我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化發(fā)展探析*

陳立創(chuàng) ，徐源俊 ，李 貝

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545007）

1 背景

防治環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)共同治理，保障公共環(huán)境可持續(xù)發(fā)展是全球共識(shí)。我國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和重大戰(zhàn)略決策以來(lái)，國(guó)家加快科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，不斷完善綠色低碳科技創(chuàng)新體系，促進(jìn)綠色智能農(nóng)業(yè)機(jī)械和節(jié)本增效農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣應(yīng)用，推進(jìn)電動(dòng)農(nóng)機(jī)、智慧農(nóng)機(jī)、智能農(nóng)機(jī)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在“雙碳”目標(biāo)的指引下，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)方式都將發(fā)生重大調(diào)整和深刻變革[1]，以新技術(shù)、新材料為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的可再生、低碳排放的動(dòng)力源替代汽油、柴油和天然氣等化石能源，驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械節(jié)能減排，基于農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化、智能化發(fā)展的數(shù)字化、智慧化農(nóng)業(yè)，已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化發(fā)展的可行性分析

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及為電動(dòng)化提供了必要條件

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型升級(jí)、加速?gòu)霓r(nóng)業(yè)大國(guó)邁向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)、提高農(nóng)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要基礎(chǔ)，也是發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化的前提條件。為了提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械普及推廣進(jìn)程，我國(guó)政府部門(mén)相繼出臺(tái)了系列政策措施，旨在加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化率，加強(qiáng)電動(dòng)化、智能化、復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研發(fā)應(yīng)用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)面向先進(jìn)技術(shù)裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)。2022 年，我國(guó)已經(jīng)成為世界農(nóng)機(jī)生產(chǎn)大國(guó)[2]，農(nóng)業(yè)機(jī)械門(mén)類(lèi)齊全，農(nóng)業(yè)機(jī)械主要總量指標(biāo)已位于世界前列，土壤耕作與施肥機(jī)械、作物種植與收獲機(jī)械和農(nóng)業(yè)運(yùn)輸與加工機(jī)械等農(nóng)業(yè)機(jī)械總量接近2 億臺(tái)（套），全國(guó)范圍內(nèi)農(nóng)作物耕、種、收等綜合機(jī)械化率已經(jīng)達(dá)到72%，其中，黑龍江、新疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化率分別達(dá)到97%、85%，為農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)迭代升級(jí)進(jìn)入電動(dòng)化時(shí)代提供了良好的條件。

2.2 具有先進(jìn)的電動(dòng)化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)保障

我國(guó)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展與實(shí)踐所取得的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)成就為電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展提供了有效可行的范本，在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展起步階段提出以純電驅(qū)動(dòng)為戰(zhàn)略導(dǎo)向，重點(diǎn)推進(jìn)以純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)為方向的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線。進(jìn)入新發(fā)展階段后，國(guó)家提出強(qiáng)化整車(chē)集成技術(shù)創(chuàng)新，協(xié)同發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、插電式增程汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)，全面提升我國(guó)新能源汽車(chē)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展已經(jīng)由“政策驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)向了“市場(chǎng)拉動(dòng)”[3]，已經(jīng)構(gòu)建了完整的以純電動(dòng)汽車(chē)為方向的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)體系，新能源汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，形成了以比亞迪、寧德時(shí)代、方正電機(jī)等公司為代表，引領(lǐng)新能源技術(shù)革命的世界級(jí)企業(yè)，出現(xiàn)了以深圳、上海、蘇州等城市為中心的新能源優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)城市集群，形成了完善的以電動(dòng)化裝備為載體的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控工程技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用位居全球先進(jìn)水平。特別是近年來(lái)，自主創(chuàng)新電動(dòng)技術(shù)相繼被成功應(yīng)用到起重機(jī)、泵車(chē)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)械等工程機(jī)械中[4]，裝備氫燃料電池技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)也被投入到中小型船舶、中大型客車(chē)和中大型貨車(chē)中進(jìn)行商業(yè)試運(yùn)營(yíng)，為進(jìn)一步拓展到農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域提供了可參照、可實(shí)施的解決方案。

3 電動(dòng)化技術(shù)發(fā)展主要路線

常見(jiàn)的電動(dòng)化技術(shù)主要包括純電動(dòng)、增程式、混合動(dòng)力和氫燃料電池等模式，其中，純電動(dòng)技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)和增程式技術(shù)的發(fā)展相對(duì)成熟，具有良好的市場(chǎng)化應(yīng)用，也形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

3.1 純電動(dòng)技術(shù)

純電動(dòng)技術(shù)是目前成功得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的電動(dòng)化技術(shù)。它是以電能作為唯一的動(dòng)力源，通過(guò)車(chē)載可充電的動(dòng)力電池組向電動(dòng)機(jī)供電，使電機(jī)工作輸出機(jī)械能直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置、行駛裝置或工作裝置運(yùn)行。在這個(gè)過(guò)程中，電池組的電能直接轉(zhuǎn)換為電機(jī)的機(jī)械能，能量損失少，也不產(chǎn)生尾氣排放，不直接排放有害物質(zhì)。目前，市場(chǎng)上的主流動(dòng)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(jī)構(gòu)在針對(duì)鈷電池、高鎳電池、固態(tài)電池、鈉離子電池等前瞻技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。電池的使用壽命、安全性和續(xù)航能力是電動(dòng)化急需解決的重要難題[5]。動(dòng)力電池組具有能量密度較高、儲(chǔ)能容量較大、充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到新能源汽車(chē)、工程機(jī)械和小型船舶等載運(yùn)工具上。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，由于充電設(shè)備設(shè)施得到普及，制造成本下降，車(chē)輛具有應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性好、駕駛體驗(yàn)感強(qiáng)、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，截至2022 年底，純電動(dòng)汽車(chē)占據(jù)新能源汽車(chē)的主導(dǎo)地位，市場(chǎng)應(yīng)用量占到新能源汽車(chē)總量的75%以上。

3.2 增程式技術(shù)

增程式技術(shù)是在純電動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組成的增程器作為輔助動(dòng)力裝置給動(dòng)力電池組充電，以此延長(zhǎng)續(xù)航里程，實(shí)際用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)的仍然是電機(jī)。當(dāng)電量高于設(shè)定的工作額度下限時(shí)，動(dòng)力電池組直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，提供整車(chē)工作功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)電量下降到設(shè)定的工作額度下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，輸出電能向動(dòng)力電池組充電，及時(shí)提升動(dòng)力電池組的電量。由此可見(jiàn)，增程式電動(dòng)技術(shù)相對(duì)純電動(dòng)技術(shù)而言，在能量傳輸過(guò)程中，中間多了增程器，因此能源轉(zhuǎn)化利用效率相對(duì)較低。但是，在插電模式下，增程式技術(shù)的應(yīng)用能夠在一定程度上提高續(xù)航里程，也能夠改善排放，降低能耗。正是有這樣的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，目前增程式汽車(chē)產(chǎn)量增長(zhǎng)速度較快，市場(chǎng)保有量接近新能源汽車(chē)總量的20%，以額定功率比較高的中大型乘用車(chē)為主。

3.3 混合動(dòng)力技術(shù)

混合動(dòng)力技術(shù)通常是指油電混合動(dòng)力技術(shù)，也就是同時(shí)配備發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)為執(zhí)行裝置提供原始能量。其中，電池組與電機(jī)組成的動(dòng)力源稱(chēng)為電動(dòng)力源。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)力源聯(lián)結(jié)方式分類(lèi)，將混合動(dòng)力技術(shù)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類(lèi)型。串聯(lián)式動(dòng)力模式相當(dāng)于增程式，由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電機(jī)組成動(dòng)力系統(tǒng)。并聯(lián)式動(dòng)力模式就是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同提供動(dòng)力，在電控系統(tǒng)調(diào)控下，能夠根據(jù)不同工況需要，既可以由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)力源單獨(dú)接入動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)力源同時(shí)協(xié)調(diào)工作，提供驅(qū)動(dòng)力?；炻?lián)式動(dòng)力模式中，配置有發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，可以搭配形成以發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力源、電機(jī)為輔助動(dòng)力源，或者以電機(jī)為主動(dòng)力源、發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助動(dòng)力源的兩種結(jié)構(gòu)形式?；旌蟿?dòng)力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是既可以使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，提高動(dòng)力性能和有效續(xù)航里程，又可以在一定程度上降低油耗與排放?；旌蟿?dòng)力裝置與增程式裝置相比，其制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，研發(fā)門(mén)檻高，研發(fā)應(yīng)用受到一定影響，故國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的汽車(chē)產(chǎn)品不多。

3.4 氫燃料電池技術(shù)

氫燃料電池技術(shù)是利用高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的富氫重整氣作為燃料，通過(guò)讓氫氣和氧氣在催化劑作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，電能存儲(chǔ)在蓄電池組中，工作時(shí)傳輸給電機(jī)，電機(jī)工作輸出機(jī)械能，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。氫氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)，當(dāng)儲(chǔ)氫罐內(nèi)的氫氣減少時(shí)，可以根據(jù)需要向儲(chǔ)氫罐補(bǔ)充氫氣，或者采用更換高壓儲(chǔ)氫罐的方式實(shí)現(xiàn)氫氣的補(bǔ)給。氫氣的供給也可以采用配備燃料重整器的方式，將烴類(lèi)燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體，然后輸往燃料電池堆棧經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。氫燃料電池技術(shù)與純電動(dòng)技術(shù)相似，都是通過(guò)將電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)的機(jī)械能輸出。氫氣的化學(xué)反應(yīng)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、啟動(dòng)迅速、無(wú)污染物排放、功率隨時(shí)可調(diào)等特性。由于制氫成本高、加氫基礎(chǔ)設(shè)施少等問(wèn)題，氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景還比較少。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展嚴(yán)重滯后于汽車(chē)、工程機(jī)械和船舶等產(chǎn)業(yè)，還沒(méi)有形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。小型農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化應(yīng)用較為成功，純電動(dòng)的微耕機(jī)、割草機(jī)、拖拉機(jī)、收割機(jī)等溫室大棚、果園、丘陵山區(qū)作業(yè)環(huán)境的農(nóng)機(jī)設(shè)備形成了商業(yè)化應(yīng)用[6]。與此同時(shí)，中小型電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分迅速，有可能完全替代傳統(tǒng)燃油動(dòng)力的植保機(jī)械，成為電動(dòng)化發(fā)展的新趨勢(shì)。電動(dòng)化技術(shù)滲透率比較高的地面農(nóng)業(yè)機(jī)械是拖拉機(jī)，出現(xiàn)了純電動(dòng)拖拉機(jī)、混合動(dòng)力拖拉機(jī)、增程式拖拉機(jī)[7]和氫燃料電池拖拉機(jī)，有的應(yīng)用在大棚、果園等從事輕負(fù)荷作業(yè)，有的應(yīng)用在水田開(kāi)展旋耕、播種、田間管理等工作。電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械雖然在局部細(xì)分領(lǐng)域得到了比較好的發(fā)展，但總的應(yīng)用普及率還是相當(dāng)?shù)偷?，?yīng)用場(chǎng)景也有限。

4.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后

我國(guó)幅員遼闊，地域地貌差異大，農(nóng)作物種植面積分布廣，種植區(qū)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(kāi)放的地理環(huán)境條件。氣候、天氣、土壤、地形結(jié)構(gòu)因時(shí)因地以及因自然界熱輻射和工作負(fù)載隨機(jī)動(dòng)態(tài)變動(dòng)，對(duì)于電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)載電池的瞬態(tài)電流、瞬態(tài)功率特性、散熱特性和安全特性、覆蓋件保護(hù)特性等提出了較高的要求，市場(chǎng)產(chǎn)品的適用性、先進(jìn)性、可靠性與實(shí)際需求仍存在差距。一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及的機(jī)械種類(lèi)繁多，規(guī)格龐大，工作對(duì)象復(fù)雜，不同類(lèi)別的農(nóng)作物在耕、種、管、收等環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械及機(jī)具型式規(guī)格差別大，所需動(dòng)力電池容量、電壓、充放電時(shí)間和溫度管理系統(tǒng)配置以及電機(jī)額定功率、電流、轉(zhuǎn)速和過(guò)載能力保護(hù)功能等都有所不同。另一方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造企業(yè)數(shù)量眾多且分散，技術(shù)力量發(fā)展不平衡，技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一。因此，客觀上造成農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械所配置的動(dòng)力電池組、電機(jī)、輔助發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池堆棧等關(guān)鍵零部件在制式與規(guī)格上大小不一，規(guī)格眾多，兼容性差，難以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，一定程度上制約了農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.2 實(shí)際運(yùn)用成本高

電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的購(gòu)置費(fèi)用往往比較高，大概為同等規(guī)格燃油農(nóng)業(yè)機(jī)械價(jià)格的兩倍以上。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有季節(jié)性、地域性和周期性，農(nóng)業(yè)機(jī)械的流通性差，使得很多農(nóng)業(yè)機(jī)械只能在特定時(shí)間段、特定區(qū)域內(nèi)或特定氣象條件下作業(yè)，客觀上造成農(nóng)業(yè)機(jī)械存在閑置期，在一個(gè)工作周期內(nèi)的利用率相對(duì)較低，相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械而言，實(shí)際收益率受損，性?xún)r(jià)比不高。另外，廣大農(nóng)村地區(qū)的充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善，基本上沒(méi)有公共充電樁，造成充電難和工作過(guò)程不便利，尤其是在廣袤鄉(xiāng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)，田間地頭的用電還無(wú)法保障。充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善的問(wèn)題影響了電動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用[8]。如果為了保證電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠連續(xù)正常工作而采用換電方式來(lái)提高續(xù)航里程或工作時(shí)長(zhǎng)，則需要配備另外的車(chē)輛來(lái)運(yùn)載換用電池，這既影響作業(yè)效率，又增加額外成本。與此同時(shí)，動(dòng)力電池在全生命周期內(nèi)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(huán)，磷酸鐵鋰電池的壽命為3 000 次充放電循環(huán)，更換動(dòng)力電池投入的資金成本也相對(duì)較高，這在一定程度上制約了電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用。

4.3 續(xù)航里程受限

這里所說(shuō)的續(xù)航里程是指電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在充滿(mǎn)電及儲(chǔ)滿(mǎn)燃料狀態(tài)下的累計(jì)運(yùn)用時(shí)間。與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)相比，影響電動(dòng)農(nóng)機(jī)續(xù)航里程的主要因素是電池的比能量。比能量也稱(chēng)為能量密度，是指單位質(zhì)量或單位體積電池所獲得的能量。理論上來(lái)說(shuō)，電池組的容量越高，存儲(chǔ)的電能就越多，農(nóng)業(yè)機(jī)械的續(xù)航里程就越長(zhǎng)。但是容量高就意味著電池的質(zhì)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(dá)到300 Wh/kg 左右。如果純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械配置磷酸鐵鋰電池，裝機(jī)額定功率為100 kW，要求工作8 h，那么電池組的重量將達(dá)到4 000 kg，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，所以只能通過(guò)降低電池組的重量達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)與性能的目的，其結(jié)果就是續(xù)航里程下降。車(chē)載儲(chǔ)氣罐壓力在70 MPa狀態(tài)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(mǎn)足續(xù)航里程所需。此外，電池組的續(xù)航里程還受到外部溫度、農(nóng)業(yè)機(jī)械重量、天氣、工況等因素影響。

4.4 研發(fā)力量薄弱

電動(dòng)化技術(shù)是我國(guó)重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展的前沿技術(shù)之一。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)研發(fā)力量，特別是電動(dòng)化技術(shù)研發(fā)力量還相當(dāng)薄弱，高層次科研人員數(shù)量欠缺，技術(shù)創(chuàng)新能力不足，研發(fā)資金投入少，高水平科研成果轉(zhuǎn)化率不高，產(chǎn)品智能化水平也不高。農(nóng)業(yè)裝備的推廣應(yīng)用還處在高度依賴(lài)政策性補(bǔ)貼、補(bǔ)助加持階段，農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼資金從2004 年的0.7 億元增加到2022年的220 億元，尚沒(méi)有形成市場(chǎng)需求拉動(dòng)、刺激供給側(cè)主動(dòng)加速技術(shù)升級(jí)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的良性局面。在電動(dòng)化領(lǐng)域，以動(dòng)力電池、氫燃料電池、電機(jī)和控制單元為核心的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品迭代相當(dāng)快。對(duì)于電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況和應(yīng)用環(huán)境，需要探索如何提高動(dòng)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(jī)低速大功率、大扭矩和過(guò)載等動(dòng)態(tài)性能，解決如何提高充電效率、大功率充電和無(wú)線充電技術(shù)等難題[10]，加速研究燃料電池技術(shù)的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，并探索如何降低用戶(hù)的使用成本等。與電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域相比，電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造還相當(dāng)落后，技術(shù)研發(fā)能力和科研水平的提高還需要國(guó)家加大政策的傾斜與扶持。

5 農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化發(fā)展技術(shù)路線探析

5.1 純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化的必由之路

發(fā)展純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)技術(shù)應(yīng)用最為簡(jiǎn)單便捷、有效可靠的一種方式。在電池能量密度還沒(méi)有大幅度提高的情況下，對(duì)于一些連續(xù)工作時(shí)間要求不長(zhǎng)，或者間歇性工作、工作負(fù)載輕、負(fù)載變動(dòng)不頻繁的中小功率農(nóng)業(yè)機(jī)械，如果在對(duì)續(xù)航里程要求不高、電池組應(yīng)用性能受外界環(huán)境影響不大的作業(yè)條件下，可以選擇采用純電動(dòng)技術(shù)。當(dāng)前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了以背負(fù)式電池組、機(jī)載式電池組單元模塊化的純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，應(yīng)用在農(nóng)作物播種、種植、護(hù)理、收獲、加工以及農(nóng)田建設(shè)、田間管理等生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)，并且在一些領(lǐng)域、局部地區(qū)建立了產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈，形成規(guī)模化、商業(yè)化推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械相比，純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在應(yīng)用成本上還是具有相當(dāng)高的性?xún)r(jià)比和應(yīng)用成本優(yōu)勢(shì)的，而且制造技術(shù)難度小，整機(jī)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，應(yīng)用性能得到提升，操作簡(jiǎn)約化和智能化。應(yīng)該說(shuō)，利用國(guó)內(nèi)優(yōu)先發(fā)展起來(lái)的純電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)平臺(tái)，轉(zhuǎn)化為配套電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用的電池、電機(jī)和電控單元等核心零部件、集成系統(tǒng)開(kāi)展定制化生產(chǎn)，可以迅速提升電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，提高電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械良好的投入產(chǎn)出效益。

5.2 插電式增程和混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械是重要的過(guò)渡產(chǎn)品業(yè)態(tài)

增程技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用對(duì)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(shù)。但是，對(duì)于中大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，當(dāng)前或者在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，純電動(dòng)化技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足續(xù)航里程需求和長(zhǎng)時(shí)間工作需要。尤其是在充電設(shè)施不完善、配套送電能力欠缺的農(nóng)業(yè)區(qū)域，諸如邊遠(yuǎn)的田間地頭、坡地嶺頭和遠(yuǎn)離人口集聚區(qū)域的農(nóng)業(yè)墾區(qū)等，純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的充電、換電成為實(shí)實(shí)在在的瓶頸。另外，對(duì)于一些作業(yè)時(shí)效性、季節(jié)性要求高的作物，例如甘蔗、水稻、小麥等的作業(yè)采收以及對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械功率大、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)化技術(shù)還存在諸多不適應(yīng)性。與此同時(shí)，我國(guó)正在推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字化農(nóng)業(yè)建設(shè)，推動(dòng)具有智能感知、自動(dòng)導(dǎo)航、精準(zhǔn)作業(yè)、無(wú)人作業(yè)、智能控制和智慧管理功能[11]的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械開(kāi)展智慧化協(xié)同作業(yè)、遠(yuǎn)程控制作業(yè)、機(jī)器人作業(yè)或者運(yùn)維管理以及精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)施藥和精準(zhǔn)灌溉作業(yè)等[12]，這需要確保電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，以提高可靠性、效率和效益。插電式增程農(nóng)業(yè)機(jī)械和插電式混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械在一定程度上滿(mǎn)足了特定場(chǎng)景的作業(yè)需要。在以提高續(xù)航里程為主要目的的電動(dòng)化解決方案當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先發(fā)展插電式增程農(nóng)業(yè)機(jī)械，因?yàn)橄鄬?duì)插電式混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械而言，插電式增程農(nóng)業(yè)機(jī)械的能量傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和電氣控制單元較為簡(jiǎn)約，設(shè)計(jì)和制造技術(shù)要求不高，應(yīng)用成本也有優(yōu)勢(shì)。

5.3 氫燃料電池農(nóng)業(yè)機(jī)械是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向

氫能具有發(fā)展前景好、可持續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)力能源的新技術(shù)研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化被認(rèn)為是解決未來(lái)人類(lèi)能源危機(jī)的最好方案。我國(guó)具有發(fā)展氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)，金屬儲(chǔ)氫原料產(chǎn)能位列全球首位[13]。目前，氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)實(shí)驗(yàn)性地成功應(yīng)用到各行各業(yè)，包括拖拉機(jī)、乘用車(chē)、商用車(chē)、船舶、工程機(jī)械、無(wú)人機(jī)等在內(nèi)的高新電動(dòng)產(chǎn)品。但是，當(dāng)前用于氫燃料電池的電解水制氫的成本還是相當(dāng)高昂，需要花費(fèi)56 kW·h 電生產(chǎn)1 kg 氫氣，而1 kg 氫氣與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效發(fā)電20 kW·h 左右。同時(shí)，制氫、儲(chǔ)氫的成本高、效能低，還需要通過(guò)技術(shù)進(jìn)步得到更好優(yōu)化。未來(lái)，在太陽(yáng)能、風(fēng)能形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)的情況下，如果氫氣儲(chǔ)能技術(shù)得到快速發(fā)展并普及應(yīng)用，加氫設(shè)施得到完善，儲(chǔ)運(yùn)氫氣突破氣態(tài)、液態(tài)，甚至轉(zhuǎn)化為固態(tài)，氫燃料電堆能量密度將大幅提高，將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的“純綠色”發(fā)展階段。氫燃料電池技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用，應(yīng)該以中大型農(nóng)業(yè)機(jī)械或者中大功率農(nóng)業(yè)機(jī)械為主要發(fā)展方向，重點(diǎn)解決純電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械能量消耗大、連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)不足、換電難、充電不方便、送電成本高等問(wèn)題，以提高應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況及可靠性要求高的工作場(chǎng)景的適應(yīng)性。

6 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)機(jī)械種類(lèi)多，應(yīng)用場(chǎng)景廣，作業(yè)工況復(fù)雜，在面向電動(dòng)化、智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，加快融合載運(yùn)工具領(lǐng)域迭代升級(jí)的電動(dòng)技術(shù)，根據(jù)國(guó)家政策導(dǎo)向和市場(chǎng)及用戶(hù)需求，有條件地借鑒、吸收、轉(zhuǎn)化載運(yùn)工具成熟可靠的電動(dòng)化制造工藝、技術(shù)，合理利用載運(yùn)工具形成的產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，促使電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械伴隨先進(jìn)的電動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的自主適應(yīng)性發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?/p>