电动农机的发展与趋势

电动农机

研究背景及目的

如今，全世界都将绿色低碳、节能减排作为发展的重要评价标准。我国的目标是力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和因此双碳目标是我国在21世纪长期温室气体低排放发展战略，为了实现这一目标，减低大气中的二氧化碳(CO2)浓度是关键问题。在生产中农业生产和林业生产的温室气体排放是相当多的，其中大部分生产作业机械驱动都依赖于内燃机，将内燃机替换为电机自然成为了一个重要的研究课题。电机驱动的农机即电动农机在提高农业生产效率，降低生产成本方面有着极大地应用潜力，也可以满足农业生产对精细化作业日益增长的需求。

发展历程与现状

国外研制电动汽车和移动机器设备的尝试开始于19世纪，但由于早期的技术问题，电动拖拉机和电动农业机械还没有在实践中得到更广泛的应用。伴随着电子技术发展所提供的新机会的出现，包括交流电的电子处理，以及国外发达国家对环境保护要求的提高，农业机械的电动化逐渐成为研究的方向。国外对于电动农机的研究较早，在20世纪初就已经展开了相关研究。1912年，德国研制的有线式电动拖拉机的面世，标志着国外对于电动农机领域研究的展开。随后在1970年石油危机期间，英、美、日等国也纷纷开始了车载电池供电电动拖拉机的研制，极大地促进了电动拖拉机进一步的发展。美国推出的Electrak系列电动拖拉机，采用铅酸蓄电池供电和永磁无刷电机作为动力源，推出市场后便取得了极大反响。随着电力电子技术的发展以及动力电池的研究深入，国外的电动农机设备主要集中在易操作性、高可靠性、多功能性等方面。

下面也将举例两种现在较为新型的电动农机。

SESAM-R6

约翰迪尔的SESAM系列是从德国曼海姆工厂生产的6R经典系列拖拉机改进完成，功率为360马力（260kW）。包括两块电池，每块儿提供130kW的功率。其中一块儿为行走供电，另一块儿为PTO供电，必要时也可将两块电池连接，从而提供更大功率。

SESAM可持续供应4个小时的工作时间或者55km的运输时间。充电时间为3小时，电池寿命为可充电3100次。由于是电力驱动，SESAM低速扭矩特别大，而且在无极变速的配合使用下，峰值功率可达到400马力。

e100 Vario

e100 Vario拖拉机首次在汉诺威的国际农机博览会Agritechnica上亮相，是一款电动小型拖拉机，输出功率为68马力（50千瓦），充满一次充电可持续行驶5小时。e100 Vario搭载容量为100 kWh的650 V锂离子电池，可以使用IEC 62196 Type 2插头（欧洲电动车充电标准）在40分钟内充好80％的电量。或者，可以使用标准的CEE室外插座为电池充电。

芬特公司表示，e100 Vario与现有的液压设备完全兼容，并且还具有两个符合AEF标准的电气设备电源接口，可短时间提供高达150 kW的功率。

电动农机发展中遇到的困难

（1）电池技术问题

农机作为生产工具，耗电量快，多备电池成本增加，频繁更换电池也会导致作业效率降低。例如，现阶段几乎所有植保无人机均存在载重较小的缺点，普通植保无人机的载重大约为5-25kg，而一组电池只能维持植保无人机飞行8-20min。加之在植保作业中植保无人机需要频繁起降、补充药剂，在一小时之内基本要完成两个起落架次。但电池通常需要1h以上的时间才能充满，如果按照6h的工作时间来计算，使用植保无人机完成一次喷洒作业需要20块电池，能量电池成为制约电动农机发展的重要因素。

（2）电动农机复杂的田间作业要求

电动农机需要满足复杂的田间作业要求，需要加强对田间应用及作业规律方面的研究，解决动力性能较差，作业性能偏弱的问题。现阶段电动农机性能研究还主要以仿真实验为主，在设定条件下对车速、电池SOC变化情况、驱动电机转速与扭矩输出、驱动电机功率与效率输出进行研究，但实际作业工况复杂 且仿真模拟数据有限，还需进一步优化参数匹配。

（3）行业标准不完善

目前电动农机的相关性能指标还没有较 为科学的评定指标，相关的行业评价标准还需进一步完善。以电动拖拉机为例，它的主要用途是牵引不同农机具进行作业，相比较电动汽车对最高车速和加速性能的要求，电动拖拉机性能主要集中在不同工况下牵引性能和转向特性上，这与电动汽车动力评价指标有所区别，但国内研究相对较少，因此对于电动农机评定标准的建立还需逐渐完善。

电动农机的发展趋势

从目前国内电动农机发展来看，在小型农机领域，电动农机对传统农机具有很强的替代性，更多地集中在适用于一些如温室大棚、果园、丘陵山区等作业环境的微小型农机设备上，未来将对传统小型农机市场产生强大的 冲 击；在中小型农机领域，由于电池能量控制、电机对复杂作业环境适应性以及经济成本、安全性等方面问题尚未得到解决，电动农机发展受到极大限制，仍然处于初步研究阶段。但经过近几年发展，在政策支持、环保要求下，中小型逐步电动化、智能化已然成为现如今发展的趋势，如为解决电动拖拉机电能消耗等问题而衍生出的增程式电动拖拉机研究也为该领域电动化发展提供了新的方向；在大型农机领域传统农机依然处于不可动摇的地位，电动农机设备很难真正深入该领域中，仍需要等待相关瓶颈技术的突破。

结语

电动农机是未来农业机械来发展的主流方向，有着广阔的发展间。当前我国的电动农业机械的研究处于一个快速发展的阶段，在短期内也不可能广泛替代传统农机。但随着相关基础研究的深入，逐渐将我国的电动农机往小型化、自动化、智能化方向上发展，努力研发出更符合当下国情和农民需求的优良设备。

参考文献  

[1]王杰,张学敏,张波,侯秀宁,宋昌博,赵继云.电动农机发展现状与趋势[J].中国农机化学报,2019,40(10):35-41.

[2] Kska W , P Poznańska,  Roboczych I M , etal. ELECTRIC DRIVE IN AGRICULTURAL MACHINES – PROSPECTS OF THE APPLICATION[J]. journal of research & applictions in agricultural engineering, 2012(1).

[3]许东生, 黄晓鹏. 电动农业机械研究现状及发展趋势[J]. 河南农业, 2017(29):1.

[4] Buning E A. Electric drives in agricultural machinery-approach from the tractorside[J]. J. Agric. Eng, 2010, 47: 30-35. 

电动农机的发展与趋势

电动农机

研究背景及目的

如今，全世界都将绿色低碳、节能减排作为发展的重要评价标准。我国的目标是力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和因此双碳目标是我国在21世纪长期温室气体低排放发展战略，为了实现这一目标，减低大气中的二氧化碳(CO2)浓度是关键问题。在生产中农业生产和林业生产的温室气体排放是相当多的，其中大部分生产作业机械驱动都依赖于内燃机，将内燃机替换为电机自然成为了一个重要的研究课题。电机驱动的农机即电动农机在提高农业生产效率，降低生产成本方面有着极大地应用潜力，也可以满足农业生产对精细化作业日益增长的需求。

发展历程与现状

国外研制电动汽车和移动机器设备的尝试开始于19世纪，但由于早期的技术问题，电动拖拉机和电动农业机械还没有在实践中得到更广泛的应用。伴随着电子技术发展所提供的新机会的出现，包括交流电的电子处理，以及国外发达国家对环境保护要求的提高，农业机械的电动化逐渐成为研究的方向。国外对于电动农机的研究较早，在20世纪初就已经展开了相关研究。1912年，德国研制的有线式电动拖拉机的面世，标志着国外对于电动农机领域研究的展开。随后在1970年石油危机期间，英、美、日等国也纷纷开始了车载电池供电电动拖拉机的研制，极大地促进了电动拖拉机进一步的发展。美国推出的Electrak系列电动拖拉机，采用铅酸蓄电池供电和永磁无刷电机作为动力源，推出市场后便取得了极大反响。随着电力电子技术的发展以及动力电池的研究深入，国外的电动农机设备主要集中在易操作性、高可靠性、多功能性等方面。

下面也将举例两种现在较为新型的电动农机。

SESAM-R6

约翰迪尔的SESAM系列是从德国曼海姆工厂生产的6R经典系列拖拉机改进完成，功率为360马力（260kW）。包括两块电池，每块儿提供130kW的功率。其中一块儿为行走供电，另一块儿为PTO供电，必要时也可将两块电池连接，从而提供更大功率。

SESAM可持续供应4个小时的工作时间或者55km的运输时间。充电时间为3小时，电池寿命为可充电3100次。由于是电力驱动，SESAM低速扭矩特别大，而且在无极变速的配合使用下，峰值功率可达到400马力。

e100 Vario

e100 Vario拖拉机首次在汉诺威的国际农机博览会Agritechnica上亮相，是一款电动小型拖拉机，输出功率为68马力（50千瓦），充满一次充电可持续行驶5小时。e100 Vario搭载容量为100 kWh的650 V锂离子电池，可以使用IEC 62196 Type 2插头（欧洲电动车充电标准）在40分钟内充好80％的电量。或者，可以使用标准的CEE室外插座为电池充电。

芬特公司表示，e100 Vario与现有的液压设备完全兼容，并且还具有两个符合AEF标准的电气设备电源接口，可短时间提供高达150 kW的功率。

电动农机发展中遇到的困难

（1）电池技术问题

农机作为生产工具，耗电量快，多备电池成本增加，频繁更换电池也会导致作业效率降低。例如，现阶段几乎所有植保无人机均存在载重较小的缺点，普通植保无人机的载重大约为5-25kg，而一组电池只能维持植保无人机飞行8-20min。加之在植保作业中植保无人机需要频繁起降、补充药剂，在一小时之内基本要完成两个起落架次。但电池通常需要1h以上的时间才能充满，如果按照6h的工作时间来计算，使用植保无人机完成一次喷洒作业需要20块电池，能量电池成为制约电动农机发展的重要因素。

（2）电动农机复杂的田间作业要求

电动农机需要满足复杂的田间作业要求，需要加强对田间应用及作业规律方面的研究，解决动力性能较差，作业性能偏弱的问题。现阶段电动农机性能研究还主要以仿真实验为主，在设定条件下对车速、电池SOC变化情况、驱动电机转速与扭矩输出、驱动电机功率与效率输出进行研究，但实际作业工况复杂 且仿真模拟数据有限，还需进一步优化参数匹配。

（3）行业标准不完善

目前电动农机的相关性能指标还没有较 为科学的评定指标，相关的行业评价标准还需进一步完善。以电动拖拉机为例，它的主要用途是牵引不同农机具进行作业，相比较电动汽车对最高车速和加速性能的要求，电动拖拉机性能主要集中在不同工况下牵引性能和转向特性上，这与电动汽车动力评价指标有所区别，但国内研究相对较少，因此对于电动农机评定标准的建立还需逐渐完善。

电动农机的发展趋势

从目前国内电动农机发展来看，在小型农机领域，电动农机对传统农机具有很强的替代性，更多地集中在适用于一些如温室大棚、果园、丘陵山区等作业环境的微小型农机设备上，未来将对传统小型农机市场产生强大的 冲 击；在中小型农机领域，由于电池能量控制、电机对复杂作业环境适应性以及经济成本、安全性等方面问题尚未得到解决，电动农机发展受到极大限制，仍然处于初步研究阶段。但经过近几年发展，在政策支持、环保要求下，中小型逐步电动化、智能化已然成为现如今发展的趋势，如为解决电动拖拉机电能消耗等问题而衍生出的增程式电动拖拉机研究也为该领域电动化发展提供了新的方向；在大型农机领域传统农机依然处于不可动摇的地位，电动农机设备很难真正深入该领域中，仍需要等待相关瓶颈技术的突破。

结语

电动农机是未来农业机械来发展的主流方向，有着广阔的发展间。当前我国的电动农业机械的研究处于一个快速发展的阶段，在短期内也不可能广泛替代传统农机。但随着相关基础研究的深入，逐渐将我国的电动农机往小型化、自动化、智能化方向上发展，努力研发出更符合当下国情和农民需求的优良设备。

参考文献  

[1]王杰,张学敏,张波,侯秀宁,宋昌博,赵继云.电动农机发展现状与趋势[J].中国农机化学报,2019,40(10):35-41.

[2] Kska W , P Poznańska,  Roboczych I M , etal. ELECTRIC DRIVE IN AGRICULTURAL MACHINES – PROSPECTS OF THE APPLICATION[J]. journal of research & applictions in agricultural engineering, 2012(1).

[3]许东生, 黄晓鹏. 电动农业机械研究现状及发展趋势[J]. 河南农业, 2017(29):1.

[4] Buning E A. Electric drives in agricultural machinery-approach from the tractorside[J]. J. Agric. Eng, 2010, 47: 30-35.