劉玉琴

(同心縣農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣服務(wù)中心，寧夏 同心 751300)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，人們?cè)谏钏讲粩嗵嵘耐瑫r(shí)，對(duì)于生產(chǎn)生活中的綠色、低碳、環(huán)保的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)生活過(guò)程中應(yīng)用的很多機(jī)械產(chǎn)品都呈現(xiàn)出了節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。根據(jù)我國(guó)2016年提出的《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案(2016—2025)》，要求農(nóng)業(yè)機(jī)械的新能源化發(fā)展是農(nóng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的主要方向之一。而現(xiàn)階段以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ霓r(nóng)業(yè)機(jī)械在生產(chǎn)中不僅存在著排氣污染和能源浪費(fèi)的問(wèn)題，而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用成本較高，作業(yè)過(guò)程中容易出現(xiàn)故障問(wèn)題和安全問(wèn)題。隨著農(nóng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步提高，以新能源為動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械將會(huì)得到更大力度的政策扶持，以電力為主的新能源技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的能源成本負(fù)擔(dān)，其將與柴油機(jī)農(nóng)機(jī)結(jié)合完成更多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械的新能源化發(fā)展情況

1.1 新能源農(nóng)機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀

得益于我國(guó)機(jī)械電子技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在各個(gè)行業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，尤其是永磁電機(jī)和異步交流電機(jī)等先進(jìn)電機(jī)技術(shù)逐步在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面進(jìn)行應(yīng)用，使電動(dòng)農(nóng)機(jī)替代傳統(tǒng)的燃料農(nóng)機(jī)變得更為容易。新能源農(nóng)機(jī)的特點(diǎn)就是利用清潔能源替代傳統(tǒng)的化石能源，現(xiàn)階段新能源的重點(diǎn)研究對(duì)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(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的角度來(lái)講，現(xiàn)階段最直接可利用的新能源即為電能，其應(yīng)用包括了純電動(dòng)農(nóng)機(jī)和混動(dòng)農(nóng)機(jī)兩大類(lèi)。目前從農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)看，以插電電動(dòng)機(jī)械技術(shù)替代傳統(tǒng)的柴油機(jī)技術(shù)是新能源農(nóng)機(jī)發(fā)展的主要方向，同時(shí)移動(dòng)式可充電電池技術(shù)也是新能源農(nóng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的新能源技術(shù)研究起步較晚，前期的很多技術(shù)應(yīng)用和研究重點(diǎn)在于小微農(nóng)機(jī)，例如背負(fù)式電動(dòng)噴霧機(jī)、手扶式電動(dòng)撒肥機(jī)、農(nóng)用電動(dòng)微耕機(jī)等。到20世紀(jì)末期，我國(guó)的電動(dòng)農(nóng)機(jī)技術(shù)研究開(kāi)始向傳統(tǒng)大田農(nóng)機(jī)衍生，直到21世紀(jì)初期，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化得到了快速發(fā)展，我國(guó)的新能源農(nóng)機(jī)使用率也得到了快速的發(fā)展。例如2009年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的農(nóng)機(jī)團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的水稻插秧機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上研制了電動(dòng)水稻插秧機(jī)，并針對(duì)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)對(duì)插秧機(jī)的功率分配和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；2012年衢州學(xué)院與浙江工業(yè)大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)合作研制了電動(dòng)油菜割曬機(jī)，使電動(dòng)機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用和控制優(yōu)化得到了顯著提升；2018年，由河南省智能農(nóng)機(jī)創(chuàng)新中心為主要研發(fā)單位，中國(guó)一拖、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所等多家單位聯(lián)合研制的新型拖拉機(jī)—超級(jí)拖拉機(jī)1號(hào)(圖1)是一款具有超前設(shè)計(jì)理念的中馬力拖拉機(jī)，標(biāo)志著拖拉機(jī)技術(shù)在整車(chē)電動(dòng)控制、跟蹤算法與無(wú)人自主路徑規(guī)劃等方面取得了突破。

圖1 基于純電動(dòng)技術(shù)的超級(jí)拖拉機(jī)1號(hào)

1.2 新能源農(nóng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用方式

現(xiàn)階段，我國(guó)新能源農(nóng)機(jī)的應(yīng)用主要以電動(dòng)機(jī)為主。其應(yīng)用的形式包括以下兩類(lèi)：

一是固定式農(nóng)機(jī)具的應(yīng)用，主要是應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、谷物烘干機(jī)械、排灌機(jī)械等方面，其特點(diǎn)是機(jī)具在某一位置固定不動(dòng)，電能的利用方式是以電源線(xiàn)連接電動(dòng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)，這也是現(xiàn)階段應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)最成熟的新能源農(nóng)機(jī)作業(yè)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠、使用成本低的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段的固定式新能源農(nóng)機(jī)技術(shù)逐漸向著智慧大棚方向發(fā)展，智慧大棚不僅具備多種電動(dòng)機(jī)用以控制棚頂開(kāi)閉、自動(dòng)噴淋、自動(dòng)噴藥等功能，還能充分利用清潔的太陽(yáng)能、風(fēng)能調(diào)節(jié)大棚的內(nèi)部環(huán)境，利用最小的資源消耗量實(shí)現(xiàn)大棚生產(chǎn)的全部需求。

二是在移動(dòng)式機(jī)具上的應(yīng)用，采用可移動(dòng)電池配套電動(dòng)機(jī)的作業(yè)形式，現(xiàn)階段的應(yīng)用以小功率農(nóng)機(jī)為主，例如替代傳統(tǒng)人工動(dòng)力的電力機(jī)械，如小型噴霧機(jī)、果樹(shù)修剪機(jī)等，也有部分大田作業(yè)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)，如電動(dòng)拖拉機(jī)等，只是電動(dòng)機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用目前還受到動(dòng)力性能的限制，大多數(shù)移動(dòng)電池配套的電動(dòng)機(jī)功率僅在10～15 kW左右，一方面僅能替代傳統(tǒng)的小馬力農(nóng)機(jī)，另一方面電源的作業(yè)時(shí)間有限，因此目前移動(dòng)式電動(dòng)農(nóng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用范圍仍不大。

2 新能源農(nóng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方向

2.1 動(dòng)力電源技術(shù)

動(dòng)力電源技術(shù)是新能源農(nóng)業(yè)機(jī)械替代傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)階段來(lái)看農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力電源技術(shù)與新能源汽車(chē)的動(dòng)力電源技術(shù)相類(lèi)似，主要都是解決以較小的體積實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航的要求，并使電池具備較長(zhǎng)的使用壽命。現(xiàn)階段，可供農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的動(dòng)力電源技術(shù)包括鎳氫電池技術(shù)、鋰離子電池等。其技術(shù)的先進(jìn)性受到以下三方面的影響：一是儲(chǔ)能材料的性能，現(xiàn)階段應(yīng)用于電池行業(yè)的儲(chǔ)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(fù)極材料，從目前的技術(shù)來(lái)看，只能實(shí)現(xiàn)約400 Wh·kg-1的單體能量密度，未來(lái)應(yīng)通過(guò)技術(shù)的提升使儲(chǔ)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(jìn)技術(shù)逐步引入農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。二是電芯成組技術(shù)，從現(xiàn)階段來(lái)看我國(guó)的電芯成組技術(shù)與國(guó)際水平存在一定差距，由于生產(chǎn)中對(duì)原料、工藝過(guò)程和環(huán)境管控能力不足，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)優(yōu)秀鋰電池容差比國(guó)際先進(jìn)水平大約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致電池技術(shù)存在一定的落后問(wèn)題。三是電池能量管理技術(shù)，主要包括單體高共模電壓精確測(cè)量、電池充放電管理、電芯狀態(tài)精確測(cè)量與計(jì)算、電池一致性評(píng)價(jià)與均衡管理，其對(duì)于電池性能的有效發(fā)揮起著關(guān)鍵作用。

2.2 電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)

現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)機(jī)械所應(yīng)用的電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要包括純電驅(qū)動(dòng)和混動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩類(lèi)，純電動(dòng)包括了電動(dòng)機(jī)和電池系統(tǒng)，混動(dòng)系統(tǒng)包括了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、電動(dòng)機(jī)、電源系統(tǒng)。純電驅(qū)動(dòng)具有更好的環(huán)保性和能源利用率，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)的性能往往難以達(dá)到傳統(tǒng)大中型農(nóng)機(jī)對(duì)動(dòng)力的需求；而混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，作業(yè)過(guò)程利用智能分配柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)的工作方式，相對(duì)來(lái)說(shuō)也具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，其柴油機(jī)對(duì)于中大型農(nóng)機(jī)的作業(yè)更為有利。從現(xiàn)階段來(lái)看，電力驅(qū)動(dòng)中的電動(dòng)機(jī)技術(shù)逐漸向著永磁同步、交流感應(yīng)以及開(kāi)關(guān)磁阻方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)也開(kāi)始向高精度、高功率密度方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的性能應(yīng)該會(huì)在未來(lái)的短時(shí)間內(nèi)得到快速提升。

2.3 電量補(bǔ)充技術(shù)

現(xiàn)階段，針對(duì)電動(dòng)農(nóng)機(jī)的電量補(bǔ)充主要有兩種方式，一是線(xiàn)路充電技術(shù)，利用專(zhuān)用的充電槍配合充電接口進(jìn)行充電，農(nóng)業(yè)機(jī)械的充電功率通常在5～10 kW ，對(duì)于農(nóng)業(yè)繁忙時(shí)期可能存在充電不及時(shí)影響生產(chǎn)的問(wèn)題。二是電池更換技術(shù)，即對(duì)于電能不足的農(nóng)業(yè)機(jī)械直接更換電池，具有較高的電量補(bǔ)充效率，但需要相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且備用電池的購(gòu)置費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用較高。未來(lái)的電量補(bǔ)充技術(shù)應(yīng)向著大功率、便捷化的線(xiàn)充或無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展，以提高農(nóng)機(jī)使用的便捷性。

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