我国农业机械电动化发展探析*

陈立创 ，徐源俊 ，李 贝

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545007）

1 背景

防治环境污染，改善生态环境，推动共同治理，保障公共环境可持续发展是全球共识。我国提出碳达峰、碳中和重大战略决策以来，国家加快科技创新驱动发展，不断完善绿色低碳科技创新体系，促进绿色智能农业机械和节本增效农业机械化技术推广应用，推进电动农机、智慧农机、智能农机应用，实现节能减排。在“双碳”目标的指引下，我国的经济结构和社会运转方式都将发生重大调整和深刻变革[1]，以新技术、新材料为基础开发的可再生、低碳排放的动力源替代汽油、柴油和天然气等化石能源，驱动农业机械节能减排，基于农业机械电动化、智能化发展的数字化、智慧化农业，已经成为必然趋势。

2 农业机械电动化发展的可行性分析

2.1 农业机械化的普及为电动化提供了必要条件

农业机械化是促进农业生产方式转型升级、加速从农业大国迈向农业强国、提高农业国际竞争力的重要基础，也是发展农业机械电动化的前提条件。为了提升农业现代化水平，加快推进农业机械普及推广进程，我国政府部门相继出台了系列政策措施，旨在加快推进农业机械化，提升农业机械化率，加强电动化、智能化、复合型农业机械装备研发应用，推动农业机械产业面向先进技术装备转型升级。2022 年，我国已经成为世界农机生产大国[2]，农业机械门类齐全，农业机械主要总量指标已位于世界前列，土壤耕作与施肥机械、作物种植与收获机械和农业运输与加工机械等农业机械总量接近2 亿台（套），全国范围内农作物耕、种、收等综合机械化率已经达到72%，其中，黑龙江、新疆农业机械化率分别达到97%、85%，为农业机械技术迭代升级进入电动化时代提供了良好的条件。

2.2 具有先进的电动化技术及产业保障

我国在电动汽车领域创新发展与实践所取得的技术进步和产业成就为电动农业机械发展提供了有效可行的范本，在电动汽车发展起步阶段提出以纯电驱动为战略导向，重点推进以纯电动汽车和插电式混合动力汽车为方向的新能源汽车产业技术路线。进入新发展阶段后，国家提出强化整车集成技术创新，协同发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车、插电式增程汽车和燃料电池汽车，全面提升我国新能源汽车国际竞争力。目前，我国新能源汽车发展已经由“政策驱动”转向了“市场拉动”[3]，已经构建了完整的以纯电动汽车为方向的新能源汽车产业体系，新能源汽车已经进入规模化发展阶段，形成了以比亚迪、宁德时代、方正电机等公司为代表，引领新能源技术革命的世界级企业，出现了以深圳、上海、苏州等城市为中心的新能源优势产业城市集群，形成了完善的以电动化装备为载体的产业链和供应链。动力电池、驱动电机和电控工程技术研发与应用位居全球先进水平。特别是近年来，自主创新电动技术相继被成功应用到起重机、泵车、装载机、挖掘机械等工程机械中[4]，装备氢燃料电池技术、混合动力技术也被投入到中小型船舶、中大型客车和中大型货车中进行商业试运营，为进一步拓展到农业机械领域提供了可参照、可实施的解决方案。

3 电动化技术发展主要路线

常见的电动化技术主要包括纯电动、增程式、混合动力和氢燃料电池等模式，其中，纯电动技术、混合动力技术和增程式技术的发展相对成熟，具有良好的市场化应用，也形成了完整的产业链。

3.1 纯电动技术

纯电动技术是目前成功得到大规模推广应用的电动化技术。它是以电能作为唯一的动力源，通过车载可充电的动力电池组向电动机供电，使电机工作输出机械能直接驱动传动装置、行驶装置或工作装置运行。在这个过程中，电池组的电能直接转换为电机的机械能，能量损失少，也不产生尾气排放，不直接排放有害物质。目前，市场上的主流动力电池主要有三元锂电池和磷酸铁锂电池两种，也有科研机构在针对钴电池、高镍电池、固态电池、钠离子电池等前瞻技术进行研发。电池的使用寿命、安全性和续航能力是电动化急需解决的重要难题[5]。动力电池组具有能量密度较高、储能容量较大、充放电循环寿命长、安全性能好等特点，被广泛应用到新能源汽车、工程机械和小型船舶等载运工具上。在电动汽车领域，由于充电设备设施得到普及，制造成本下降，车辆具有应用经济性好、驾驶体验感强、维护保养方便等优点，截至2022 年底，纯电动汽车占据新能源汽车的主导地位，市场应用量占到新能源汽车总量的75%以上。

3.2 增程式技术

增程式技术是在纯电动技术的基础上，增加一个由发动机与发电机组成的增程器作为辅助动力装置给动力电池组充电，以此延长续航里程，实际用于驱动执行装置运动的仍然是电机。当电量高于设定的工作额度下限时，动力电池组直接驱动电机工作，提供整车工作功率，此时发动机处于停机状态。当电量下降到设定的工作额度下限时，发动机自行启动，驱动发电机工作，输出电能向动力电池组充电，及时提升动力电池组的电量。由此可见，增程式电动技术相对纯电动技术而言，在能量传输过程中，中间多了增程器，因此能源转化利用效率相对较低。但是，在插电模式下，增程式技术的应用能够在一定程度上提高续航里程，也能够改善排放，降低能耗。正是有这样的相对优势，目前增程式汽车产量增长速度较快，市场保有量接近新能源汽车总量的20%，以额定功率比较高的中大型乘用车为主。

3.3 混合动力技术

混合动力技术通常是指油电混合动力技术，也就是同时配备发动机和电机两套动力系统为执行装置提供原始能量。其中，电池组与电机组成的动力源称为电动力源。根据发动机、电动力源联结方式分类，将混合动力技术分为串联式、并联式和混联式三种类型。串联式动力模式相当于增程式，由发动机、发电机和电机组成动力系统。并联式动力模式就是发动机和电机共同提供动力，在电控系统调控下，能够根据不同工况需要，既可以由发动机或电动力源单独接入动力传动系统，也可以由发动机或电动力源同时协调工作，提供驱动力。混联式动力模式中，配置有发动机和发电机，可以搭配形成以发动机为主动力源、电机为辅助动力源，或者以电机为主动力源、发动机为辅助动力源的两种结构形式。混合动力技术的优点是既可以使发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，提高动力性能和有效续航里程，又可以在一定程度上降低油耗与排放。混合动力装置与增程式装置相比，其制造技术和结构相对复杂，研发门槛高，研发应用受到一定影响，故国内开发的汽车产品不多。

3.4 氢燃料电池技术

氢燃料电池技术是利用高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的富氢重整气作为燃料，通过让氢气和氧气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，电能存储在蓄电池组中，工作时传输给电机，电机工作输出机械能，从而产生驱动力。氢气储存在高压储氢罐内，当储氢罐内的氢气减少时，可以根据需要向储氢罐补充氢气，或者采用更换高压储氢罐的方式实现氢气的补给。氢气的供给也可以采用配备燃料重整器的方式，将烃类燃料转化为富氢气体，然后输往燃料电池堆栈经过化学反应产生电能。氢燃料电池技术与纯电动技术相似，都是通过将电能转换为电机的机械能输出。氢气的化学反应具有能量转换效率高、启动迅速、无污染物排放、功率随时可调等特性。由于制氢成本高、加氢基础设施少等问题，氢燃料电池技术应用的场景还比较少。

4 农业机械电动化发展现状

当前，我国电动农业机械的发展严重滞后于汽车、工程机械和船舶等产业，还没有形成独立的产业链和供应链。小型农业机械电动化应用较为成功，纯电动的微耕机、割草机、拖拉机、收割机等温室大棚、果园、丘陵山区作业环境的农机设备形成了商业化应用[6]。与此同时，中小型电动植保无人机的规模化、产业化发展十分迅速，有可能完全替代传统燃油动力的植保机械，成为电动化发展的新趋势。电动化技术渗透率比较高的地面农业机械是拖拉机，出现了纯电动拖拉机、混合动力拖拉机、增程式拖拉机[7]和氢燃料电池拖拉机，有的应用在大棚、果园等从事轻负荷作业，有的应用在水田开展旋耕、播种、田间管理等工作。电动农业机械虽然在局部细分领域得到了比较好的发展，但总的应用普及率还是相当低的，应用场景也有限。

4.1 产业发展相对滞后

我国幅员辽阔，地域地貌差异大，农作物种植面积分布广，种植区域既有平原、山地、丘陵、坡耕地，也有旱地、水田、盐碱地、低洼地等空旷开放的地理环境条件。气候、天气、土壤、地形结构因时因地以及因自然界热辐射和工作负载随机动态变动，对于电动农业机械机载电池的瞬态电流、瞬态功率特性、散热特性和安全特性、覆盖件保护特性等提出了较高的要求，市场产品的适用性、先进性、可靠性与实际需求仍存在差距。一方面，农业生产涉及的机械种类繁多，规格庞大，工作对象复杂，不同类别的农作物在耕、种、管、收等环节所对应的农业机械及机具型式规格差别大，所需动力电池容量、电压、充放电时间和温度管理系统配置以及电机额定功率、电流、转速和过载能力保护功能等都有所不同。另一方面，农业机械制造企业数量众多且分散，技术力量发展不平衡，技术规范和标准缺乏统一。因此，客观上造成农业领域应用的电动农业机械所配置的动力电池组、电机、辅助发动机、氢燃料电池堆栈等关键零部件在制式与规格上大小不一，规格众多，兼容性差，难以进行规模化生产，一定程度上制约了农业机械电动化产业发展。

4.2 实际运用成本高

电动农业机械的购置费用往往比较高，大概为同等规格燃油农业机械价格的两倍以上。而农业生产具有季节性、地域性和周期性，农业机械的流通性差，使得很多农业机械只能在特定时间段、特定区域内或特定气象条件下作业，客观上造成农业机械存在闲置期，在一个工作周期内的利用率相对较低，相对传统机械而言，实际收益率受损，性价比不高。另外，广大农村地区的充电基础设施建设不完善，基本上没有公共充电桩，造成充电难和工作过程不便利，尤其是在广袤乡村和偏远山区，田间地头的用电还无法保障。充电基础设施不完善的问题影响了电动化技术的推广应用[8]。如果为了保证电动农业机械能够连续正常工作而采用换电方式来提高续航里程或工作时长，则需要配备另外的车辆来运载换用电池，这既影响作业效率，又增加额外成本。与此同时，动力电池在全生命周期内存在容量衰减，例如，三元锂电池的寿命一般为1 200 次充放电循环，磷酸铁锂电池的寿命为3 000 次充放电循环，更换动力电池投入的资金成本也相对较高，这在一定程度上制约了电动农业机械的推广应用。

4.3 续航里程受限

这里所说的续航里程是指电动农业机械在充满电及储满燃料状态下的累计运用时间。与传统农机相比，影响电动农机续航里程的主要因素是电池的比能量。比能量也称为能量密度，是指单位质量或单位体积电池所获得的能量。理论上来说，电池组的容量越高，存储的电能就越多，农业机械的续航里程就越长。但是容量高就意味着电池的质量或体积越大。目前，磷酸铁锂电池的能量密度约为200 Wh/kg，三元锂电池的能量密度达到300 Wh/kg 左右。如果纯电动农业机械配置磷酸铁锂电池，装机额定功率为100 kW，要求工作8 h，那么电池组的重量将达到4 000 kg，这显然是不现实的，所以只能通过降低电池组的重量达到优化结构与性能的目的，其结果就是续航里程下降。车载储气罐压力在70 MPa状态下的氢气密度为39 kg/m3，单位体积的氢气能量密度也还是不能满足续航里程所需。此外，电池组的续航里程还受到外部温度、农业机械重量、天气、工况等因素影响。

4.4 研发力量薄弱

电动化技术是我国重点优先发展的前沿技术之一。我国农业机械技术研发力量，特别是电动化技术研发力量还相当薄弱，高层次科研人员数量欠缺，技术创新能力不足，研发资金投入少，高水平科研成果转化率不高，产品智能化水平也不高。农业装备的推广应用还处在高度依赖政策性补贴、补助加持阶段，农机购置补贴资金从2004 年的0.7 亿元增加到2022年的220 亿元，尚没有形成市场需求拉动、刺激供给侧主动加速技术升级提高产品竞争力的良性局面。在电动化领域，以动力电池、氢燃料电池、电机和控制单元为核心的技术升级和产品迭代相当快。对于电动农业机械的研发，为了应对复杂的工况和应用环境，需要探索如何提高动力电池能量密度、抗震性能、充放电耐用寿命和低温性能[9]以及电机低速大功率、大扭矩和过载等动态性能，解决如何提高充电效率、大功率充电和无线充电技术等难题[10]，加速研究燃料电池技术的转化与应用，并探索如何降低用户的使用成本等。与电动汽车领域相比，电动农业机械制造还相当落后，技术研发能力和科研水平的提高还需要国家加大政策的倾斜与扶持。

5 农业机械电动化发展技术路线探析

5.1 纯电动农业机械是实现电动化的必由之路

发展纯电动农业机械是实现电动技术应用最为简单便捷、有效可靠的一种方式。在电池能量密度还没有大幅度提高的情况下，对于一些连续工作时间要求不长，或者间歇性工作、工作负载轻、负载变动不频繁的中小功率农业机械，如果在对续航里程要求不高、电池组应用性能受外界环境影响不大的作业条件下，可以选择采用纯电动技术。当前市场上已出现了以背负式电池组、机载式电池组单元模块化的纯电动农业机械，应用在农作物播种、种植、护理、收获、加工以及农田建设、田间管理等生产和管理环节，并且在一些领域、局部地区建立了产业链和供应链，形成规模化、商业化推广应用。与传统农业机械相比，纯电动农业机械在应用成本上还是具有相当高的性价比和应用成本优势的，而且制造技术难度小，整机结构得到优化，应用性能得到提升，操作简约化和智能化。应该说，利用国内优先发展起来的纯电动汽车和纯电动工程机械产业平台，转化为配套电动农业机械应用的电池、电机和电控单元等核心零部件、集成系统开展定制化生产，可以迅速提升电动农业机械产业发展水平，提高电动农业机械良好的投入产出效益。

5.2 插电式增程和混合动力农业机械是重要的过渡产品业态

增程技术和混合动力技术的应用对于降碳减排的效果具有局限性，不是真正意义上的绿色技术。但是，对于中大型农业机械来说，当前或者在未来一段时间内，纯电动化技术无法满足续航里程需求和长时间工作需要。尤其是在充电设施不完善、配套送电能力欠缺的农业区域，诸如边远的田间地头、坡地岭头和远离人口集聚区域的农业垦区等，纯电动农业机械的充电、换电成为实实在在的瓶颈。另外，对于一些作业时效性、季节性要求高的作物，例如甘蔗、水稻、小麦等的作业采收以及对于农业机械功率大、连续工作时间长的农业区域来说，纯电动化技术还存在诸多不适应性。与此同时，我国正在推进智慧农业、数字化农业建设，推动具有智能感知、自动导航、精准作业、无人作业、智能控制和智慧管理功能[11]的智能农业机械开展智慧化协同作业、远程控制作业、机器人作业或者运维管理以及精准施肥、精准施药和精准灌溉作业等[12]，这需要确保电动农业机械能连续长时间工作，以提高可靠性、效率和效益。插电式增程农业机械和插电式混合动力农业机械在一定程度上满足了特定场景的作业需要。在以提高续航里程为主要目的的电动化解决方案当中，应当优先发展插电式增程农业机械，因为相对插电式混合动力农业机械而言，插电式增程农业机械的能量传动结构和电气控制单元较为简约，设计和制造技术要求不高，应用成本也有优势。

5.3 氢燃料电池农业机械是未来发展的重点方向

氢能具有发展前景好、可持续性强的优点，是替代化石燃料最为可靠的二次清洁能源，以氢燃料电池作为动力能源的新技术研发及其产业化被认为是解决未来人类能源危机的最好方案。我国具有发展氢燃料电池的优势，金属储氢原料产能位列全球首位[13]。目前，氢燃料电池技术已经实验性地成功应用到各行各业，包括拖拉机、乘用车、商用车、船舶、工程机械、无人机等在内的高新电动产品。但是，当前用于氢燃料电池的电解水制氢的成本还是相当高昂，需要花费56 kW·h 电生产1 kg 氢气，而1 kg 氢气与氧气产生化学反应能够实现有效发电20 kW·h 左右。同时，制氢、储氢的成本高、效能低，还需要通过技术进步得到更好优化。未来，在太阳能、风能形成规模化产业的情况下，如果氢气储能技术得到快速发展并普及应用，加氢设施得到完善，储运氢气突破气态、液态，甚至转化为固态，氢燃料电堆能量密度将大幅提高，将驱动电动技术进入一个全新的“纯绿色”发展阶段。氢燃料电池技术在农业机械的应用，应该以中大型农业机械或者中大功率农业机械为主要发展方向，重点解决纯电动农业机械能量消耗大、连续工作时长不足、换电难、充电不方便、送电成本高等问题，以提高应对复杂工况及可靠性要求高的工作场景的适应性。

6 结语

农业机械种类多，应用场景广，作业工况复杂，在面向电动化、智能化的转型升级过程中，农业机械制造商应当加强技术创新，加快融合载运工具领域迭代升级的电动技术，根据国家政策导向和市场及用户需求，有条件地借鉴、吸收、转化载运工具成熟可靠的电动化制造工艺、技术，合理利用载运工具形成的产业链、供应链，促使电动农业机械伴随先进的电动化技术，实现市场化的自主适应性发展，形成产业化和规模化。