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(xué)車輛與交通工程學(xué)院,洛陽 471003; 2.智能農(nóng)業(yè)動力裝備全國重點實驗室,洛陽 471039;3.中國一拖集團(tuán)有限公司,洛陽 471039)

0 引言

農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新模式對生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保提出了更高的要求。以拖拉機(jī)為代表的農(nóng)機(jī)動力裝備是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要動力來源,傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)動力系統(tǒng)消耗了大量柴油,排放廢氣產(chǎn)生了嚴(yán)重的大氣污染。農(nóng)業(yè)裝備在溫室大棚內(nèi)作業(yè)時,排放的廢氣嚴(yán)重影響工作人員和農(nóng)作物的健康。設(shè)施農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、庭院農(nóng)業(yè)等特殊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對綠色農(nóng)機(jī)具動力的需求越來越迫切,高效環(huán)保農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品已成為全球農(nóng)機(jī)科技創(chuàng)新的主攻方向。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,體積較大,難以適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境,作業(yè)中產(chǎn)生大量有害物質(zhì)及噪聲,降低了農(nóng)業(yè)裝備的環(huán)境友好性。電動農(nóng)業(yè)裝備以電氣代替大量機(jī)械機(jī)構(gòu),體積較小,能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境,作業(yè)中對環(huán)境影響較小,駕駛員保護(hù)性高[1];由電機(jī)取代了發(fā)動機(jī),工作噪聲小,污染少,因而農(nóng)業(yè)裝備電動化是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械綠色化轉(zhuǎn)型升級的重要發(fā)展方向。

目前,我國的電動農(nóng)業(yè)裝備仍處于萌芽階段,關(guān)于電動農(nóng)業(yè)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(shù)的發(fā)展,動力裝備電動化已率先在新能源汽車領(lǐng)域取得成功,我國在電動化方向擁有完備的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),發(fā)展電動農(nóng)業(yè)裝備具有先發(fā)優(yōu)勢。

本文綜述國內(nèi)外農(nóng)業(yè)裝備電動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及電動農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展瓶頸與趨勢,結(jié)合農(nóng)業(yè)裝備作業(yè)環(huán)境特點,闡述現(xiàn)有國內(nèi)外電動拖拉機(jī)、電動微耕機(jī)、電動移栽機(jī)、電動果園作業(yè)機(jī)、電動播種機(jī)等農(nóng)業(yè)裝備的研究現(xiàn)狀,進(jìn)行電動化農(nóng)業(yè)裝備與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備性能對比。針對不同農(nóng)業(yè)裝備的農(nóng)藝特點和電動化關(guān)鍵部件特性,分析不同電動農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展瓶頸與趨勢,以期為我國電動農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展提供借鑒。

1 農(nóng)業(yè)裝備電動化研究現(xiàn)狀

1.1 電動農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵部件及軟件平臺分析

1.1.1電池

電池技術(shù)是農(nóng)業(yè)裝備電動化技術(shù)的核心之一。其發(fā)展進(jìn)程極大影響電動農(nóng)業(yè)裝備的產(chǎn)業(yè)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(tǒng)的電池類型,具有過壓容忍值較高、自放電速率低、價格低、穩(wěn)態(tài)的工作狀況良好,并且維護(hù)成本相對較低[2]等優(yōu)點。但鉛酸電池能量密度較低、循環(huán)壽命較短,含有大量重金屬鉛,環(huán)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(yōu)點。相對于鉛酸電池,氫鎳電池比能量和比功率均提高了數(shù)倍,對環(huán)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(yīng)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?zé)o記憶效應(yīng),電壓范圍寬、壽命長、環(huán)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(nóng)業(yè)裝備通常需要良好的動力響應(yīng)、長使用壽命、低維護(hù)成本和環(huán)保,鋰電池在電動農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域更具優(yōu)勢;電動農(nóng)業(yè)裝備需要具備較高的機(jī)動性和靈活性,鋰電池具有體積小、重量輕的優(yōu)點,可更好地適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[7]。盡管鋰電池優(yōu)勢明顯,但電動農(nóng)業(yè)裝備工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜多變,亟待開發(fā)高能量密度和高安全性的電池。

1.1.2電機(jī)

電機(jī)是農(nóng)業(yè)裝備電動化技術(shù)的核心部件之一。常見的電機(jī)有直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、交流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。直流電機(jī)作為農(nóng)業(yè)裝備電動化技術(shù)發(fā)展歷程中最早應(yīng)用的電機(jī)類型之一,具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)速范圍廣、技術(shù)成熟和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但直流電機(jī)可靠性低、設(shè)備維護(hù)困難[8]。隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,直流電機(jī)正在逐漸被其他更加先進(jìn)的電機(jī)所取代。

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高等優(yōu)點,轉(zhuǎn)子上沒有繞組,在高速運轉(zhuǎn)的場合表現(xiàn)良好。但該電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu),磁鏈與轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)子位置角和相電流之間呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性關(guān)系,導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動較大,同時也會引起電機(jī)振動和噪聲等問題[9-10]。

交流電機(jī)由于其成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單以及維護(hù)保養(yǎng)較為便利等優(yōu)點,受到越來越多的關(guān)注。同時,借助先進(jìn)的拓?fù)湓O(shè)計和精準(zhǔn)的控制策略,現(xiàn)代交流電機(jī)已能夠達(dá)到與直流電機(jī)相當(dāng)甚至更好的性能。但交流電機(jī)也存在電控系統(tǒng)復(fù)雜、起動轉(zhuǎn)矩較小等缺點[11]。

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

農(nóng)用電機(jī)需具備高能效、快速響應(yīng)、輕量化、易維護(hù)、魯棒性強(qiáng)等特點,永磁同步電機(jī)在這些方面具有較明顯的優(yōu)勢。這些特點使得其能夠滿足電動農(nóng)業(yè)裝備驅(qū)動系統(tǒng)對可靠性和穩(wěn)定性的需求。然而,農(nóng)業(yè)專用電機(jī)仍然缺乏,需要進(jìn)一步開發(fā)適合農(nóng)業(yè)裝備特點的低速大扭矩電機(jī)。

1.1.3軟件平臺

農(nóng)業(yè)電動化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)裝備的仿真軟件平臺主要有Matlab/Simulink、ADVISOR、AVL CRUISE、ModeFRONTIER等。

Matlab/Simulink是進(jìn)行物理系統(tǒng)仿真的通用平臺,根據(jù)仿真對象的數(shù)學(xué)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(jìn)行仿真。商高高等[14]利用Matlab/Simulink建立了履帶式電動拖拉機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行了牽引性能仿真分析。

ADVISOR是在Simulink環(huán)境下開發(fā)的半開源型整機(jī)仿真軟件,包含的相關(guān)子模塊之間通過Workpace實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)交互。但該軟件在2004年后更新緩慢,新型仿真技術(shù)和功能不足,難以對各子模塊之間的通訊關(guān)系直接定義,無法用于控制器硬件在環(huán)測試。王成繼[15]利用ADVISOR 和Simulink仿真軟件對燃料電池拖拉機(jī)開展了仿真工況二次開發(fā)和建模仿真。

AVL CRUISE是目前車輛研發(fā)領(lǐng)域常用的整機(jī)仿真軟件,具有多種仿真功能和數(shù)據(jù)流模式,開發(fā)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(fā)困難的缺點。劉孟楠等[16]基于AVL CRUISE開發(fā)了增程式電動拖拉機(jī)整機(jī)仿真模型,進(jìn)行了牽引性能仿真,評估了仿真結(jié)果的可信度,開發(fā)了增程式電動拖拉機(jī)旋耕機(jī)組仿真模型。

ModeFRONTIER主要用于車輛多目標(biāo)優(yōu)化,應(yīng)用較為廣泛。趙思夏等[17]對電動拖拉機(jī)的動力電池布置進(jìn)行了優(yōu)化并基于ModeFRONTIER仿真平臺對電動拖拉機(jī)牽引機(jī)組性能仿真分析,驗證了分置式電動拖拉機(jī)底盤方案的有效性。

1.2 電動拖拉機(jī)

1.2.1電動拖拉機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

針對傳統(tǒng)拖拉機(jī)污染高、效率低、噪聲大等問題,國內(nèi)外的高校和企業(yè)對電動拖拉機(jī)開展了一系列的研究[18-26]。最早的電動拖拉機(jī)可以追溯到20世紀(jì)初,電動拖拉機(jī)的發(fā)展歷程可以劃分為3個階段[27]。

20世紀(jì)70年代以前是電動拖拉機(jī)的早期發(fā)展階段。最早的電動拖拉機(jī)是由德國Siemens公司于1912年生產(chǎn)的用于旋耕作業(yè)的36.8 kW電動拖拉機(jī)(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(jié)構(gòu),此后Siemens公司又推出了二代2.9 kW的電動拖拉機(jī)(圖1b),采用手扶式結(jié)構(gòu),用于割草、播種等輕負(fù)荷作業(yè)[28]。哈爾濱松江拖拉機(jī)廠于1960年成功試制了我國首臺電動拖拉機(jī)——電牛28,其擁有28 kW電機(jī)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(jī),電纜長度達(dá)到450 m以上[29]。

圖1 早期電動拖拉機(jī)

20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初是電動拖拉機(jī)的中期發(fā)展階段。美國通用電氣公司(GE)于20世紀(jì)70年代設(shè)計了Elec-Trak系列電動拖拉機(jī)(圖2a),該系列拖拉機(jī)由永磁直流無刷電機(jī)驅(qū)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(jì)90年代設(shè)計的e-ATV系列電動拖拉機(jī)(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(xiàn)無級變速,最高行駛速度可達(dá) 27～30 km/h,單次充電續(xù)航里程為48～56 km[31]。

圖2 中期電動拖拉機(jī)

21世紀(jì)初至今電動拖拉機(jī)高速發(fā)展。紐荷蘭推出了NH2氫燃料電池拖拉機(jī),可驅(qū)動一臺78 kW的電動機(jī)型(圖3a),為全世界第一輛以氫燃料電池為動力的拖拉機(jī)[32]。2020年,國家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心牽頭發(fā)起、清華大學(xué)天津高端裝備研究院與河南洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地聯(lián)合研制了氫燃料電動拖拉機(jī)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(jī)[33]。

圖3 當(dāng)前階段電動拖拉機(jī)

綜上所述,早期發(fā)展階段的電動拖拉機(jī)主要靠電軌的方式提供能源,作業(yè)范圍較小,并且結(jié)構(gòu)較為簡單,大多采用手扶式結(jié)構(gòu)。中期發(fā)展階段的電動拖拉機(jī)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(fù)荷較低的作業(yè)工況。當(dāng)前階段主要通過混合動力技術(shù)提高電動拖拉機(jī)的動力性和續(xù)航能力以適應(yīng)負(fù)荷率較大的工況。同時,智能網(wǎng)聯(lián)、智能駕駛等技術(shù)的深入研究,推動電動拖拉機(jī)向智能化方向發(fā)展[27]。

1.2.2控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

針對電動拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,對適應(yīng)性、穩(wěn)定性以及續(xù)航能力要求高等問題,國內(nèi)外專家學(xué)者通過對控制技術(shù)進(jìn)行研究,來滿足電動拖拉機(jī)作業(yè)要求。

(1)能量管理

能量管理策略對電動拖拉機(jī)的性能具有重要影響,對純電拖拉機(jī)而言,通過對蓄電池充放電過程有效控制,使動力系統(tǒng)滿足不同工況下拖拉機(jī)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(jī),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(xiàn)不同動力源之間的功率分配,提高拖拉機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性。

工況復(fù)雜的拖拉機(jī),其能量管理策略要求更高,已知相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少[27]。李同輝等[34]針對雙電機(jī)多模動力耦合驅(qū)動系統(tǒng),提出了一種基于隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃+極值搜索算法的實時自適應(yīng)能量管理策略,有效地提高了純電動拖拉機(jī)的續(xù)航能力。張俊江等[35]針對并聯(lián)式柴電混合動力拖拉機(jī),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(jī)的等效燃油消耗量。XU等[36]針對增程式電動拖拉機(jī)動力電池能量利用不充分的問題,提出了一種以預(yù)估耕作面積為控制變量的增程式電動拖拉機(jī)荷電狀態(tài)閾值調(diào)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(tǒng)拖拉機(jī)排放高、純電動拖拉機(jī)續(xù)航能力不足等問題,開發(fā)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(jī)動力總成系統(tǒng)模型,提出了一種基于規(guī)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(jī)的續(xù)航能力。WANG等[38]提出了一種雙電機(jī)電動拖拉機(jī)協(xié)同優(yōu)化能量管理策略,提升了拖拉機(jī)在不同工況下的工作效率和平穩(wěn)性。JIA等[39]設(shè)計了一種串聯(lián)混合動力電動拖拉機(jī)模型,針對拖拉機(jī)工況較為復(fù)雜的問題,提出了兩種基于基準(zhǔn)規(guī)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(shè)計出滿足全功率范圍作業(yè)需求的兩種動力系統(tǒng)耦合分流構(gòu)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(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。ZHANG等[41]針對配備無級變速器(CVT)的混合動力拖拉機(jī),提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的全局最優(yōu)能量管理策略,有效地提高了拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

(2)驅(qū)動系統(tǒng)控制

驅(qū)動系統(tǒng)控制通過對電機(jī)、PTO電機(jī)、變速器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,使電動拖拉機(jī)在不同工況下保持良好的作業(yè)性能[27]。

LIU等[42]為了提高電動拖拉機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率,提出了一種基于粒子群算法的負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制策略。YU等[43]針對單電機(jī)拖拉機(jī)在不同耕作方式下動力性較差、作業(yè)效果不佳等問題,利用粒子群優(yōu)化算法和模糊控制規(guī)則,提出了一種電動拖拉機(jī)扭矩分配策略,有效提高了拖拉機(jī)動力性和電池放電的平穩(wěn)性。MELO等[44]設(shè)計了一種基于PI的電動拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)控制策略,提高了電動拖拉機(jī)的牽引效率和穩(wěn)定性,減少了能量消耗。CHEN等[45]提出了一種基于轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PID和電流內(nèi)環(huán)PWM的驅(qū)動電機(jī)控制策略,驗證了電動拖拉機(jī)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的有效性。SUNUSI等[46]針對拖拉機(jī)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率過大引起驅(qū)動力下降的問題,提出了一種驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)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(jī)牽引能效低、耕作時車輪滑移較大等問題,結(jié)合行駛速度和滑移率,提出了一種基于主動轉(zhuǎn)矩分布的聯(lián)合控制方法,并將其應(yīng)用于電動拖拉機(jī),有效地提高了拖拉機(jī)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述,在電動拖拉機(jī)能量管理方面,對混合動力拖拉機(jī)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(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性,但大部分研究都沒有考慮到整機(jī)控制架構(gòu),缺少在整機(jī)控制中實現(xiàn)方法的研究。在電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制方面,大部分集中在對驅(qū)動電機(jī)效率優(yōu)化、差速與轉(zhuǎn)矩分配等的研究,缺少對傳動系統(tǒng)控制的研究,控制方法主要是根據(jù)具體工況和載荷特點對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

1.3 電動微耕機(jī)

國外對微耕機(jī)的研究起步較早,技術(shù)相對成熟,一般采用1.5～6.0 kW的汽油機(jī)、柴油機(jī)或電機(jī)作為動力源,可以連接多種機(jī)具以完成不同作業(yè)[48]。20世紀(jì)60年代以前,國外研發(fā)的電動微耕機(jī)均采用電網(wǎng)供電,隨后采用蓄電池供電的電動微耕機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)。

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

圖4 國外電動微耕機(jī)

從國外電動微耕機(jī)的發(fā)展歷程可以看出,電動微耕機(jī)與電動拖拉機(jī)取電方式基本相同,都是通過公用電網(wǎng)供電或蓄電池供電,其整體結(jié)構(gòu)是根據(jù)傳統(tǒng)燃油微耕機(jī)改造而來,將動力系統(tǒng)的燃油機(jī)替換為公用電網(wǎng)供電或蓄電池供電,減少排放,降低了噪聲與振動。

針對國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較低,棚內(nèi)作業(yè)仍以人力為主,勞動強(qiáng)度大,工作環(huán)境差,已有的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械普遍是以燃油機(jī)作為動力,對設(shè)施環(huán)境造成嚴(yán)重污染等問題,我國研究人員開展了一系列以電機(jī)為動力源的微耕機(jī)研究(圖5a)。李達(dá)等[52]設(shè)計了一款小型電動微耕機(jī),其動力系統(tǒng)功率為2.2 kW,體積小,重量輕,便于轉(zhuǎn)向和移動,但其轉(zhuǎn)速較低,需要安裝松土鏟才能完成正常作業(yè)。高輝松等[53]研發(fā)了一套溫室大棚用供取電系統(tǒng),設(shè)計了電動微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及傳動參數(shù)(圖5b),對電機(jī)及變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了試驗,結(jié)果表明所研制電動微耕機(jī)安全性能等指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,且具有低噪聲、零污染的特點。劉學(xué)林等[54]設(shè)計了一款適用于溫室作業(yè)的基于輪轂電機(jī)的電動微耕機(jī)(圖5c),通過輪轂電機(jī)直接驅(qū)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(jié)構(gòu)簡化。趙潤華等[55]研制了一種電動微耕機(jī)(圖5d),該機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)快、慢兩擋換擋工作,適于不同硬度的土地,設(shè)有轉(zhuǎn)向離合器,能夠?qū)崿F(xiàn)微耕機(jī)輕松轉(zhuǎn)向,操作方便。黃偉玲等[56]設(shè)計了一種電動微耕機(jī),該機(jī)通過控制變頻電機(jī),克服起動困難、速度調(diào)整不方便等缺點,有效提高了生產(chǎn)率,具有使用壽命長、制造成本低以及節(jié)能環(huán)保等特點。HUANG等[57]針對傳統(tǒng)微耕機(jī)振動較大的問題,開發(fā)了一種鋰電池供電的無刷直流電機(jī)驅(qū)動微耕機(jī),對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,提高了電動微耕機(jī)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(jī)驅(qū)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(tǒng)微耕機(jī)安全性較差的問題,設(shè)計了一種適用于復(fù)雜溫室環(huán)境的超寬帶電動微耕機(jī)定位系統(tǒng),有效提高了電動微耕機(jī)定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減小了定位誤差,實現(xiàn)了微耕機(jī)無人化。

傳統(tǒng)微耕機(jī)一般用內(nèi)燃機(jī)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(jī)采用電機(jī)驅(qū)動,振動小、噪聲低,使用電機(jī)作為動力源具有無污染、零排放、能源利用率高等優(yōu)點。傳統(tǒng)微耕機(jī)與電動微耕機(jī)性能對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)微耕機(jī)與電動微耕機(jī)對比

綜上所述,微耕機(jī)電動化是研究的前沿?zé)狳c和行業(yè)發(fā)展趨勢。電動微耕機(jī)可應(yīng)用于溫室大棚、果園等環(huán)保性要求較高及充電方便的場所,還適合于輕負(fù)荷作業(yè)的丘陵、山地地區(qū)。

1.4 電動移栽機(jī)

電動移栽機(jī)使用電機(jī)作為動力源,相較于傳統(tǒng)燃油動力,具有更低的能耗和環(huán)保特性,符合現(xiàn)代社會對于節(jié)能減排、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。發(fā)展電動移栽機(jī)在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保護(hù)環(huán)境等方面具有重要意義。

JIN等[60]設(shè)計了番茄盆栽幼苗自動移栽機(jī)(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(jié)合番茄幼苗的物理特性參數(shù)確定了該機(jī)器的關(guān)鍵參數(shù),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(shè)計了一種二自由度并聯(lián)機(jī)械臂蔬菜紙盆苗移栽機(jī)(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(shè)計了一種牽引式雙排全自動移栽機(jī)(圖6c),詳細(xì)設(shè)計了觸摸屏-可編程控制器(TS-PLC)控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和機(jī)械傳動系統(tǒng),經(jīng)過旱地的測試表明,當(dāng)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(bǔ)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(shè)計了插拔秧苗機(jī)器人插秧機(jī)(圖6d),包括3個系統(tǒng):機(jī)器人啟動、采苗機(jī)制(SPM)、車輛移動系統(tǒng)(VMS),經(jīng)初步試驗結(jié)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(jī)相關(guān)研究成果

相較于燃油動力移栽機(jī),電動移栽機(jī)有以下優(yōu)點:①環(huán)保節(jié)能:電動移栽機(jī)無廢氣排放,能夠有效保護(hù)環(huán)境和駕駛員健康,能量利用率高。②維護(hù)成本低:電動移栽機(jī)不需要更換機(jī)油和空氣濾網(wǎng)等易損件,維護(hù)成本較低,而且電機(jī)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(jī)相比,電動移栽機(jī)通常采用簡單直觀的操縱系統(tǒng),上手操作簡單,學(xué)習(xí)成本低。④運行平穩(wěn):電動移栽機(jī)的電機(jī)運行平穩(wěn),無需擔(dān)心馬達(dá)熄火的情況出現(xiàn)。⑤適應(yīng)性強(qiáng):電動移栽機(jī)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境和作業(yè)需求進(jìn)行定制,具有很好的適應(yīng)性。

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

傳統(tǒng)移栽機(jī)與電動移栽機(jī)對比如表2所示。

表2 傳統(tǒng)移栽機(jī)與電動移栽機(jī)對比

綜上所述,傳統(tǒng)的手動或機(jī)械式移栽機(jī)在作業(yè)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(jī)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(yīng)不同的植物種類、環(huán)境條件和作業(yè)需求,實現(xiàn)全自動化操作。

1.5 電動果園作業(yè)機(jī)

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(guī)模小、集中管理困難、引進(jìn)機(jī)械裝備經(jīng)濟(jì)成本較高、收益較慢、較成熟的果園作業(yè)機(jī)械裝備對丘陵山區(qū)適應(yīng)性差、果園種植農(nóng)藝較落后、不利于機(jī)械的進(jìn)入等問題,國內(nèi)外的學(xué)者對丘陵山地果園中的電動作業(yè)機(jī)械進(jìn)行了研究。

果園植保機(jī)械動力來源多為柴油或汽油,作業(yè)危險系數(shù)較高,維護(hù)成本較高。張健等[64]設(shè)計了電動遙控履帶式噴藥車(圖7a),試驗結(jié)果表明所設(shè)計的電動履帶式噴藥車可完成30°斜坡爬坡,與傳統(tǒng)差速轉(zhuǎn)向履帶式車相比較,電動履帶式噴藥車速度控制更精準(zhǔn),遙控作業(yè)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(yè)危險系數(shù)較高的噴藥作業(yè)研制了一款微型自走式電動果園彌霧機(jī)(圖7b),采用后橋電驅(qū)動系統(tǒng),搭載風(fēng)送式二次彌霧系統(tǒng),利用遠(yuǎn)程遙控技術(shù),無需果農(nóng)進(jìn)入園地,即可完成藥物噴灑作業(yè),整機(jī)傳動效率達(dá)85%。TRONCON等[66]對果園專業(yè)農(nóng)用混合動力傳動系統(tǒng)部件性能進(jìn)行了分析,考慮尺寸約束和過載能力等要求,對電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,設(shè)計的混合動力傳動系統(tǒng)尺寸更小,生產(chǎn)成本更低(圖7c)。易遠(yuǎn)飛等[67]針對山地果園復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,設(shè)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(zhuǎn)向,越障能力強(qiáng),滿足山地果園的運輸要求。劉岳等[68]設(shè)計了一種采用電機(jī)為動力源的蝸輪蝸桿雙路傳動鏈傳動系統(tǒng)(圖7e),通過設(shè)計的實驗平臺驗證了可行性,該系統(tǒng)機(jī)械效率高,為山地果園蓄電池驅(qū)動的單軌運輸機(jī)的研究提供了參考。劉麗星等[69]針對丘陵地區(qū)果品采摘、果樹修剪等作業(yè)效率低的問題,研發(fā)了一種集采摘、運輸、修剪于一體的小型果園電動作業(yè)平臺(圖7f),結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,該平臺性能穩(wěn)定,續(xù)航能力強(qiáng),可在0°～10°坡地果園進(jìn)行高空農(nóng)事作業(yè),滿足果園作業(yè)農(nóng)藝要求。

圖7 電動果園作業(yè)機(jī)相關(guān)研究成果

電動果園作業(yè)機(jī)一般采用電機(jī)驅(qū)動,由電氣代替大量的機(jī)械傳動,機(jī)械傳動系統(tǒng)相對簡單,能夠縮小果園作業(yè)機(jī)的尺寸,電機(jī)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(shù)的限制,電動果園作業(yè)機(jī)的續(xù)航相對較短。而傳統(tǒng)果園作業(yè)機(jī)一般有離合器、變速機(jī)構(gòu)、差速器等機(jī)構(gòu),相對復(fù)雜,由發(fā)動機(jī)驅(qū)動,發(fā)動機(jī)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(zhì),在空間密閉的溫室大棚或生長茂密不透風(fēng)的果園中,進(jìn)行藥物噴灑或樹木修剪等作業(yè),缺少遠(yuǎn)程控制駕駛的功能,作業(yè)危險系數(shù)較高,維護(hù)成本較高。具體對比情況如表3所示。

表3 傳統(tǒng)果園作業(yè)機(jī)與電動果園作業(yè)機(jī)對比

綜上所述,目前國內(nèi)針對山地電動果園作業(yè)機(jī)械主要包括剪枝機(jī)、運輸機(jī)、施肥機(jī)、彌霧機(jī)等機(jī)械,電動果園作業(yè)機(jī)相對于傳統(tǒng)果園作業(yè)機(jī)的優(yōu)勢明顯,體型小、污染小、噪聲低,更適合于丘陵山地作業(yè),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(qū)、具體作業(yè)需求的專用電動果園作業(yè)機(jī),因此需要針對不同地區(qū)、不同丘陵山地地貌,不同作業(yè)需求,研發(fā)適合的電動果園作業(yè)機(jī)。

1.6 電動播種機(jī)

傳統(tǒng)播種機(jī)普遍采用燃油發(fā)動機(jī)作為動力,使用過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體,存在播種速度慢、作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定、播種過程監(jiān)控難等問題[70]。電動播種機(jī)具有播種精度高、種子損傷率較低和環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢,國內(nèi)外對電動播種機(jī)的研發(fā)已經(jīng)取得了較多成果。

2016年,矢崎公司生產(chǎn)的SYV-M系列電動播種機(jī)(圖8a),電機(jī)驅(qū)動,沒有污染廢氣排放,播種作業(yè)更加省力[71]。SUN等[72]設(shè)計了一種2BDE-2型電動播種機(jī)(圖8b),該機(jī)可一次性完成開溝、精少量排種、覆土和鎮(zhèn)壓等播種作業(yè),可解決谷子在丘陵和山區(qū)栽培難、工作量大等問題。JIN等[73]設(shè)計了小型蔬菜種子電動播種機(jī),使用纖維傳感器技術(shù)監(jiān)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(jī)(圖8c),通過升級為電動自走播種機(jī),減少環(huán)境污染,更適宜丘陵的播種作業(yè)。2019年在中國國際農(nóng)機(jī)展上北京德邦大為科技股份有限公司發(fā)布的電驅(qū)云技術(shù)高性能免耕精量播種機(jī)(圖8d),是國內(nèi)首臺集成FOC(矢量控制)電驅(qū)精量免耕播種施肥、作業(yè)信息感知傳感、播種智能監(jiān)測以及末端控制于一體的電驅(qū)智能精量播種機(jī)[75]。電動播種機(jī)相關(guān)研究成果如圖8所示。

圖8 電動播種機(jī)相關(guān)研究成果

與傳統(tǒng)播種機(jī)相比,電動播種機(jī)具有噪聲小、播種精度高、操作簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點,但仍存在續(xù)航時間短、受天氣影響較大等缺點。傳統(tǒng)播種機(jī)與電動播種機(jī)對比如表4所示。

表4 傳統(tǒng)播種機(jī)與電動播種機(jī)對比

綜上所述,目前國內(nèi)外正向電動播種機(jī)方向過渡。電動播種機(jī)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(yīng)用場景。

2 電動農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展瓶頸

電動車輛在傳統(tǒng)燃油車輛產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)上,在上游增加了電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)等部件,在下游增加了充電設(shè)施、電池回收等產(chǎn)業(yè)。近年來,隨著國家政策的支持和各項關(guān)鍵技術(shù)的突破,電動車輛產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展。目前,電池的使用壽命、安全性和續(xù)航能力是電動車輛行業(yè)急需解決的重要難題,充電基礎(chǔ)設(shè)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(nóng)業(yè)裝備的使用時間較為集中,為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)時間和農(nóng)藝的要求,農(nóng)業(yè)裝備往往需要具備優(yōu)越的適應(yīng)性、可靠性和續(xù)航能力等性能[77]。

(1)適應(yīng)性

與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備不同,電動農(nóng)業(yè)裝備均采用蓄電池作為整機(jī)關(guān)鍵部件,雖然在效率方面有較大提升,但是蓄電池在高溫、嚴(yán)寒等極端環(huán)境下適應(yīng)性較差,極端的溫度不僅會嚴(yán)重影響其性能,甚至還可能引發(fā)安全問題。

(2)可靠性

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為惡劣,電動農(nóng)業(yè)裝備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此對控制系統(tǒng)的要求較高。目前電動農(nóng)業(yè)裝備仍處于起步階段,樣機(jī)未經(jīng)市場化檢驗,亟待攻克可靠性關(guān)鍵技術(shù)。

(3)續(xù)航能力

受制于電池技術(shù)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(fù)荷率工況的作業(yè)要求,因此純電動系統(tǒng)僅用于輕負(fù)荷作業(yè),尚無法用于中、重負(fù)荷作業(yè)。

(4)充電基礎(chǔ)設(shè)施

大部分農(nóng)業(yè)裝備的使用頻率較低且使用時間較為集中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要地區(qū)往往是在鄉(xiāng)村等交通不便的地區(qū),因此充電基礎(chǔ)設(shè)施普及難度較大,同時充電設(shè)施的維護(hù)也是一大難題。

3 展望

(1)改進(jìn)電池技術(shù)

電池是制約電動農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的核心組件,通過研發(fā)新型電池材料,改進(jìn)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和離子傳輸路徑,優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)的組合和導(dǎo)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(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)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(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變,對電動作業(yè)裝備的智能化和自動化提出更高要求,利用傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù),實現(xiàn)農(nóng)田作物的精準(zhǔn)測量;采用自動駕駛技術(shù),實現(xiàn)農(nóng)田作業(yè)的自主導(dǎo)航和智能路徑規(guī)劃。

(3)提升電動農(nóng)業(yè)裝備的可靠性

通過設(shè)計合理的電路和系統(tǒng)布局,對設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、分析和判斷,識別設(shè)備或系統(tǒng)中存在的故障原因和位置,進(jìn)行可靠性測試和驗證,突破電磁兼容技術(shù)、故障診斷技術(shù)、試驗驗證技術(shù),可以有效減少故障發(fā)生的概率,提高農(nóng)業(yè)裝備的穩(wěn)定性。

(4)提升節(jié)能效果

優(yōu)化裝備的結(jié)構(gòu)和布局,采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料,減輕裝備的整體重量,降低能源消耗;采用瞬時優(yōu)化、動態(tài)規(guī)劃等能量管理策略提升電動農(nóng)業(yè)裝備的能量轉(zhuǎn)化效率,可有效提升裝備節(jié)能效果和減少環(huán)境污染,提高裝備的環(huán)境友好性。

(5)加大農(nóng)村充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

建立電動農(nóng)業(yè)裝備充電基礎(chǔ)設(shè)施需要綜合考慮充電站建設(shè)、太陽能充電系統(tǒng)、智能充電管理系統(tǒng)、政策支持和資金投入等因素。通過政府引導(dǎo)和多方合作,可以逐步建立農(nóng)村充電基礎(chǔ)設(shè)施,促進(jìn)電動農(nóng)業(yè)裝備的可持續(xù)發(fā)展和推廣應(yīng)用。