淺析農(nóng)業(yè)機(jī)械電氣化發(fā)展趨勢*

譚 靜 ，劉莉滋

（重慶三峽學(xué)院，重慶 404100）

0 引言

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，在保證國家糧食安全和社會安定方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高，內(nèi)燃機(jī)所排放的二氧化碳、甲烷、氮氧化物等污染物越來越引起人們的高度重視。這些氣體不但會污染環(huán)境，還會致癌、致畸等，嚴(yán)重威脅操作者的健康。另外，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)所排放的微粒會污染土壤，從而對農(nóng)作物造成傷害，從長遠(yuǎn)來看會導(dǎo)致作物產(chǎn)量和食品質(zhì)量的下降。

新世紀(jì)以來，農(nóng)用機(jī)械的數(shù)量不斷增加，預(yù)計(jì)在未來的一段時(shí)間里還將繼續(xù)增長。由此，燃油消耗量和尾氣排放量都將隨之提高，如何降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境產(chǎn)生的副作用，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的科學(xué)化，提高糧食產(chǎn)量以及推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵所在[1]。其中，從農(nóng)業(yè)機(jī)械的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械動力系統(tǒng)進(jìn)行改造是一個(gè)可行的解決方案，這也順應(yīng)了汽車行業(yè)向新能源發(fā)展的趨勢。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中引入電氣驅(qū)動，除了能節(jié)省燃料、減少排放外，還有許多其他相關(guān)優(yōu)勢[2]。比如，農(nóng)用機(jī)械運(yùn)營成本可以大大降低，這不僅是因?yàn)榻档土藢κ唾Y源的消耗，而且是由于機(jī)械復(fù)雜性的降低，維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。此外，通過更好地利用可再生能源，如光伏或生物燃?xì)獍l(fā)電廠，進(jìn)一步降低了運(yùn)營成本并實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。

課題組首先對傳統(tǒng)動力和電氣化動力系統(tǒng)進(jìn)行了介紹；其次總結(jié)了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械動力系統(tǒng)發(fā)展情況，包括油電混合動力系統(tǒng)、燃料動力系統(tǒng)和純電動力系統(tǒng)；重點(diǎn)探討了電氣動力系統(tǒng)發(fā)展的必要性；最后討論電氣動力系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

1 傳統(tǒng)動力和電氣化動力系統(tǒng)比較

傳統(tǒng)的農(nóng)用機(jī)械采用內(nèi)燃機(jī)作為主要的動力源。它是通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部的氣缸燃燒和膨脹從而推動活塞做功，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，進(jìn)而帶動從動機(jī)械工作。常見的內(nèi)燃機(jī)有柴油機(jī)和汽油機(jī)，通過將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動機(jī)械部件工作[3]。但機(jī)械數(shù)量的急劇增長給環(huán)境造成了巨大壓力。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的目標(biāo)，動力系統(tǒng)電氣化是目前主要的發(fā)展趨勢。動力系統(tǒng)電氣化是指在驅(qū)動系統(tǒng)中引入電力驅(qū)動，以提供車輛的主要負(fù)載。首先，車輛環(huán)境愈發(fā)多變，機(jī)械的動力系統(tǒng)也發(fā)生了變化，這為農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇；其次，在排放方面，農(nóng)用機(jī)械“零排放”的觀念越來越被人們關(guān)注，將以綠色環(huán)保為目標(biāo)，旨在為人類創(chuàng)造一個(gè)健康的居住環(huán)境。將農(nóng)用機(jī)械升級為電力驅(qū)動系統(tǒng)以后，不管是燃油消耗，還是廢氣排放，都會明顯的減少，這就達(dá)到了追求環(huán)保性的目的，進(jìn)一步達(dá)成動力系統(tǒng)的整個(gè)生命周期綠色及可再生循環(huán)的終極目標(biāo)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械動力系統(tǒng)發(fā)展情況

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械（簡稱“農(nóng)機(jī)”）的制造水平、裝備總量、作業(yè)水平取得快速發(fā)展，促使農(nóng)業(yè)從先前以人力、畜力為主的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型為以機(jī)械動力為主的機(jī)械化新階段[4]。目前，我國是世界第一大農(nóng)機(jī)生產(chǎn)與使用國。然而，在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備自動化、信息化、智能化等技術(shù)研究與應(yīng)用方面，我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。為了更好地解決農(nóng)業(yè)機(jī)械化規(guī)模擴(kuò)大所伴隨的石化燃料過多消耗、環(huán)境污染加劇的問題，我國有關(guān)農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)排放法規(guī)要求越來越嚴(yán)格。目前已經(jīng)采用油電混合動力系統(tǒng)、燃料動力系統(tǒng)和純電動力系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)機(jī)組作業(yè)時(shí)的零排放、無污染、低噪聲、高效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化過程中的節(jié)能減排。

2.1 油電混合動力系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中，油電混合動力至少有兩種動力源，其中一種能夠存儲電能，而另一種通常是以柴油為燃料的內(nèi)燃機(jī)供能，具有更好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；低負(fù)荷狀態(tài)下采用純電模式驅(qū)動，可在一定程度上緩解能源危機(jī)并減少環(huán)境污染。系統(tǒng)的主體是柴油發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲能設(shè)備、驅(qū)動電機(jī)、電動傳動系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等[5]。

在油電混合動力系統(tǒng)中，儲能裝置是一個(gè)非常重要的部分，可使農(nóng)用機(jī)械一直保持在高效區(qū)工作。當(dāng)外負(fù)載大小改變時(shí)，它可以通過充放電來補(bǔ)充能量，以適應(yīng)外部負(fù)載的變化，并可減小發(fā)動機(jī)的裝機(jī)功率；負(fù)載與發(fā)動機(jī)之間采用電氣連接方式，可減小負(fù)載波動的影響，同時(shí)蓄能設(shè)備的充放電有利于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn)；儲能裝置的輔助作用可降低怠速的轉(zhuǎn)速，甚至可以達(dá)到短暫的柴油機(jī)不工作?；旌蟿恿ο到y(tǒng)部分動力能源仍然由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)提供，可以減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械對石油的依賴和對環(huán)境的污染程度，但無法徹底地解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題[6]?；旌蟿恿r(nóng)業(yè)機(jī)械只能作為傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)向新能源農(nóng)用機(jī)械發(fā)展的過渡方案。

2.2 燃料動力系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中，燃料動力系統(tǒng)通常以氫氣作為燃料，與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)供電，使農(nóng)用機(jī)械工作[7]。燃料動力系統(tǒng)的能量來自氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過程并不涉及燃燒和熱機(jī)做功，不會產(chǎn)生對人體有害的化學(xué)物質(zhì)，也不會對環(huán)境造成污染。燃料動力系統(tǒng)具有效率高、噪聲低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，被人們認(rèn)為是理想的動力源。然而，由于燃料電池的制造、使用和維護(hù)費(fèi)用較高，關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，可靠性低和運(yùn)行壽命短，所以無法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、市場化。

2.3 純電動力系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中，純電動力系統(tǒng)所有的動力源都來自蓄電池中存儲的電能。驅(qū)動電機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪旋轉(zhuǎn)，從而推動農(nóng)業(yè)機(jī)械高效工作[8]。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍更廣，并且驅(qū)動電機(jī)的低速恒轉(zhuǎn)矩與高速恒功率特性可以更好地控制農(nóng)用機(jī)械的起停和高功率運(yùn)作。純電動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高、噪聲低、零排放，可解決農(nóng)用機(jī)械大規(guī)模使用給人類帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。

3 電氣動力系統(tǒng)發(fā)展的必要性

2017年10月18日，習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，指出農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問題是關(guān)系國計(jì)民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重[9]。要實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，就要培育現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)人才隊(duì)伍。現(xiàn)代化新農(nóng)民的培育，要從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化管理、農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化管理和農(nóng)業(yè)技術(shù)智能化推廣三個(gè)維度來進(jìn)行。

這些都促使生產(chǎn)廠家對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造，并推動這一課題的工業(yè)和學(xué)術(shù)研究。在眾多的建議中，傳統(tǒng)動力系統(tǒng)向電氣化動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換是一個(gè)可行的解決方案，這順應(yīng)了目前大力發(fā)展新能源的趨勢。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中引入電氣驅(qū)動，除了能節(jié)省燃料、減少排放外，還有許多其他相關(guān)優(yōu)勢[10]。農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)營成本可以大大降低，這不僅是因?yàn)楦偷娜剂舷模沂怯捎跈C(jī)械復(fù)雜性降低，維護(hù)費(fèi)用也減少了。通過更經(jīng)濟(jì)地利用可再生能源，如光伏或生物燃?xì)獍l(fā)電，可以為農(nóng)用機(jī)械的車載電池充電，從而進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。由于可以使用更少的擋位，或以更有效的方式開發(fā)線控系統(tǒng)和車輛穩(wěn)定性的自動控制，車輛的安全性和駕駛性能將得到極大提高。此外，電力驅(qū)動可以改善拖拉機(jī)的性能，并增加新的功能如精確耕種，可以提高農(nóng)機(jī)使用率。事實(shí)上，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)比液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)更能與自動系統(tǒng)兼容，因?yàn)樗鼈兏菀卓刂啤?/p>

4 電氣動力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)

盡管有上述優(yōu)勢，但在農(nóng)業(yè)機(jī)械電氣化方面仍有一些問題需要解決。首先農(nóng)業(yè)機(jī)械動力系統(tǒng)電氣化還處于早期的開發(fā)階段，無論從性能還是從農(nóng)民對它的認(rèn)知來看，都遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)技術(shù)。其次是電氣動力系統(tǒng)還將面臨與舊技術(shù)競爭的局面。因此，如果沒有政策的支持，客戶接受度低可能會導(dǎo)致市場需求放緩。值得考慮的是，未來的農(nóng)業(yè)必將整合各類機(jī)械專家和技術(shù)團(tuán)隊(duì)等人才資源，通過“云共享、云培訓(xùn)、云學(xué)習(xí)”的模式實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)化人才培訓(xùn)，通過智能制造大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建一種全新的農(nóng)業(yè)模式，其中自動化被認(rèn)為是在農(nóng)業(yè)機(jī)械中引入更多電力驅(qū)動的關(guān)鍵驅(qū)動因素[11-12]。然而，油氣動力系統(tǒng)性能的發(fā)揮與電池性能密不可分。農(nóng)用機(jī)械的功率往往很大，這就需要蓄電池瞬間輸出電流必須很大，即要求電池極板薄、內(nèi)阻小、大電流放電性能好。因此，為了更好地滿足農(nóng)用機(jī)械的作業(yè)要求，要逐步研發(fā)農(nóng)用機(jī)械的相應(yīng)組件。1）電機(jī)控制器的高可靠性、高密度集成的研發(fā)。2）高緊湊性、高功率密度、高性能、高可靠和低成本的專用發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的研發(fā)。3）控制系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌握和傳遞設(shè)備狀態(tài)定位、運(yùn)行概況、巡檢情況、維修情況的功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)管理的遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能感應(yīng)和軌跡記錄，從而提高農(nóng)機(jī)運(yùn)營效率和作業(yè)產(chǎn)能。

5 結(jié)語

綜上所述，在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代智慧生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，必然要用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)手段取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)工具，這是歷史發(fā)展的必然，也是生產(chǎn)者的需求[13-14]。同時(shí)，為了促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)水平穩(wěn)步增長，需要對能源利用問題加以重視。能源問題是社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的重中之重，因此，對農(nóng)用機(jī)械內(nèi)燃機(jī)動力系統(tǒng)的改良創(chuàng)新，能有效化解內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)作期間形成的廢氣問題，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。