電動農業機械研究現狀及發展建議

馮汝廣，牛曉碩，王夢嬌，賈天具

（聊城市農業科學院，山東聊城 252000）

0 前言

2018年農業部辦公廳、財政部辦公廳發布的《關于做好2018—2020年農機新產品購置補貼試點工作的通知》對開展植保無人機等創新農機產品補貼試點作出全面部署。2021年，農業農村部發布的《“十四五”全國農業機械化發展規劃》中明確提出加快綠色智能農機裝備和節本增效農業機械化技術推廣應用，因地制宜發展復式、高效農機和電動農機裝備。可見，電動農機裝備在將來會持續得到相關的政策支持，具有很好的發展前景，考慮到我國水電、風電、核電資源豐富，化石能源相對匱乏，發展綠色、高效、實用的電動農機裝備也符合我國基本國情。

1 發展電動農機的意義

1.1 零排放

傳統燃油農機工作時產生的硫化物、顆粒物會對環境造成嚴重污染，特別是在設施農業應用中，空氣不易流通，對身體健康會造成一定的影響。電動農機使用車載電池作為動力源，通過化學反應實現電池的充放電，可以實現零排放。

1.2 緩解能源危機

傳統燃油農機在使用過程中會消耗大量石油資源，隨著不斷消耗，能源危機將會不斷凸顯。電動農機通過充電機使用電網統一配送的電能，電能屬于二次能源，來源形式多樣，可通過風能、水能、太陽能等綠色能源轉化，減小了對化石能源的依賴。

1.3 運行成本低

電動農機較傳統燃油農機運行成本更低，不足燃油農機的50%，隨著石油價格不斷上漲以及國家實施更為嚴格的農機排放標準，使用燃油農機付出的經濟成本也越來越高。

1.4 便于實現自動化

動力部分電動化是未來農機走向自動控制的基礎，電動農機的應用對加快農機裝備作業傳感器、智能網聯終端等關鍵技術攻關，推進農機作業監測數字化進程具有極大的促進作用。

2 研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外最早的電動農機可以追溯到19世紀的美國，當時已經出現不用化石原料、用電網供電的農用拖拉機，但由于早期的技術問題，電動拖拉機及其他電動農機沒有得到更廣泛的應用[1-2]。20世紀70年代以后，電動拖拉機進入了車載電源時代[3]，美、英、日等國紛紛開展車載供電電動拖拉機的研制，一定程度上促進了電動拖拉機的發展。進入新世紀后，隨著電池、電機、電控技術的不斷發展成熟，電動農機發展迅速。

2017年2月法國的SIMA展，美國的約翰迪爾發布了世界上首款純電動拖拉機SESAM[4]，該款電動拖拉機已完成田間測試，能夠完成傳統拖拉機能夠勝任的任何工作任務。SESAM功率為260 kW，配備兩塊動力電池，可持續工作4 h或55 Km的運輸時間，充電時間 3 h，循環壽命3 100次。

2020年日本久保田公司推出了一款純電動和自動駕駛的概念拖拉機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，而是具有四個履帶的“爬行器”，可以在各種地形中實現最佳牽引力。這些履帶中的每一個都有其自己的集成電機，它們可以以不同的速度獨立地旋轉，從而獲得非常緊湊的轉彎半徑。

2.2 國內研究現狀

我國電動農機研究起步較晚，但近幾年國家出臺一系列支持政策，相關企業加大研發投入，取得了一系列的研究成果。

2.2.1電動拖拉機?！俺壨侠瓩C1號”是國內發布的首臺具有完全自主知識產權的純電動無人駕駛拖拉機產品，于2018年10月23日在洛陽下線[5]。該款機型是由河南省智能農機創新中心牽頭，中國一拖集團有限公司、中國科學院計算技術研究所等單位通過關鍵技術攻關、核心器件研制、重大裝備集成聯合打造而成，在整車電動控制、無人自主路徑規劃與跟蹤算法等方面取得了突破。

2021年10月份中國國際農機展上，山東超星智能科技有限公司的新能源無人駕駛拖拉機首發亮相[6]，其采用鋰電池供電方案，通過無級變速電機為整機驅動。同時，此款拖拉機還具備無人駕駛功能，支持無人作業、協同作業等作業場景，通過4G/5G通信技術接入網絡，通過與云端交互實現智能化作業管理和監控。

2022年，東方紅HB2204是一拖集團有限公司在學習借鑒國內外先進的CVT技術、電驅動技術基礎上開發出來的混合動力驅動的拖拉機，該機與純電動相比，具有更好的實用性和經濟性，預示著很快將進入商業化應用[7]。

2.2.2電動微耕機。2019年，湖北工業大學張強等研制了一款基于STM32單片機控制的電動微耕機[8]，平均耕幅為60 cm，耕作效率達到了0.3 hm2/h，遠超于目前市面上內燃機驅動手扶式微耕機。經計算，經濟性也優于市場上同規格汽油微耕機。

2.2.3電動播種機。2021年，黑龍江八一農墾大學匡麗紅等設計了一款電動玉米播種機[9]，該樣機以嵌入式系統工控機為控制核心，控制系統把輸入的株距、施肥量等信息通過CAN總線傳輸給電機控制器，電機控制器根據作業信息和作業速度實時調節排種電機和排肥電機轉速、播種速度和施肥量。經試驗，樣機株距合格率＞97.1%，施肥相對誤差＜3.3%，可實現一機播多種作物，減少機械調整操作。

2.2.4電動葉菜收獲機。2017年，南京農業大學許勇強設計了一種小型電動葉菜類收獲機[10]，并在田間進行了試驗，收獲機械工作時作業效率為0.1 hm2/h，漏割率為2.7%，耗電量為12.8 Kwh/hm2。

2.2.5電動韭菜收割機。2018年4月，甘肅省武山縣農機服務中心引進酒泉市林德機械制造有限公司生產的4GL-1型電動韭菜收割機，并對其進行功能性、適應性、操作性、安全性等指標進行試驗[11]。試驗結果表明，該機型能夠提高作業效率，降低人工勞動強度，能夠對不同密度、不同高度的韭菜進行收割，且入土深度可調，但是，韭菜收割后鋪放不夠整齊，不能自動完成打捆，且售價較高。

2.2.6電動植保無人機。電動植保無人機是目前應用最普遍、發展最成功的電動農機之一。近幾年，大疆、極飛等企業紛紛進入電動植保無人機行業，飛機載荷量從3 L、5 L，快速發展到2020年的20 L，2022年部分企業已推出載荷量超過50 L的電動植保無人機，由于無人機具有極高的作業效率，目前正在全面取代地面植保機械。大疆創新科技有限公司2022年11月發布的T50農業無人機，播撒作業箱內部最大載重50 kg，電池容量30 Ah，電壓52.22 V，電機功率4 kW，自帶全能變頻充電站，9～12 min即可充滿一塊電池，在大田作業環境下工作效率可達21.3 hm2/h。

3 存在的問題

電動農機在我國發展時間較短，在研究過程中發現了一些問題，一些技術性能指標也有待改進。

3.1 電池技術不夠成熟

電池能量密度有待提高，目前，市場上鋰離子電池能量密度不到200 Wh/kg，直接制約著電動農機的連續作業時間、工作效率、工作強度，增加電池組數量會影響整機各部件的總體布置和操作體驗感。電池價格偏高，鋰電池市場價格達1 000元/kW·h以上，增加了電動農機的購置成本及電池的更換成本。電池溫度適應性較差，電池工作溫度超過60℃時，直接影響電池壽命，溫度超過85℃時，會出現熱失控，嚴重時會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業鏈，隨意丟棄會造成嚴重的環境污染和資源浪費。

3.2 安全性能重視不夠

電動農機高壓電氣系統復雜、器件多、線束長、傳輸功率大、工作電壓高，特別是對于中大型農機而言，電壓達500 V以上。如果高壓安全失效，會引起高壓部件燒蝕、外殼帶電、電池著火等，直接影響操作人員安全。電動農機高壓安全是一個重要的研究課題。

3.3 評價標準不完善

電動農機目前沒有專門的評價標準與指標，國內主要參考電動汽車和傳統農機的相關要求進行評價。但是由于驅動方式與傳統農機有著本質的區別，作業對象和載荷變化規律與電動汽車區別較大，參考其他標準并不能科學、全面、準確地評價電動農機。

4 發展建議

4.1 研發高性價比動力電池

電池作為電動農機的動力源，是電動農機的“心臟”，開發并推廣高能量密度、循環壽命、良好溫度適應性和充放電特性的高性能動力電池對推動電動農機的發展起著十分重要的作用。此外，還需要完善電池產業鏈，建立專業的電池回收渠道，促進電池回收再利用。

4.2 注重高壓安全

高壓安全是開發電動農機產品時需要考慮的首要問題。在設計高壓電氣系統時，要保證足夠的電氣間隙和爬電距離，選擇響應速度快、精確度高的絕緣監測設備，科學制定電動農機控制邏輯，當存在高壓安全隱患時及時報警。根據電動農機工作電壓大小和使用環境，合理確定高壓系統、部件的防護等級，保證農機在雨雪天氣、水田作業時的安全性能。

4.3 優先發展小型農機

小型農機在傳統農機基礎上改變較少、涉及高壓部件少、功率和電壓較低、負荷較小、研發難度相對較小，但有著廣闊的市場，可走由簡單到復雜的發展路徑。電動田園管理機、電動播種機、電動蔬菜收獲機等低負荷農機設備都可作為優先發展的對象。

4.4 優先發展增程式電動農機

現有的電池技術嚴重制約著大型農機的作業強度和時間，短時間難以解決。可選擇油電混動的增程式電動農機作為由傳統農機到純電動農機的過渡，這個過渡時間既能積累研究大型電動農機的經驗，也為研究高性能電池提供時間。

4.5 完善評價標準

電動農機的健康發展離不開科學的評價標準，相關職能部門應組織專家制定電動農機評價標準，促進電動農機產業有序、快速發展，助力完成對國外農機產業的彎道超車。

4.6 加大對田間作業規律的研究

電動農機作業對象是農作物和田地，作業環境復雜，載荷變化幅度較大，載荷突變工況頻繁，對農機的過載性能和環境適應性能要求較高。加大對田間作業規律的研究，可為電動農機的設計、優化提供理論依據。

5 結語

電動農機由于其獨特的優勢，近幾年發展迅速，相關高校、科技企業紛紛加入研發行列。未來，隨著電池性能的不斷提高和對電動農機技術的深入探索，相關技術將會更加成熟，性能更加優越。對推進農機節能減排，助力實施農業碳達峰、碳中和具有十分重要的意義。