魏宏达
肇东市安民乡人民政府 黑龙江省绥化市 151113
摘要：目前，以柴油机为主要动力的农业机械在生产中不仅存在排气污染及能源浪费问题，而且结构复杂、成本高，在作业中易出现故障与安全问题。随着农机技术的进一步提高，以新能源为动力的农机将得到更多的政策支持，以电力为主的新能源技术在农机上的应用，将进一步减轻农机的能源成本负担，将其与柴油农机相结合，能完成更多的农业生产任务。
关键词：农业机械；新能源；发展情况；关键技术；研发方向
现代化农业机械在农业生产中占有重要地位，但柴油机的大规模使用消耗了大量的燃油资源，同时对环境造成很大的污染。随着新能源技术的发展，以新能源为动力的农机产品近年来备受关注，这使得新能源技术在农机中的应用更加广泛。基于目前的研究和应用现状，探索新能源农机技术的发展方向具有重要的现实意义。基于此，本文详细的分析了农业机械的新能源化发展情况与关键技术研发方向。
一、发展电动农机的必要性
1、能解决能源危机。近年来，世界能源日益紧张，我国已成为石油进口国，对外依存度较高，石油价格也不断攀升。然而，电力是可再生能源，使用成本比燃油低得多，发展电动农机能保障能源安全，并且可使用多种可再生能源，如热能、核能、水能、潮汐能、风能、地热能、太阳能、化学能、生物能等。无论从能耗的成本来看，还是从未来的能源取向来看，以电能作为最终利用形式的新能源取代一次能源是未来发展趋势。
2、能解决环境污染问题。燃油农机尾气含有大量的污染物，会引起严重的废气污染和油污染问题，对环境造成极大的破坏，使粮食作物受到污染，从而影响人的健康。电动农机可实现农机作业的零排放，即使考虑到为电动汽车提供电力的电站所排放出来的废气，使用电动汽车仍可大幅减少空气污染。
3、有利于农机化发展。电动农机多点控制的实现，使农机结构进一步得到简化，从而使农机的使用维护成本大幅降低，质量和体积大幅减小，使用更加方便，非常适合于丘陵、山地和温室大棚使用。
二、农业机械的新能源化发展情况
1、新能源农业机械技术研究现状。得益于我国机电技术与电池技术的发展，电动技术开始应用于各个行业，特别是永磁电机、异步交流电机等先进电机技术逐渐应用于农业机械，使电动农业机械替代传统的燃料农业机械变得更为容易。新能源农业机械的特点是用清洁能源代替传统的化石能源，目前，新能源的重点研究对象是电能的利用，另外，新能源还包括氢燃料能源、酒精燃料能源、核能源等。从农机作业角度来看，目前最直接可用的新能源是电能，其应用包括纯电动农机与混动农机两大类。当前，从农机应用的场合来看，以插电式电机技术取代传统的柴油机技术是新能源农机的主要发展方向。同时，移动充电电池技术也是新能源农机研发的关键技术。
总体而言，我国农机新能源技术的研究起步较晚，早期的许多技术应用与研究重点是小微农机，如背负式电动喷雾机、手动电动施肥机、农用电动微耕机等。直到20世纪末，我国的电动农业机械技术才开始从传统的大田农业机械中衍生出来，到21世纪初期，农业机械的自动化、智能化得到了迅速发展，我国新能源农业机械的利用率也得到了快速发展。
例如，2009年华南农业大学农机队在传统插秧机技术的基础上研发了一种电动插秧机，并根据电动机的特点对插秧机的功率分配与参数进行了优化；2012年，衢州学院与浙江工业大学等科研院所合作研发了一款电动油菜割晒机，显著提高了电动机在农业机械中的应用及控制优化水平；2018年，由河南省智能农机创新中心为主研发单位、中国一拖、中科院计算技术研究所等单位联合研发的新型拖拉机-超级拖拉机1号是一款设计理念先进的中马力拖拉机，这表明拖拉机技术在整车电动控制、跟踪算法和无人自主路径规划等方面取得了突破性的进展。
2、新能源农机技术应用模式。目前，我国新能源农业机械的应用以电动机为主。其应用形式包括：
①固定式农业机械的应用主要应用于农产品加工机械、谷物烘干机械、排灌机械等方面，其特点是机械固定在一定的位置，电能的利用是利用电源线连接电动机进行作业，这也是当前应用时间最长、技术最成熟的新能源农机作业模式，具有结构简单、功能可靠、成本低等优点。目前，固定式新能源农机技术正逐步向智慧大棚方向发展，智慧大棚不仅拥有多种电动机控制棚顶开闭、自动喷淋、自动喷药等功能，还可充分利用清洁的太阳能和风能调节大棚内部环境，以最小的资源消耗实现大棚生产的全部需求。
②在移动式机具上的应用，使用移动电池配套电动机进行作业，当前应用以小功率农业机械为主。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，也有电动拖拉机等一些移动式农机用于大田作业，然而，电动机在农业机械中的应用仍受动力性能的限制，大多数移动电池的功率只有10～15 kW左右，一方面，它只能替代传统的小马力农业机械；另一方面，电源的作业时间有限，所以当前移动式电动农业机械的实际应用范围还很小。
三、新能源农机的关键技术研发方向
1、动力电源技术。其是新能源农业机械替代传统农业机械作业的关键技术，当前，农业机械的动力电源技术与新能源汽车的类似，主要是解决小体积实现长续航的要求，使电池具有更长的使用寿命。目前，农业机械可使用的动力电源技术主要有镍氢电池技术、锂离子电池等。其技术的先进性受以下方面的影响：首先，储能材料的性能。目前，电池行业使用的储能材料较多，如高压镍锰酸锂、磷酸铁锂等正极材料，以及石墨、硅碳、钛酸锂等负极材料，从目前的技术来看，单体能量密度只有400 Wh·kg-1左右，未来应通过技术的改进，将储能材料的性能逐步提高到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。其次，电芯成组技术。当前，我国电芯成组技术与国际水平存在一定差距，由于生产中缺乏原材料、工艺过程、环境控制能力，致使国内优秀锂电池容差比国际先进水平低一个数量级左右，导致电池技术存在一定落后问题。最后，电池能量管理技术包括单体高共模电压精确测量、电池充放电管理、电芯状态的精确测量和计算、电池一致性评价和均衡管理，其对电池性能的有效发挥起着关键作用。
2、电力驱动技术。目前，农业机械的电力驱动技术主要有纯电驱动、混动驱动两类。其中，纯电驱动包括电动机与电池系统，混动系统包括发动机、变速器、电动机和电源系统。纯电驱动具有较好的环保性及能源利用率，结构简单，但电动机性能往往难以满足传统大中型农业机械的动力需求；而混动系统的结构较复杂，作业过程采用智能分配柴油机及电动机的工作方式，也具有节能环保特点，其柴油机更适合于中大型农业机械的作业。当前，电力驱动中的电动机技术正逐步向永磁同步、交流感应和开关磁阻方向发展，电动机控制技术也在向高精度、高功率密度方向发展。在不久的将来，电动机的性能将得到迅速的提升。
3、电量补充技术。目前，电动农机的电量补充主要有两种方式，一种是线路充电技术，使用带有充电接口的专用充电枪进行充电，农机充电功率一般为5～10kW，农忙期可能存在充电不及时影响生产的问题。另一种是电池更换技术，即对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，但需相对复杂的结构设计，备用电池的采购成本和运输成本较高。为了提高农机使用的方便性，未来的电量补充技术应向大功率、便捷化线充或无线充电方向发展。
参考文献：
[1]席尚明.我国电动农机的研究与发展建议[J].当代农机，2019(02)．
[2]刘玉琴.农业机械的新能源化发展情况与关键技术研发方向[J]．农机使用与维修，2021(04)．