如今，电动汽车(EV)的使用率越来越高，人们大肆宣扬其优点和优势，称其是应对全球变暖和让城市摆脱内燃机(ICE)排放的有害烟雾的必要举措。尽管电动汽车在商业上已经成熟，技术也在不断进步，但要取代使用化石燃料的传统汽车还有很长的路要走。
阻碍购车者转向电动汽车的主要障碍之一是，当加油站(例如充电站)遥不可及时，电池会有没电的风险。更不用说充电所花费的时间和高昂的成本了。一些国家的政府担心放弃内燃机汽车的生产和裁员，而新的电动汽车供应链又不容易取代这些工作岗位，这就加剧了这种不确定性。
我们不禁要问，在农业、建筑业和矿产开采业(统称为“CAM”的市场)，有哪些激励措施可以使从事各种不同工作的车辆和机械电气化。即使这些车辆不在城市中心运行，电动拖拉机和其他CAM机器的优势也相当引人注目：
IDTechEx是一家为客户提供新兴技术和相关市场价值研究的公司，该公司发布了一份新报告，题为“2024-2034年建筑、农业和采矿机械电池市场”。这项研究表明，CAM机器需要不同的电池解决方案来完成特定任务，尤其是农业机械(通常称为拖拉机)。这些差异给电池行业(即电池制造商和电池组制造商)带来了新的挑战，但也带来了机遇。
建筑业已开始使用电动机械，农业和采矿业也将效仿。报告预计，到2034年，所有CAM行业的电池需求量总计约为53.6GWh。这相当于2034年78亿美元的市场价值，10年复合年增长率为27.1%。
拖拉机被用来耕种因暴雨而变得泥泞不堪的田地时，拖拉机可能是高能耗机器，因为这项任务直观上需要大量能源。当它们只是在田野上移动机器或在宽阔的地面上修剪草坪时，它们消耗的能量要少得多。这些极端的作业条件使拖拉机有别于挖掘机等其他机器，拖拉机在执行几乎相同的任务时更均匀，工作功率接近最大功率。
作为参考，一台14吨重的拖拉机通常配备一台柴油发动机，峰值功率约为300马力(220.65千瓦)，预计油耗约为50升/小时。相比之下，相同重量的挖掘机通常使用120马力(88.26千瓦)的发动机，预计油耗比拖拉机少五倍。简而言之，这种差异源于挖掘机仅在挖土时暂时以峰值负荷运行，大部分时间都花在将铲斗抬离地面、倾斜、释放负载，然后重新启动上。而拖拉机则以恒定的接近峰值容量工作，这需要更多的电池储能来确保相同的运行时间。
图1：土耳其ZY Electric Tractor公司生产的电动拖拉机，功率为318马力，扭矩为777牛米，电池容量为155+kWh (来源：ZY Electric Tractor官网)
还有其他限制因素需要考虑。首先是底盘尺寸，大型推土机有足够的底盘空间来嵌入电池，而拖拉机更紧凑，留给电池的空间很小。此外，大型挖掘机可以容纳重型电池，并适当放置一些混凝土压载物以平衡其重量，拖拉机则无法做到这一点，因为过重的重量可能会有倾覆的风险，特别是在不稳定或潮湿的土壤上行驶时。最重要的是，必须小心地将电池放置在拖拉机上以保证整体稳定性，这主要通过在车轮之间均匀分配重量来实现。因此，在CAM机器中，拖拉机需要更高密度的电池，每小时消耗更多的燃料，并且在电池放置方面也有更严格的限制。
最后一个限制与拖拉机的间歇性使用有关。与土方机械不同，拖拉机可能会闲置数月，然后在收割期间连续运行，这需要在短时间内充电才能不影响生产力。以上所有情况都有好有坏，好处在于减少了充电次数；坏处在于定期快速充电会导致电池寿命缩短。实际上，一些拖拉机的预期寿命在2000到5000小时之间，而大型挖掘机在其整个使用寿命内可以运行超过10000小时。当然，更短的预期寿命加上更少的所需充电次数需要更先进的电池技术，图2总结了给定机器寿命的预期电池充电次数。
图2：每台机器使用寿命所需的预期电池循环次数(来源：IDTechEx)
CAM机械的电气化依赖于从10kWh到2MWh的各种电池容量，在性能、安全性和耐用性方面有各种要求。在电动汽车中，汽车制造商有责任最大限度地提高重量和体积密度，以提供具有良好行驶里程的车型。对于大多数CAM机器来说，这并不是绝对必要的，因为一般来说空间并不是“稀缺资源”。因此，重要的是成本、安全性和使用寿命。
报告解释称，CAM市场上流行的电池技术与电动汽车的电池技术并无不同，都是基于NMC(镍锰钴)和LFP(磷酸亚铁锂)阴极，以锂作为电荷载体，以石墨为阳极。LFP密度较低，但成本也较低，因此用于大型机器，在这些机器中，额外的电池重量不是问题，但节省成本是一项强大的竞争优势。小型机器则配备高密度NMC电池，例如2吨重的挖掘机。
这些技术提供的质量能量密度在100-200Wh/kg范围内，体积能量密度在300至400Wh/L范围内，循环寿命足以满足大多数应用。
除了LFP和NMC，未来几年预计还会有更多新兴技术实现商业化，例如化学性质更坚固、更稳定的钛酸锂(LTO)、固态电池(SSB)和硅阳极电池。LTO电池非常适合用于运输卡车，这是一种将有效载荷从矿场运送到加工区的重型车辆，每天可运行20小时，停机时间极短，充电时间也非常短(3分钟)。此外，LTO 电池的寿命也很长，在使用寿命结束前最多可循环使用40000次。
在石墨阳极中添加硅可提高电池的能量密度，但会降低电池的使用寿命，电池的充电次数很难超过1000次。而一些大型农机一年中仅在田间运行几周，因此充电次数较少，但却能确保10到20年的使用寿命。
IDTechEx报告调查了CAM领域使用的电动机器的大型数据库，结合不同的电池组解决方案，就该行业中每种机械的最佳电池匹配提出了建议。
CAM电气化是一项值得称赞的壮举，但电池成本仍然占电动解决方案价格溢价的大部分。使用NMC或LFP技术的1MWh(1000kWh)拖拉机电池的成本约为300000美元。如果使用SSB和硅阳极变体，价格可能会翻倍甚至更高，因此我们不能指望这些技术很快就会出现在相关市场。换句话说，电池本身的成本将超过同等大小的传统柴油拖拉机的成本，即使假设拖拉机每年消耗价值30000美元的柴油，也很难抵消最先进电池的额外成本。
最后，虽然柴油拖拉机长期以来一直是主要选择，但电动拖拉机可以保证可持续性、减少排放和长期节省成本，因此最终决定取决于个人选择、农场要求和环境考虑，特别是在有专门的激励计划和政策支持的情况下。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Will vehicle electrification wave spare tractors and farm machinery?，由Ricardo Xie编译。)
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