淺析農業機械電氣化發展趨勢*

譚 靜 ，劉莉滋

（重慶三峽學院，重慶 404100）

0 引言

農業作為國民經濟的基礎，在保證國家糧食安全和社會安定方面發揮著舉足輕重的作用。隨著農業機械化程度的不斷提高，內燃機所排放的二氧化碳、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境，還會致癌、致畸等，嚴重威脅操作者的健康。另外，內燃發動機所排放的微粒會污染土壤，從而對農作物造成傷害，從長遠來看會導致作物產量和食品質量的下降。

新世紀以來，農用機械的數量不斷增加，預計在未來的一段時間里還將繼續增長。由此，燃油消耗量和尾氣排放量都將隨之提高，如何降低農業生產對環境產生的副作用，推進農業生產方式的科學化，提高糧食產量以及推動農業可持續發展，是當前我國農業生態環境保護與可持續發展戰略的關鍵所在[1]。其中，從農業機械的廢氣排放標準出發，對現有的農業機械動力系統進行改造是一個可行的解決方案，這也順應了汽車行業向新能源發展的趨勢。在農業機械中引入電氣驅動，除了能節省燃料、減少排放外，還有許多其他相關優勢[2]。比如，農用機械運營成本可以大大降低，這不僅是因為降低了對石油資源的消耗，而且是由于機械復雜性的降低，維護費用也隨之減少。此外，通過更好地利用可再生能源，如光伏或生物燃氣發電廠，進一步降低了運營成本并實現了可持續發展。

課題組首先對傳統動力和電氣化動力系統進行了介紹；其次總結了我國農業機械動力系統發展情況，包括油電混合動力系統、燃料動力系統和純電動力系統；重點探討了電氣動力系統發展的必要性；最后討論電氣動力系統發展面臨的挑戰。

1 傳統動力和電氣化動力系統比較

傳統的農用機械采用內燃機作為主要的動力源。它是通過使燃料在機器內部的氣缸燃燒和膨脹從而推動活塞做功，再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出，進而帶動從動機械工作。常見的內燃機有柴油機和汽油機，通過將內能轉化為機械能，帶動機械部件工作[3]。但機械數量的急劇增長給環境造成了巨大壓力。為了實現環境友好的目標，動力系統電氣化是目前主要的發展趨勢。動力系統電氣化是指在驅動系統中引入電力驅動，以提供車輛的主要負載。首先，車輛環境愈發多變，機械的動力系統也發生了變化，這為農業機械的發展帶來了新的挑戰和機遇；其次，在排放方面，農用機械“零排放”的觀念越來越被人們關注，將以綠色環保為目標，旨在為人類創造一個健康的居住環境。將農用機械升級為電力驅動系統以后，不管是燃油消耗，還是廢氣排放，都會明顯的減少，這就達到了追求環保性的目的，進一步達成動力系統的整個生命周期綠色及可再生循環的終極目標。

2 農業機械動力系統發展情況

我國農業機械（簡稱“農機”）的制造水平、裝備總量、作業水平取得快速發展，促使農業從先前以人力、畜力為主的生產方式轉型為以機械動力為主的機械化新階段[4]。目前，我國是世界第一大農機生產與使用國。然而，在農業機械裝備自動化、信息化、智能化等技術研究與應用方面，我國農機產業仍處于起步階段。為了更好地解決農業機械化規模擴大所伴隨的石化燃料過多消耗、環境污染加劇的問題，我國有關農用機械柴油機排放法規要求越來越嚴格。目前已經采用油電混合動力系統、燃料動力系統和純電動力系統等來實現機組作業時的零排放、無污染、低噪聲、高效率，實現農業機械化過程中的節能減排。

2.1 油電混合動力系統

農業機械中，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燃機供能，具有更好的動力性和燃油經濟性；低負荷狀態下采用純電模式驅動，可在一定程度上緩解能源危機并減少環境污染。系統的主體是柴油發動機、發電機、儲能設備、驅動電機、電動傳動系統、能源管理系統等[5]。

在油電混合動力系統中，儲能裝置是一個非常重要的部分，可使農用機械一直保持在高效區工作。當外負載大小改變時，它可以通過充放電來補充能量，以適應外部負載的變化，并可減小發動機的裝機功率；負載與發動機之間采用電氣連接方式，可減小負載波動的影響，同時蓄能設備的充放電有利于內燃機轉速趨于平穩；儲能裝置的輔助作用可降低怠速的轉速，甚至可以達到短暫的柴油機不工作。混合動力系統部分動力能源仍然由傳統的內燃機提供，可以減輕農業機械對石油的依賴和對環境的污染程度，但無法徹底地解決能源危機和環境污染問題[6]。混合動力農業機械只能作為傳統農機向新能源農用機械發展的過渡方案。

2.2 燃料動力系統

農業機械中，燃料動力系統通常以氫氣作為燃料，與空氣中的氧發生化學反應，產生電流進而驅動電機供電，使農用機械工作[7]。燃料動力系統的能量來自氫氣和氧氣的化學反應，化學反應過程并不涉及燃燒和熱機做功，不會產生對人體有害的化學物質，也不會對環境造成污染。燃料動力系統具有效率高、噪聲低、無污染等優點，被人們認為是理想的動力源。然而，由于燃料電池的制造、使用和維護費用較高，關鍵技術還不成熟，可靠性低和運行壽命短，所以無法在短期內實現量產化、市場化。

2.3 純電動力系統

農業機械中，純電動力系統所有的動力源都來自蓄電池中存儲的電能。驅動電機工作運轉，經傳動系統帶動車輪旋轉，從而推動農業機械高效工作[8]。與傳統內燃機相比，驅動電機的轉速范圍更廣，并且驅動電機的低速恒轉矩與高速恒功率特性可以更好地控制農用機械的起停和高功率運作。純電動力系統結構簡單、能量利用率高、噪聲低、零排放，可解決農用機械大規模使用給人類帶來的能源危機和環境污染問題。

3 電氣動力系統發展的必要性

2017年10月18日，習近平總書記在黨的十九大報告中提出鄉村振興戰略，指出農業農村農民問題是關系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農”問題作為全黨工作的重中之重[9]。要實現鄉村振興，要實現農業機械化，就要培育現代化的農業人才隊伍。現代化新農民的培育，要從農業產業智能化管理、農業機械智能化管理和農業技術智能化推廣三個維度來進行。

這些都促使生產廠家對現有的農業機械動力傳動系統進行改造，并推動這一課題的工業和學術研究。在眾多的建議中，傳統動力系統向電氣化動力系統轉換是一個可行的解決方案，這順應了目前大力發展新能源的趨勢。在農業機械中引入電氣驅動，除了能節省燃料、減少排放外，還有許多其他相關優勢[10]。農業機械的運營成本可以大大降低，這不僅是因為更低的燃料消耗，而且是由于機械復雜性降低，維護費用也減少了。通過更經濟地利用可再生能源，如光伏或生物燃氣發電，可以為農用機械的車載電池充電，從而進一步降低運營成本。由于可以使用更少的擋位，或以更有效的方式開發線控系統和車輛穩定性的自動控制，車輛的安全性和駕駛性能將得到極大提高。此外，電力驅動可以改善拖拉機的性能，并增加新的功能如精確耕種，可以提高農機使用率。事實上，電動執行機構比液壓執行機構更能與自動系統兼容，因為它們更容易控制。

4 電氣動力系統發展的挑戰

盡管有上述優勢，但在農業機械電氣化方面仍有一些問題需要解決。首先農業機械動力系統電氣化還處于早期的開發階段，無論從性能還是從農民對它的認知來看，都遠落后于傳統技術。其次是電氣動力系統還將面臨與舊技術競爭的局面。因此，如果沒有政策的支持，客戶接受度低可能會導致市場需求放緩。值得考慮的是，未來的農業必將整合各類機械專家和技術團隊等人才資源，通過“云共享、云培訓、云學習”的模式實現農機化人才培訓，通過智能制造大數據平臺構建一種全新的農業模式，其中自動化被認為是在農業機械中引入更多電力驅動的關鍵驅動因素[11-12]。然而，油氣動力系統性能的發揮與電池性能密不可分。農用機械的功率往往很大，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、內阻小、大電流放電性能好。因此，為了更好地滿足農用機械的作業要求，要逐步研發農用機械的相應組件。1）電機控制器的高可靠性、高密度集成的研發。2）高緊湊性、高功率密度、高性能、高可靠和低成本的專用發動機和發電機的研發。3）控制系統的研發，實現實時掌握和傳遞設備狀態定位、運行概況、巡檢情況、維修情況的功能，實現農機管理的遠程監測、智能感應和軌跡記錄，從而提高農機運營效率和作業產能。

5 結語

綜上所述，在由傳統農業向現代智慧生態農業轉變的過程中，必然要用先進的科學技術與生產手段取代傳統的生產工具，這是歷史發展的必然，也是生產者的需求[13-14]。同時，為了促進國家經濟水平穩步增長，需要對能源利用問題加以重視。能源問題是社會經濟穩步發展的重中之重，因此，對農用機械內燃機動力系統的改良創新，能有效化解內燃機在運作期間形成的廢氣問題，促進我國農業產業健康穩定可持續發展。