我國農業機械電動化發展探析*

陳立創 ，徐源俊 ，李 貝

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545007）

1 背景

防治環境污染，改善生態環境，推動共同治理，保障公共環境可持續發展是全球共識。我國提出碳達峰、碳中和重大戰略決策以來，國家加快科技創新驅動發展，不斷完善綠色低碳科技創新體系，促進綠色智能農業機械和節本增效農業機械化技術推廣應用，推進電動農機、智慧農機、智能農機應用，實現節能減排。在“雙碳”目標的指引下，我國的經濟結構和社會運轉方式都將發生重大調整和深刻變革[1]，以新技術、新材料為基礎開發的可再生、低碳排放的動力源替代汽油、柴油和天然氣等化石能源，驅動農業機械節能減排，基于農業機械電動化、智能化發展的數字化、智慧化農業，已經成為必然趨勢。

2 農業機械電動化發展的可行性分析

2.1 農業機械化的普及為電動化提供了必要條件

農業機械化是促進農業生產方式轉型升級、加速從農業大國邁向農業強國、提高農業國際競爭力的重要基礎，也是發展農業機械電動化的前提條件。為了提升農業現代化水平，加快推進農業機械普及推廣進程，我國政府部門相繼出臺了系列政策措施，旨在加快推進農業機械化，提升農業機械化率，加強電動化、智能化、復合型農業機械裝備研發應用，推動農業機械產業面向先進技術裝備轉型升級。2022 年，我國已經成為世界農機生產大國[2]，農業機械門類齊全，農業機械主要總量指標已位于世界前列，土壤耕作與施肥機械、作物種植與收獲機械和農業運輸與加工機械等農業機械總量接近2 億臺（套），全國范圍內農作物耕、種、收等綜合機械化率已經達到72%，其中，黑龍江、新疆農業機械化率分別達到97%、85%，為農業機械技術迭代升級進入電動化時代提供了良好的條件。

2.2 具有先進的電動化技術及產業保障

我國在電動汽車領域創新發展與實踐所取得的技術進步和產業成就為電動農業機械發展提供了有效可行的范本，在電動汽車發展起步階段提出以純電驅動為戰略導向，重點推進以純電動汽車和插電式混合動力汽車為方向的新能源汽車產業技術路線。進入新發展階段后，國家提出強化整車集成技術創新，協同發展純電動汽車、插電式混合動力汽車、插電式增程汽車和燃料電池汽車，全面提升我國新能源汽車國際競爭力。目前，我國新能源汽車發展已經由“政策驅動”轉向了“市場拉動”[3]，已經構建了完整的以純電動汽車為方向的新能源汽車產業體系，新能源汽車已經進入規模化發展階段，形成了以比亞迪、寧德時代、方正電機等公司為代表，引領新能源技術革命的世界級企業，出現了以深圳、上海、蘇州等城市為中心的新能源優勢產業城市集群，形成了完善的以電動化裝備為載體的產業鏈和供應鏈。動力電池、驅動電機和電控工程技術研發與應用位居全球先進水平。特別是近年來，自主創新電動技術相繼被成功應用到起重機、泵車、裝載機、挖掘機械等工程機械中[4]，裝備氫燃料電池技術、混合動力技術也被投入到中小型船舶、中大型客車和中大型貨車中進行商業試運營，為進一步拓展到農業機械領域提供了可參照、可實施的解決方案。

3 電動化技術發展主要路線

常見的電動化技術主要包括純電動、增程式、混合動力和氫燃料電池等模式，其中，純電動技術、混合動力技術和增程式技術的發展相對成熟，具有良好的市場化應用，也形成了完整的產業鏈。

3.1 純電動技術

純電動技術是目前成功得到大規模推廣應用的電動化技術。它是以電能作為唯一的動力源，通過車載可充電的動力電池組向電動機供電，使電機工作輸出機械能直接驅動傳動裝置、行駛裝置或工作裝置運行。在這個過程中，電池組的電能直接轉換為電機的機械能，能量損失少，也不產生尾氣排放，不直接排放有害物質。目前，市場上的主流動力電池主要有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種，也有科研機構在針對鈷電池、高鎳電池、固態電池、鈉離子電池等前瞻技術進行研發。電池的使用壽命、安全性和續航能力是電動化急需解決的重要難題[5]。動力電池組具有能量密度較高、儲能容量較大、充放電循環壽命長、安全性能好等特點，被廣泛應用到新能源汽車、工程機械和小型船舶等載運工具上。在電動汽車領域，由于充電設備設施得到普及，制造成本下降，車輛具有應用經濟性好、駕駛體驗感強、維護保養方便等優點，截至2022 年底，純電動汽車占據新能源汽車的主導地位，市場應用量占到新能源汽車總量的75%以上。

3.2 增程式技術

增程式技術是在純電動技術的基礎上，增加一個由發動機與發電機組成的增程器作為輔助動力裝置給動力電池組充電，以此延長續航里程，實際用于驅動執行裝置運動的仍然是電機。當電量高于設定的工作額度下限時，動力電池組直接驅動電機工作，提供整車工作功率，此時發動機處于停機狀態。當電量下降到設定的工作額度下限時，發動機自行啟動，驅動發電機工作，輸出電能向動力電池組充電，及時提升動力電池組的電量。由此可見，增程式電動技術相對純電動技術而言，在能量傳輸過程中，中間多了增程器，因此能源轉化利用效率相對較低。但是，在插電模式下，增程式技術的應用能夠在一定程度上提高續航里程，也能夠改善排放，降低能耗。正是有這樣的相對優勢，目前增程式汽車產量增長速度較快，市場保有量接近新能源汽車總量的20%，以額定功率比較高的中大型乘用車為主。

3.3 混合動力技術

混合動力技術通常是指油電混合動力技術，也就是同時配備發動機和電機兩套動力系統為執行裝置提供原始能量。其中，電池組與電機組成的動力源稱為電動力源。根據發動機、電動力源聯結方式分類，將混合動力技術分為串聯式、并聯式和混聯式三種類型。串聯式動力模式相當于增程式，由發動機、發電機和電機組成動力系統。并聯式動力模式就是發動機和電機共同提供動力，在電控系統調控下，能夠根據不同工況需要，既可以由發動機或電動力源單獨接入動力傳動系統，也可以由發動機或電動力源同時協調工作，提供驅動力。混聯式動力模式中，配置有發動機和發電機，可以搭配形成以發動機為主動力源、電機為輔助動力源，或者以電機為主動力源、發動機為輔助動力源的兩種結構形式。混合動力技術的優點是既可以使發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，提高動力性能和有效續航里程，又可以在一定程度上降低油耗與排放。混合動力裝置與增程式裝置相比，其制造技術和結構相對復雜，研發門檻高，研發應用受到一定影響，故國內開發的汽車產品不多。

3.4 氫燃料電池技術

氫燃料電池技術是利用高純度氫氣或含氫燃料經重整所得到的富氫重整氣作為燃料，通過讓氫氣和氧氣在催化劑作用下發生電化學反應產生電能，電能存儲在蓄電池組中，工作時傳輸給電機，電機工作輸出機械能，從而產生驅動力。氫氣儲存在高壓儲氫罐內，當儲氫罐內的氫氣減少時，可以根據需要向儲氫罐補充氫氣，或者采用更換高壓儲氫罐的方式實現氫氣的補給。氫氣的供給也可以采用配備燃料重整器的方式，將烴類燃料轉化為富氫氣體，然后輸往燃料電池堆棧經過化學反應產生電能。氫燃料電池技術與純電動技術相似，都是通過將電能轉換為電機的機械能輸出。氫氣的化學反應具有能量轉換效率高、啟動迅速、無污染物排放、功率隨時可調等特性。由于制氫成本高、加氫基礎設施少等問題，氫燃料電池技術應用的場景還比較少。

4 農業機械電動化發展現狀

當前，我國電動農業機械的發展嚴重滯后于汽車、工程機械和船舶等產業，還沒有形成獨立的產業鏈和供應鏈。小型農業機械電動化應用較為成功，純電動的微耕機、割草機、拖拉機、收割機等溫室大棚、果園、丘陵山區作業環境的農機設備形成了商業化應用[6]。與此同時，中小型電動植保無人機的規模化、產業化發展十分迅速，有可能完全替代傳統燃油動力的植保機械，成為電動化發展的新趨勢。電動化技術滲透率比較高的地面農業機械是拖拉機，出現了純電動拖拉機、混合動力拖拉機、增程式拖拉機[7]和氫燃料電池拖拉機，有的應用在大棚、果園等從事輕負荷作業，有的應用在水田開展旋耕、播種、田間管理等工作。電動農業機械雖然在局部細分領域得到了比較好的發展，但總的應用普及率還是相當低的，應用場景也有限。

4.1 產業發展相對滯后

我國幅員遼闊，地域地貌差異大，農作物種植面積分布廣，種植區域既有平原、山地、丘陵、坡耕地，也有旱地、水田、鹽堿地、低洼地等空曠開放的地理環境條件。氣候、天氣、土壤、地形結構因時因地以及因自然界熱輻射和工作負載隨機動態變動，對于電動農業機械機載電池的瞬態電流、瞬態功率特性、散熱特性和安全特性、覆蓋件保護特性等提出了較高的要求，市場產品的適用性、先進性、可靠性與實際需求仍存在差距。一方面，農業生產涉及的機械種類繁多，規格龐大，工作對象復雜，不同類別的農作物在耕、種、管、收等環節所對應的農業機械及機具型式規格差別大，所需動力電池容量、電壓、充放電時間和溫度管理系統配置以及電機額定功率、電流、轉速和過載能力保護功能等都有所不同。另一方面，農業機械制造企業數量眾多且分散，技術力量發展不平衡，技術規范和標準缺乏統一。因此，客觀上造成農業領域應用的電動農業機械所配置的動力電池組、電機、輔助發動機、氫燃料電池堆棧等關鍵零部件在制式與規格上大小不一，規格眾多，兼容性差，難以進行規模化生產，一定程度上制約了農業機械電動化產業發展。

4.2 實際運用成本高

電動農業機械的購置費用往往比較高，大概為同等規格燃油農業機械價格的兩倍以上。而農業生產具有季節性、地域性和周期性，農業機械的流通性差，使得很多農業機械只能在特定時間段、特定區域內或特定氣象條件下作業，客觀上造成農業機械存在閑置期，在一個工作周期內的利用率相對較低，相對傳統機械而言，實際收益率受損，性價比不高。另外，廣大農村地區的充電基礎設施建設不完善，基本上沒有公共充電樁，造成充電難和工作過程不便利，尤其是在廣袤鄉村和偏遠山區，田間地頭的用電還無法保障。充電基礎設施不完善的問題影響了電動化技術的推廣應用[8]。如果為了保證電動農業機械能夠連續正常工作而采用換電方式來提高續航里程或工作時長，則需要配備另外的車輛來運載換用電池，這既影響作業效率，又增加額外成本。與此同時，動力電池在全生命周期內存在容量衰減，例如，三元鋰電池的壽命一般為1 200 次充放電循環，磷酸鐵鋰電池的壽命為3 000 次充放電循環，更換動力電池投入的資金成本也相對較高，這在一定程度上制約了電動農業機械的推廣應用。

4.3 續航里程受限

這里所說的續航里程是指電動農業機械在充滿電及儲滿燃料狀態下的累計運用時間。與傳統農機相比，影響電動農機續航里程的主要因素是電池的比能量。比能量也稱為能量密度，是指單位質量或單位體積電池所獲得的能量。理論上來說，電池組的容量越高，存儲的電能就越多，農業機械的續航里程就越長。但是容量高就意味著電池的質量或體積越大。目前，磷酸鐵鋰電池的能量密度約為200 Wh/kg，三元鋰電池的能量密度達到300 Wh/kg 左右。如果純電動農業機械配置磷酸鐵鋰電池，裝機額定功率為100 kW，要求工作8 h，那么電池組的重量將達到4 000 kg，這顯然是不現實的，所以只能通過降低電池組的重量達到優化結構與性能的目的，其結果就是續航里程下降。車載儲氣罐壓力在70 MPa狀態下的氫氣密度為39 kg/m3，單位體積的氫氣能量密度也還是不能滿足續航里程所需。此外，電池組的續航里程還受到外部溫度、農業機械重量、天氣、工況等因素影響。

4.4 研發力量薄弱

電動化技術是我國重點優先發展的前沿技術之一。我國農業機械技術研發力量，特別是電動化技術研發力量還相當薄弱，高層次科研人員數量欠缺，技術創新能力不足，研發資金投入少，高水平科研成果轉化率不高，產品智能化水平也不高。農業裝備的推廣應用還處在高度依賴政策性補貼、補助加持階段，農機購置補貼資金從2004 年的0.7 億元增加到2022年的220 億元，尚沒有形成市場需求拉動、刺激供給側主動加速技術升級提高產品競爭力的良性局面。在電動化領域，以動力電池、氫燃料電池、電機和控制單元為核心的技術升級和產品迭代相當快。對于電動農業機械的研發，為了應對復雜的工況和應用環境，需要探索如何提高動力電池能量密度、抗震性能、充放電耐用壽命和低溫性能[9]以及電機低速大功率、大扭矩和過載等動態性能，解決如何提高充電效率、大功率充電和無線充電技術等難題[10]，加速研究燃料電池技術的轉化與應用，并探索如何降低用戶的使用成本等。與電動汽車領域相比，電動農業機械制造還相當落后，技術研發能力和科研水平的提高還需要國家加大政策的傾斜與扶持。

5 農業機械電動化發展技術路線探析

5.1 純電動農業機械是實現電動化的必由之路

發展純電動農業機械是實現電動技術應用最為簡單便捷、有效可靠的一種方式。在電池能量密度還沒有大幅度提高的情況下，對于一些連續工作時間要求不長，或者間歇性工作、工作負載輕、負載變動不頻繁的中小功率農業機械，如果在對續航里程要求不高、電池組應用性能受外界環境影響不大的作業條件下，可以選擇采用純電動技術。當前市場上已出現了以背負式電池組、機載式電池組單元模塊化的純電動農業機械，應用在農作物播種、種植、護理、收獲、加工以及農田建設、田間管理等生產和管理環節，并且在一些領域、局部地區建立了產業鏈和供應鏈，形成規模化、商業化推廣應用。與傳統農業機械相比，純電動農業機械在應用成本上還是具有相當高的性價比和應用成本優勢的，而且制造技術難度小，整機結構得到優化，應用性能得到提升，操作簡約化和智能化。應該說，利用國內優先發展起來的純電動汽車和純電動工程機械產業平臺，轉化為配套電動農業機械應用的電池、電機和電控單元等核心零部件、集成系統開展定制化生產，可以迅速提升電動農業機械產業發展水平，提高電動農業機械良好的投入產出效益。

5.2 插電式增程和混合動力農業機械是重要的過渡產品業態

增程技術和混合動力技術的應用對于降碳減排的效果具有局限性，不是真正意義上的綠色技術。但是，對于中大型農業機械來說，當前或者在未來一段時間內，純電動化技術無法滿足續航里程需求和長時間工作需要。尤其是在充電設施不完善、配套送電能力欠缺的農業區域，諸如邊遠的田間地頭、坡地嶺頭和遠離人口集聚區域的農業墾區等，純電動農業機械的充電、換電成為實實在在的瓶頸。另外，對于一些作業時效性、季節性要求高的作物，例如甘蔗、水稻、小麥等的作業采收以及對于農業機械功率大、連續工作時間長的農業區域來說，純電動化技術還存在諸多不適應性。與此同時，我國正在推進智慧農業、數字化農業建設，推動具有智能感知、自動導航、精準作業、無人作業、智能控制和智慧管理功能[11]的智能農業機械開展智慧化協同作業、遠程控制作業、機器人作業或者運維管理以及精準施肥、精準施藥和精準灌溉作業等[12]，這需要確保電動農業機械能連續長時間工作，以提高可靠性、效率和效益。插電式增程農業機械和插電式混合動力農業機械在一定程度上滿足了特定場景的作業需要。在以提高續航里程為主要目的的電動化解決方案當中，應當優先發展插電式增程農業機械，因為相對插電式混合動力農業機械而言，插電式增程農業機械的能量傳動結構和電氣控制單元較為簡約，設計和制造技術要求不高，應用成本也有優勢。

5.3 氫燃料電池農業機械是未來發展的重點方向

氫能具有發展前景好、可持續性強的優點，是替代化石燃料最為可靠的二次清潔能源，以氫燃料電池作為動力能源的新技術研發及其產業化被認為是解決未來人類能源危機的最好方案。我國具有發展氫燃料電池的優勢，金屬儲氫原料產能位列全球首位[13]。目前，氫燃料電池技術已經實驗性地成功應用到各行各業，包括拖拉機、乘用車、商用車、船舶、工程機械、無人機等在內的高新電動產品。但是，當前用于氫燃料電池的電解水制氫的成本還是相當高昂，需要花費56 kW·h 電生產1 kg 氫氣，而1 kg 氫氣與氧氣產生化學反應能夠實現有效發電20 kW·h 左右。同時，制氫、儲氫的成本高、效能低，還需要通過技術進步得到更好優化。未來，在太陽能、風能形成規模化產業的情況下，如果氫氣儲能技術得到快速發展并普及應用，加氫設施得到完善，儲運氫氣突破氣態、液態，甚至轉化為固態，氫燃料電堆能量密度將大幅提高，將驅動電動技術進入一個全新的“純綠色”發展階段。氫燃料電池技術在農業機械的應用，應該以中大型農業機械或者中大功率農業機械為主要發展方向，重點解決純電動農業機械能量消耗大、連續工作時長不足、換電難、充電不方便、送電成本高等問題，以提高應對復雜工況及可靠性要求高的工作場景的適應性。

6 結語

農業機械種類多，應用場景廣，作業工況復雜，在面向電動化、智能化的轉型升級過程中，農業機械制造商應當加強技術創新，加快融合載運工具領域迭代升級的電動技術，根據國家政策導向和市場及用戶需求，有條件地借鑒、吸收、轉化載運工具成熟可靠的電動化制造工藝、技術，合理利用載運工具形成的產業鏈、供應鏈，促使電動農業機械伴隨先進的電動化技術，實現市場化的自主適應性發展，形成產業化和規模化。