浅析农业机械电气化发展趋势*

谭 静 ，刘莉滋

（重庆三峡学院，重庆 404100）

0 引言

农业作为国民经济的基础，在保证国家粮食安全和社会安定方面发挥着举足轻重的作用。随着农业机械化程度的不断提高，内燃机所排放的二氧化碳、甲烷、氮氧化物等污染物越来越引起人们的高度重视。这些气体不但会污染环境，还会致癌、致畸等，严重威胁操作者的健康。另外，内燃发动机所排放的微粒会污染土壤，从而对农作物造成伤害，从长远来看会导致作物产量和食品质量的下降。

新世纪以来，农用机械的数量不断增加，预计在未来的一段时间里还将继续增长。由此，燃油消耗量和尾气排放量都将随之提高，如何降低农业生产对环境产生的副作用，推进农业生产方式的科学化，提高粮食产量以及推动农业可持续发展，是当前我国农业生态环境保护与可持续发展战略的关键所在[1]。其中，从农业机械的废气排放标准出发，对现有的农业机械动力系统进行改造是一个可行的解决方案，这也顺应了汽车行业向新能源发展的趋势。在农业机械中引入电气驱动，除了能节省燃料、减少排放外，还有许多其他相关优势[2]。比如，农用机械运营成本可以大大降低，这不仅是因为降低了对石油资源的消耗，而且是由于机械复杂性的降低，维护费用也随之减少。此外，通过更好地利用可再生能源，如光伏或生物燃气发电厂，进一步降低了运营成本并实现了可持续发展。

课题组首先对传统动力和电气化动力系统进行了介绍；其次总结了我国农业机械动力系统发展情况，包括油电混合动力系统、燃料动力系统和纯电动力系统；重点探讨了电气动力系统发展的必要性；最后讨论电气动力系统发展面临的挑战。

1 传统动力和电气化动力系统比较

传统的农用机械采用内燃机作为主要的动力源。它是通过使燃料在机器内部的气缸燃烧和膨胀从而推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，进而带动从动机械工作。常见的内燃机有柴油机和汽油机，通过将内能转化为机械能，带动机械部件工作[3]。但机械数量的急剧增长给环境造成了巨大压力。为了实现环境友好的目标，动力系统电气化是目前主要的发展趋势。动力系统电气化是指在驱动系统中引入电力驱动，以提供车辆的主要负载。首先，车辆环境愈发多变，机械的动力系统也发生了变化，这为农业机械的发展带来了新的挑战和机遇；其次，在排放方面，农用机械“零排放”的观念越来越被人们关注，将以绿色环保为目标，旨在为人类创造一个健康的居住环境。将农用机械升级为电力驱动系统以后，不管是燃油消耗，还是废气排放，都会明显的减少，这就达到了追求环保性的目的，进一步达成动力系统的整个生命周期绿色及可再生循环的终极目标。

2 农业机械动力系统发展情况

我国农业机械（简称“农机”）的制造水平、装备总量、作业水平取得快速发展，促使农业从先前以人力、畜力为主的生产方式转型为以机械动力为主的机械化新阶段[4]。目前，我国是世界第一大农机生产与使用国。然而，在农业机械装备自动化、信息化、智能化等技术研究与应用方面，我国农机产业仍处于起步阶段。为了更好地解决农业机械化规模扩大所伴随的石化燃料过多消耗、环境污染加剧的问题，我国有关农用机械柴油机排放法规要求越来越严格。目前已经采用油电混合动力系统、燃料动力系统和纯电动力系统等来实现机组作业时的零排放、无污染、低噪声、高效率，实现农业机械化过程中的节能减排。

2.1 油电混合动力系统

农业机械中，油电混合动力至少有两种动力源，其中一种能够存储电能，而另一种通常是以柴油为燃料的内燃机供能，具有更好的动力性和燃油经济性；低负荷状态下采用纯电模式驱动，可在一定程度上缓解能源危机并减少环境污染。系统的主体是柴油发动机、发电机、储能设备、驱动电机、电动传动系统、能源管理系统等[5]。

在油电混合动力系统中，储能装置是一个非常重要的部分，可使农用机械一直保持在高效区工作。当外负载大小改变时，它可以通过充放电来补充能量，以适应外部负载的变化，并可减小发动机的装机功率；负载与发动机之间采用电气连接方式，可减小负载波动的影响，同时蓄能设备的充放电有利于内燃机转速趋于平稳；储能装置的辅助作用可降低怠速的转速，甚至可以达到短暂的柴油机不工作。混合动力系统部分动力能源仍然由传统的内燃机提供，可以减轻农业机械对石油的依赖和对环境的污染程度，但无法彻底地解决能源危机和环境污染问题[6]。混合动力农业机械只能作为传统农机向新能源农用机械发展的过渡方案。

2.2 燃料动力系统

农业机械中，燃料动力系统通常以氢气作为燃料，与空气中的氧发生化学反应，产生电流进而驱动电机供电，使农用机械工作[7]。燃料动力系统的能量来自氢气和氧气的化学反应，化学反应过程并不涉及燃烧和热机做功，不会产生对人体有害的化学物质，也不会对环境造成污染。燃料动力系统具有效率高、噪声低、无污染等优点，被人们认为是理想的动力源。然而，由于燃料电池的制造、使用和维护费用较高，关键技术还不成熟，可靠性低和运行寿命短，所以无法在短期内实现量产化、市场化。

2.3 纯电动力系统

农业机械中，纯电动力系统所有的动力源都来自蓄电池中存储的电能。驱动电机工作运转，经传动系统带动车轮旋转，从而推动农业机械高效工作[8]。与传统内燃机相比，驱动电机的转速范围更广，并且驱动电机的低速恒转矩与高速恒功率特性可以更好地控制农用机械的起停和高功率运作。纯电动力系统结构简单、能量利用率高、噪声低、零排放，可解决农用机械大规模使用给人类带来的能源危机和环境污染问题。

3 电气动力系统发展的必要性

2017年10月18日，习近平总书记在党的十九大报告中提出乡村振兴战略，指出农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作的重中之重[9]。要实现乡村振兴，要实现农业机械化，就要培育现代化的农业人才队伍。现代化新农民的培育，要从农业产业智能化管理、农业机械智能化管理和农业技术智能化推广三个维度来进行。

这些都促使生产厂家对现有的农业机械动力传动系统进行改造，并推动这一课题的工业和学术研究。在众多的建议中，传统动力系统向电气化动力系统转换是一个可行的解决方案，这顺应了目前大力发展新能源的趋势。在农业机械中引入电气驱动，除了能节省燃料、减少排放外，还有许多其他相关优势[10]。农业机械的运营成本可以大大降低，这不仅是因为更低的燃料消耗，而且是由于机械复杂性降低，维护费用也减少了。通过更经济地利用可再生能源，如光伏或生物燃气发电，可以为农用机械的车载电池充电，从而进一步降低运营成本。由于可以使用更少的挡位，或以更有效的方式开发线控系统和车辆稳定性的自动控制，车辆的安全性和驾驶性能将得到极大提高。此外，电力驱动可以改善拖拉机的性能，并增加新的功能如精确耕种，可以提高农机使用率。事实上，电动执行机构比液压执行机构更能与自动系统兼容，因为它们更容易控制。

4 电气动力系统发展的挑战

尽管有上述优势，但在农业机械电气化方面仍有一些问题需要解决。首先农业机械动力系统电气化还处于早期的开发阶段，无论从性能还是从农民对它的认知来看，都远落后于传统技术。其次是电气动力系统还将面临与旧技术竞争的局面。因此，如果没有政策的支持，客户接受度低可能会导致市场需求放缓。值得考虑的是，未来的农业必将整合各类机械专家和技术团队等人才资源，通过“云共享、云培训、云学习”的模式实现农机化人才培训，通过智能制造大数据平台构建一种全新的农业模式，其中自动化被认为是在农业机械中引入更多电力驱动的关键驱动因素[11-12]。然而，油气动力系统性能的发挥与电池性能密不可分。农用机械的功率往往很大，这就需要蓄电池瞬间输出电流必须很大，即要求电池极板薄、内阻小、大电流放电性能好。因此，为了更好地满足农用机械的作业要求，要逐步研发农用机械的相应组件。1）电机控制器的高可靠性、高密度集成的研发。2）高紧凑性、高功率密度、高性能、高可靠和低成本的专用发动机和发电机的研发。3）控制系统的研发，实现实时掌握和传递设备状态定位、运行概况、巡检情况、维修情况的功能，实现农机管理的远程监测、智能感应和轨迹记录，从而提高农机运营效率和作业产能。

5 结语

综上所述，在由传统农业向现代智慧生态农业转变的过程中，必然要用先进的科学技术与生产手段取代传统的生产工具，这是历史发展的必然，也是生产者的需求[13-14]。同时，为了促进国家经济水平稳步增长，需要对能源利用问题加以重视。能源问题是社会经济稳步发展的重中之重，因此，对农用机械内燃机动力系统的改良创新，能有效化解内燃机在运作期间形成的废气问题，促进我国农业产业健康稳定可持续发展。