20世紀70年代至21世紀初是電動拖拉機的中期發展階段。美國通用電氣公司(GE)于20世紀70年代設計了Elec-Trak系列電動拖拉機(圖2a),該系列拖拉機由永磁直流無刷電機驅動并配備了6組鉛酸電池,采用繼電器和電阻器組成控制器[30]。美國 Gorilla Vehicles 公司于20世紀90年代設計的e-ATV系列電動拖拉機(圖2b),具有3或4個密封鉛酸電池,額定功率范圍4.8～6.2 kW,可實現無級變速,最高行駛速度可達 27～30 km/h,單次充電續航里程為48～56 km[31]。

圖2 中期電動拖拉機

21世紀初至今電動拖拉機高速發展。紐荷蘭推出了NH2氫燃料電池拖拉機,可驅動一臺78 kW的電動機型(圖3a),為全世界第一輛以氫燃料電池為動力的拖拉機[32]。2020年,國家農機裝備創新中心牽頭發起、清華大學天津高端裝備研究院與河南洛陽先進制造產業研發基地聯合研制了氫燃料電動拖拉機ET504-H(圖3b),是中國首臺基于5G、以氫燃料電池為動力的無人駕駛電動拖拉機[33]。

圖3 當前階段電動拖拉機

綜上所述,早期發展階段的電動拖拉機主要靠電軌的方式提供能源,作業范圍較小,并且結構較為簡單,大多采用手扶式結構。中期發展階段的電動拖拉機采用車載電池供電,實用性得到提升;由于功率較小,只適用于負荷較低的作業工況。當前階段主要通過混合動力技術提高電動拖拉機的動力性和續航能力以適應負荷率較大的工況。同時,智能網聯、智能駕駛等技術的深入研究,推動電動拖拉機向智能化方向發展[27]。

1.2.2控制技術發展現狀

針對電動拖拉機作業環境復雜,對適應性、穩定性以及續航能力要求高等問題,國內外專家學者通過對控制技術進行研究,來滿足電動拖拉機作業要求。

(1)能量管理

能量管理策略對電動拖拉機的性能具有重要影響,對純電拖拉機而言,通過對蓄電池充放電過程有效控制,使動力系統滿足不同工況下拖拉機的功率需求,極大地提高了電池的使用壽命。對于混合動力拖拉機,由于具備至少兩個動力源,需要通過合理的能量管理策略實現不同動力源之間的功率分配,提高拖拉機的動力性與經濟性。

工況復雜的拖拉機,其能量管理策略要求更高,已知相關的研究文獻較少[27]。李同輝等[34]針對雙電機多模動力耦合驅動系統,提出了一種基于隨機動態規劃+極值搜索算法的實時自適應能量管理策略,有效地提高了純電動拖拉機的續航能力。張俊江等[35]針對并聯式柴電混合動力拖拉機,提出了基于龐特里亞金極小值原理的能量管理策略,有效降低了拖拉機的等效燃油消耗量。XU等[36]針對增程式電動拖拉機動力電池能量利用不充分的問題,提出了一種以預估耕作面積為控制變量的增程式電動拖拉機荷電狀態閾值調整能量管理策略,提高了動力電池的能量利用效率,降低了燃油消耗。SUN等[37]針對傳統拖拉機排放高、純電動拖拉機續航能力不足等問題,開發了一種以燃料電池為主要能源,動力電池為輔助能源的新型拖拉機動力總成系統模型,提出了一種基于規則的能量管理策略,有效降低燃料電池的性能衰退,提高電動拖拉機的續航能力。WANG等[38]提出了一種雙電機電動拖拉機協同優化能量管理策略,提升了拖拉機在不同工況下的工作效率和平穩性。JIA等[39]設計了一種串聯混合動力電動拖拉機模型,針對拖拉機工況較為復雜的問題,提出了兩種基于基準規則的電源管理策略,即恒溫器和功率跟隨控制,有效降低了氮氧化物和一氧化碳的排放。竇海石等[40]利用圖論原理設計出滿足全功率范圍作業需求的兩種動力系統耦合分流構型,提出了基于馬爾科夫決策的能量管理策略,提高了拖拉機的燃油經濟性。ZHANG等[41]針對配備無級變速器(CVT)的混合動力拖拉機,提出了一種基于動態規劃的全局最優能量管理策略,有效地提高了拖拉機的燃油經濟性。

(2)驅動系統控制

驅動系統控制通過對電機、PTO電機、變速器的工作狀態進行控制,使電動拖拉機在不同工況下保持良好的作業性能[27]。

LIU等[42]為了提高電動拖拉機電機的轉換效率,提出了一種基于粒子群算法的負載轉矩控制策略。YU等[43]針對單電機拖拉機在不同耕作方式下動力性較差、作業效果不佳等問題,利用粒子群優化算法和模糊控制規則,提出了一種電動拖拉機扭矩分配策略,有效提高了拖拉機動力性和電池放電的平穩性。MELO等[44]設計了一種基于PI的電動拖拉機滑轉控制策略,提高了電動拖拉機的牽引效率和穩定性,減少了能量消耗。CHEN等[45]提出了一種基于轉速雙閉環PID和電流內環PWM的驅動電機控制策略,驗證了電動拖拉機電機驅動控制系統的有效性。SUNUSI等[46]針對拖拉機驅動輪滑轉率過大引起驅動力下降的問題,提出了一種驅動輪滑轉估計及控制方法,通過仿真和試驗驗證了有效性。ZHANG等[47]針對輪式拖拉機牽引能效低、耕作時車輪滑移較大等問題,結合行駛速度和滑移率,提出了一種基于主動轉矩分布的聯合控制方法,并將其應用于電動拖拉機,有效地提高了拖拉機的穩定性和經濟性。

綜上所述,在電動拖拉機能量管理方面,對混合動力拖拉機能量管理的研究較多。主要是通過分配蓄電池組與輔助能源之間的功率來提高拖拉機的動力性和經濟性,但大部分研究都沒有考慮到整機控制架構,缺少在整機控制中實現方法的研究。在電動拖拉機驅動系統控制方面,大部分集中在對驅動電機效率優化、差速與轉矩分配等的研究,缺少對傳動系統控制的研究,控制方法主要是根據具體工況和載荷特點對電機轉矩進行控制。

1.3 電動微耕機

國外對微耕機的研究起步較早,技術相對成熟,一般采用1.5～6.0 kW的汽油機、柴油機或電機作為動力源,可以連接多種機具以完成不同作業[48]。20世紀60年代以前,國外研發的電動微耕機均采用電網供電,隨后采用蓄電池供電的電動微耕機陸續出現。

1941年,瑞士Grunder公司研制了一臺電動耕地拖拉機(圖4a),該拖拉機是由Boveri電機驅動,可以更換農具實現多種作業,如將旋耕機換成鏵式犁等[49]。1945年,德國Bungartz公司研發了一款配有變速箱的電動微耕機(圖4b),微耕機運行時有兩種速度,分別是1.3 km/h和5 km/h[50]。20世紀60年代后期,電動農業裝備均通過電纜進行供電,限制了作業范圍,增加了電力損耗[50]。受使用場景及成本的限制,該類農業裝備應用較少。20世紀70年代,美國GE公司研制了一款鉛酸蓄電池供電的6 kW 永磁無刷電機微耕機,主要用于修剪草坪,也可通過更換農具滿足不同的作業要求。1995年,意大利農業機械研究所研制了一臺以蓄電池為供能裝置的電動微耕機(圖4c),該機采用直流電機驅動,兩組12 V的蓄電池進行供電,續航時間最長可達90 min[49]。日本的IKOMA等[51]提出了一種具有獨立驅動輪的電動微耕機(圖4d),每個驅動輪和耕作部件由一個獨立的電機驅動,解決了傳統微耕機很難在一條直線上耕作的問題。

圖4 國外電動微耕機

從國外電動微耕機的發展歷程可以看出,電動微耕機與電動拖拉機取電方式基本相同,都是通過公用電網供電或蓄電池供電,其整體結構是根據傳統燃油微耕機改造而來,將動力系統的燃油機替換為公用電網供電或蓄電池供電,減少排放,降低了噪聲與振動。

針對國內設施農業機械化水平較低,棚內作業仍以人力為主,勞動強度大,工作環境差,已有的設施農業機械普遍是以燃油機作為動力,對設施環境造成嚴重污染等問題,我國研究人員開展了一系列以電機為動力源的微耕機研究(圖5a)。李達等[52]設計了一款小型電動微耕機,其動力系統功率為2.2 kW,體積小,重量輕,便于轉向和移動,但其轉速較低,需要安裝松土鏟才能完成正常作業。高輝松等[53]研發了一套溫室大棚用供取電系統,設計了電動微耕機的結構形式及傳動參數(圖5b),對電機及變頻調速系統進行了試驗,結果表明所研制電動微耕機安全性能等指標符合相關標準規定,且具有低噪聲、零污染的特點。劉學林等[54]設計了一款適用于溫室作業的基于輪轂電機的電動微耕機(圖5c),通過輪轂電機直接驅動輪胎或旋耕刀,省去中間傳動裝置(減速器、行走箱等),傳動效率高,整體結構簡化。趙潤華等[55]研制了一種電動微耕機(圖5d),該機器能夠實現快、慢兩擋換擋工作,適于不同硬度的土地,設有轉向離合器,能夠實現微耕機輕松轉向,操作方便。黃偉玲等[56]設計了一種電動微耕機,該機通過控制變頻電機,克服起動困難、速度調整不方便等缺點,有效提高了生產率,具有使用壽命長、制造成本低以及節能環保等特點。HUANG等[57]針對傳統微耕機振動較大的問題,開發了一種鋰電池供電的無刷直流電機驅動微耕機,對機架結構進行了優化設計,提高了電動微耕機的操縱舒適性。NIU等[58]研制了一種采用鋰電池供電的直流無刷電機驅動微型舵柄,具有慢速、中速和快速3個擋位。LIN等[59]針對傳統微耕機安全性較差的問題,設計了一種適用于復雜溫室環境的超寬帶電動微耕機定位系統,有效提高了電動微耕機定位系統的穩定性,減小了定位誤差,實現了微耕機無人化。

傳統微耕機一般用內燃機作為動力源,在空間密閉的溫室大棚工作過程中排放大量廢氣,影響駕駛員的身體健康。電動微耕機采用電機驅動,振動小、噪聲低,使用電機作為動力源具有無污染、零排放、能源利用率高等優點。傳統微耕機與電動微耕機性能對比如表1所示。

表1 傳統微耕機與電動微耕機對比

綜上所述,微耕機電動化是研究的前沿熱點和行業發展趨勢。電動微耕機可應用于溫室大棚、果園等環保性要求較高及充電方便的場所,還適合于輕負荷作業的丘陵、山地地區。

1.4 電動移栽機

電動移栽機使用電機作為動力源,相較于傳統燃油動力,具有更低的能耗和環保特性,符合現代社會對于節能減排、環保和可持續發展的要求。發展電動移栽機在提高農業生產效率、保護環境等方面具有重要意義。

JIN等[60]設計了番茄盆栽幼苗自動移栽機(圖6a),采用分析圖解法研究了番茄盆栽苗成功采摘的受力條件,并結合番茄幼苗的物理特性參數確定了該機器的關鍵參數,提高了移栽時的摘苗率,同時降低了移栽時的漏苗率。RAHUL等[61]設計了一種二自由度并聯機械臂蔬菜紙盆苗移栽機(圖6b),平均移植時間為2.25 s,峰值功耗為20.47 W,有效減小了功率消耗。WEN等[62]設計了一種牽引式雙排全自動移栽機(圖6c),詳細設計了觸摸屏-可編程控制器(TS-PLC)控制系統、配電系統、氣動系統和機械傳動系統,經過旱地的測試表明,當種植頻率為80株/(min·行)時,插秧合格率為92.08%,漏栽率為3.61%,補種率為2.92%,倒伏率為0.42%,埋苗率為0.28%,露塞率為0.42%,傷苗率為0.28%。KHADATKAR等[63]設計了插拔秧苗機器人插秧機(圖6d),包括3個系統:機器人啟動、采苗機制(SPM)、車輛移動系統(VMS),經初步試驗結果表明,30日齡辣椒苗成活率為95.1%,漏苗率為7.6%,插秧成功率為90.3%。

圖6 電動移栽機相關研究成果

相較于燃油動力移栽機,電動移栽機有以下優點:①環保節能:電動移栽機無廢氣排放,能夠有效保護環境和駕駛員健康,能量利用率高。②維護成本低:電動移栽機不需要更換機油和空氣濾網等易損件,維護成本較低,而且電機的使用壽命長,減少了更換和維修的頻率。③易于操控:與燃油動力移栽機相比,電動移栽機通常采用簡單直觀的操縱系統,上手操作簡單,學習成本低。④運行平穩:電動移栽機的電機運行平穩,無需擔心馬達熄火的情況出現。⑤適應性強:電動移栽機可根據作業環境和作業需求進行定制,具有很好的適應性。

電機代替燃油動力移栽機的缺點:①電池容量和續航里程限制了電動移栽機的使用時間。②充電時間和充電設施的建設不完善,影響了電動移栽機的使用效率。③電動移栽機造價相對較高,且維護電氣系統的要求更高。④重量分布和平衡需要重新設計,以確保移栽機在工作時穩定性和安全性。

傳統移栽機與電動移栽機對比如表2所示。

表2 傳統移栽機與電動移栽機對比

綜上所述,傳統的手動或機械式移栽機在作業過程中需要大量人工操作,并且精度較低,容易造成植物受損或死亡。電動移栽機具備更高的自主性和精度控制能力,可以通過配置不同的傳感器和工具適應不同的植物種類、環境條件和作業需求,實現全自動化操作。

1.5 電動果園作業機

針對丘陵山地地貌坡度陡峭、山路曲折迂回、彎曲處密集等特點,丘陵山地中單戶種植規模小、集中管理困難、引進機械裝備經濟成本較高、收益較慢、較成熟的果園作業機械裝備對丘陵山區適應性差、果園種植農藝較落后、不利于機械的進入等問題,國內外的學者對丘陵山地果園中的電動作業機械進行了研究。

果園植保機械動力來源多為柴油或汽油,作業危險系數較高,維護成本較高。張健等[64]設計了電動遙控履帶式噴藥車(圖7a),試驗結果表明所設計的電動履帶式噴藥車可完成30°斜坡爬坡,與傳統差速轉向履帶式車相比較,電動履帶式噴藥車速度控制更精準,遙控作業更靈活,具有較高的實用性和推廣價值。榮喃喃等[65]針對作業危險系數較高的噴藥作業研制了一款微型自走式電動果園彌霧機(圖7b),采用后橋電驅動系統,搭載風送式二次彌霧系統,利用遠程遙控技術,無需果農進入園地,即可完成藥物噴灑作業,整機傳動效率達85%。TRONCON等[66]對果園專業農用混合動力傳動系統部件性能進行了分析,考慮尺寸約束和過載能力等要求,對電機進行了優化設計,設計的混合動力傳動系統尺寸更小,生產成本更低(圖7c)。易遠飛等[67]針對山地果園復雜的作業環境,設計一種輕簡電動履帶運輸車(圖7d),具有遙控和手動控制兩種控制方式,能夠原地差速轉向,越障能力強,滿足山地果園的運輸要求。劉岳等[68]設計了一種采用電機為動力源的蝸輪蝸桿雙路傳動鏈傳動系統(圖7e),通過設計的實驗平臺驗證了可行性,該系統機械效率高,為山地果園蓄電池驅動的單軌運輸機的研究提供了參考。劉麗星等[69]針對丘陵地區果品采摘、果樹修剪等作業效率低的問題,研發了一種集采摘、運輸、修剪于一體的小型果園電動作業平臺(圖7f),結構簡單、操作方便,該平臺性能穩定,續航能力強,可在0°～10°坡地果園進行高空農事作業,滿足果園作業農藝要求。

圖7 電動果園作業機相關研究成果

電動果園作業機一般采用電機驅動,由電氣代替大量的機械傳動,機械傳動系統相對簡單,能夠縮小果園作業機的尺寸,電機工作過程消耗電能,工作過程中噪聲相對較小,幾乎不會釋放污染物。但受到電池等技術的限制,電動果園作業機的續航相對較短。而傳統果園作業機一般有離合器、變速機構、差速器等機構,相對復雜,由發動機驅動,發動機在工作的過程中會排放大量的一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化合物和顆粒狀物質,在空間密閉的溫室大棚或生長茂密不透風的果園中,進行藥物噴灑或樹木修剪等作業,缺少遠程控制駕駛的功能,作業危險系數較高,維護成本較高。具體對比情況如表3所示。

表3 傳統果園作業機與電動果園作業機對比

綜上所述,目前國內針對山地電動果園作業機械主要包括剪枝機、運輸機、施肥機、彌霧機等機械,電動果園作業機相對于傳統果園作業機的優勢明顯,體型小、污染小、噪聲低,更適合于丘陵山地作業,但我國的地貌廣泛,土壤的特性也各有差別,缺少適用于具體地貌、具體地區、具體作業需求的專用電動果園作業機,因此需要針對不同地區、不同丘陵山地地貌,不同作業需求,研發適合的電動果園作業機。

1.6 電動播種機

傳統播種機普遍采用燃油發動機作為動力,使用過程中會產生大量的有害氣體,存在播種速度慢、作業質量不穩定、播種過程監控難等問題[70]。電動播種機具有播種精度高、種子損傷率較低和環保節能等優勢,國內外對電動播種機的研發已經取得了較多成果。

2016年,矢崎公司生產的SYV-M系列電動播種機(圖8a),電機驅動,沒有污染廢氣排放,播種作業更加省力[71]。SUN等[72]設計了一種2BDE-2型電動播種機(圖8b),該機可一次性完成開溝、精少量排種、覆土和鎮壓等播種作業,可解決谷子在丘陵和山區栽培難、工作量大等問題。JIN等[73]設計了小型蔬菜種子電動播種機,使用纖維傳感器技術監測播種情況,提升了播種精度。曹慧鵬[74]研制一款2ZBF-2型自走式電動小型播種機(圖8c),通過升級為電動自走播種機,減少環境污染,更適宜丘陵的播種作業。2019年在中國國際農機展上北京德邦大為科技股份有限公司發布的電驅云技術高性能免耕精量播種機(圖8d),是國內首臺集成FOC(矢量控制)電驅精量免耕播種施肥、作業信息感知傳感、播種智能監測以及末端控制于一體的電驅智能精量播種機[75]。電動播種機相關研究成果如圖8所示。

圖8 電動播種機相關研究成果

與傳統播種機相比,電動播種機具有噪聲小、播種精度高、操作簡單、維護方便等優點,但仍存在續航時間短、受天氣影響較大等缺點。傳統播種機與電動播種機對比如表4所示。

表4 傳統播種機與電動播種機對比

綜上所述,目前國內外正向電動播種機方向過渡。電動播種機體積小,以電作為能源且控制精度較高,可滿足于丘陵、溫室大棚等應用場景。

2 電動農業裝備發展瓶頸

電動車輛在傳統燃油車輛產業鏈的基礎上,在上游增加了電池、電機、電控系統等部件,在下游增加了充電設施、電池回收等產業。近年來,隨著國家政策的支持和各項關鍵技術的突破,電動車輛產業迎來了快速發展。目前,電池的使用壽命、安全性和續航能力是電動車輛行業急需解決的重要難題,充電基礎設施不完善的問題也影響了電動車輛的推廣[76]。

與乘用車及其他商用車輛不同,大部分農業裝備的使用時間較為集中,為了滿足農業生產的作業環境、作業時間和農藝的要求,農業裝備往往需要具備優越的適應性、可靠性和續航能力等性能[77]。

(1)適應性

與傳統農業裝備不同,電動農業裝備均采用蓄電池作為整機關鍵部件,雖然在效率方面有較大提升,但是蓄電池在高溫、嚴寒等極端環境下適應性較差,極端的溫度不僅會嚴重影響其性能,甚至還可能引發安全問題。

(2)可靠性

農業生產條件較為惡劣,電動農業裝備結構較為復雜,因此對控制系統的要求較高。目前電動農業裝備仍處于起步階段,樣機未經市場化檢驗,亟待攻克可靠性關鍵技術。

(3)續航能力

受制于電池技術的影響,無論是在能量密度還是在充電速度方面,目前的蓄電池都難以獨立滿足高負荷率工況的作業要求,因此純電動系統僅用于輕負荷作業,尚無法用于中、重負荷作業。

(4)充電基礎設施

大部分農業裝備的使用頻率較低且使用時間較為集中,農業生產的主要地區往往是在鄉村等交通不便的地區,因此充電基礎設施普及難度較大,同時充電設施的維護也是一大難題。

3 展望

(1)改進電池技術

電池是制約電動農業裝備發展的核心組件,通過研發新型電池材料,改進電池的內部結構和離子傳輸路徑,優化電極材料和電解質的組合和導電性能,可有效提高能量密度和加快充電速度;引入電池管理系統進行實時監測和控制,提高電池的安全性和使用壽命。

(2)提高智能化和自動化水平

農業作業環境復雜多變,對電動作業裝備的智能化和自動化提出更高要求,利用傳感器和數據分析技術,實現農田作物的精準測量;采用自動駕駛技術,實現農田作業的自主導航和智能路徑規劃。

(3)提升電動農業裝備的可靠性

通過設計合理的電路和系統布局,對設備或系統進行監測、分析和判斷,識別設備或系統中存在的故障原因和位置,進行可靠性測試和驗證,突破電磁兼容技術、故障診斷技術、試驗驗證技術,可以有效減少故障發生的概率,提高農業裝備的穩定性。

(4)提升節能效果

優化裝備的結構和布局,采用高強度輕質材料,減輕裝備的整體重量,降低能源消耗;采用瞬時優化、動態規劃等能量管理策略提升電動農業裝備的能量轉化效率,可有效提升裝備節能效果和減少環境污染,提高裝備的環境友好性。

(5)加大農村充電基礎設施建設

建立電動農業裝備充電基礎設施需要綜合考慮充電站建設、太陽能充電系統、智能充電管理系統、政策支持和資金投入等因素。通過政府引導和多方合作,可以逐步建立農村充電基礎設施,促進電動農業裝備的可持續發展和推廣應用。