電動挖掘機發展展望

蔡 文

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

最近10年以來，在各國政府的支持下，各汽車生產企業持續加大純電動汽車的研發及生產，電動汽車行業呈現出了一派蓬勃發展的景象，中國市場尤為突出。自從2015年以來，中國市場上純電動汽車銷量高速增長，見圖1。純電動汽車門類齊全，種類包含乘用車、商用車及專用車，見圖2。動力電池主要采用三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池。

圖1 純電動汽車年銷量

圖2 2018年各類純電動汽車市場占有率

純電動汽車的發展，帶動了動力電池和電動機的發展，同時動力電池和電動機的發展也促進了電動汽車的發展。整車和部件相互促進，良性循環。在這樣的大背景下，工程機械行業可以借鑒電動汽車的一些成熟的電控技術，也可以選用電動汽車的一些零部件，例如動力電池和電動機，這樣就使得工程機械電動化成為了可能。

1 目前常規挖掘機現狀

中國挖掘機市場是全球三大挖掘機市場之一。國內市場自2011年后經過了幾年的低迷期，從2016年下半年開始復蘇，最近三年高速增長。最近10年銷量見圖3[1]。

圖3 歷年銷量和同比漲幅

1.1 常規挖掘機構造及功能分析

常規挖掘機的構造見圖4，主要由幾大部件構成。包括柴油機系統、電控系統、液壓系統、行走系統、回轉平臺、工作裝置、駕駛室。

圖4 常規挖掘機構造圖

柴油機系統把柴油化學能轉化為機械能，是整機的動力源。柴油機通過飛輪把機械能輸入給液壓泵。液壓系統通過液壓轉換把從液壓泵吸收的能量傳遞給各執行元件，包括液壓油缸和液壓馬達。工作裝置是整機的執行系統，由液壓油缸驅動。整機的常規屬具為鏟斗，根據作業工況的需求，可以選用不同的屬具。

1.2 常規挖掘機的能耗分析，排放等缺點

常規液壓挖掘機經過了一百多年的發展，為人類的建設做出了巨大的貢獻。由于作業工況的多樣性，其號稱工程機械之王，幾乎只要有工地的地方就能看到挖掘機的身影。但是其缺點也明顯。首先是能量利用率低，常規挖掘機裝備的是柴油機，而柴油機的燃油效率只要33%左右，最高不超過40%；其次是柴油機的排放物會污染大氣，這些污染物主要包括：一氧化碳（CO）、未燃碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）以及顆粒物（PM）。這些尾氣成分是當前空氣污染的重要來源，時刻威脅著人類健康[2]。有的發達地區已經制定政策，逐步淘汰柴油工程機械的使用。再次是石油是不可再生資源，遲早會枯竭。總而言之，柴油工程機械不符合綠色、節能、環保的要求。

2 電動挖掘機技術可行性

2.1 電動工程機械現狀

目前是電動汽車蓬勃發展的黃金時間，但對于工程機械市場，電動化還處在萌芽階段。縱觀全球工程機械市場，目前還沒有以動力電池為能量源的挖掘機批量銷售。零星有企業研發出微型和小型的電動挖掘機，但中型和大型電動挖掘機目前還處于空白狀態。相對于微小型電動挖掘機，中大型電動挖掘機技術難度更大。

2.2 電動挖掘機的優勢

隨著環保要求越來越嚴，2017年國家提出了“藍天保衛戰”戰略。2018年有的地區已經出臺政策限制燃油工程機械的使用，比如深圳于2018年4月出臺了《2018年“深圳藍”可持續行動計劃》[3]，電動工程機械零排放的優勢將越來越明顯。相對于燃油挖掘機，電動挖掘機單位時間使用成本更低，并且維護保養成本也更低。對于挖掘機持有人來說，在挖掘機完成的工作量一定的情況下，使用成本更低則利潤更高。機器使用成本低對租賃客戶也很有吸引力。電動挖掘機零排放更加符合國家節能環保政策要求，有助于打贏藍天保衛戰。相比柴油機，電動機運行更加平穩，低速扭矩更大，使得整機操控性能更好。電機運行噪聲低，使得整機的噪聲水平更低，電動挖掘機更適合城市夜間作業工況要求。追求更低的噪聲一直是工程機械最求的目標之一。總之，電動挖掘機在使用區域、使用成本、節能環保、操作體驗以及低噪聲方面比柴油挖掘機更具有優勢。

2.3 電動挖掘機技術路線

電動挖掘機與常規挖掘機結構上的主要區別在于動力系統。常規挖掘機的動力系統由柴油機提供動力，柴油機將柴油化學能轉化成飛輪的旋轉機械能輸出給液壓主泵，同時通過皮帶驅動發電機發電。發電機把電能輸送給24 V鉛酸電池及各車載電器設備。常規挖掘機的技術路線見圖5。常規挖掘機所有的執行機構由液壓系統驅動，包括工作裝置、回轉機構和行走機構。液壓泵是液壓系統的動力源，是所有執行機構的動力源。

圖5 常規挖掘機技術路線

電動挖掘機在技術路線上可以有多種方案，本文提出以下4種技術路線，并展示其中3種技術路線圖。方案1動力電池系統是整機能量源，動力電池把電能輸送給電機，電機驅動液壓主泵，液壓泵再把能量輸送到各執行元件，如液壓油缸、回轉液壓馬達和行走液壓馬達。動力電池系統屬于高壓系統，通過DCDC轉換把高壓電轉換為24 V低壓電，從而為各車載電器設備提供電源。在方案1里，液壓主泵驅動的機構和常規挖掘機是一樣的，分別是回轉機構、行走機構和工作裝置。不同的是方案1的液壓主泵由電機驅動，而常規挖掘機的液壓主泵由柴油機直接驅動。方案1中低壓電源由DCDC轉換而來，而常規挖掘機的低壓電源由柴油機帶動發電機發電來產生。見圖6。

圖6 電動挖掘機技術路線（方案1）

方案2是在方案1的基礎上增加一個電機，把原來由液壓主泵驅動的回轉機構改為由電機2驅動，其余部分與方案1完全相同。方案3是在方案2的基礎上，把原來由液壓主泵驅動的行走機構改為由電機3驅動，其余部分與方案2完全相同。電動挖掘機還可以有第4種技術路線，即方案4，該方案是在方案3的基礎上取消液壓主泵及其驅動的液壓系統，工作裝置由電缸直接驅動。方案4是純電驅方案，所有的執行機構由電執行元件驅動，整機沒有液壓系統。見圖7、圖8。

圖7 電動挖掘機技術路線（方案2）

圖8 電動挖掘機技術路線（方案3）

柴油機的效率不高，只有33%左右。而我國電動汽車電機的效率最低指標為：電機功率在5～150 kW之間，效率大于93%，效率高于85%的高效率區占電機整個運行區間的50%以上[4]。電機的效率明顯遠高于柴油機。方案1用1個電機代替柴油機驅動液壓系統，能量利用率可以提高一倍以上。液壓主泵驅動回轉液壓馬達時會產生溢流，這樣會造成能量浪費，并且液壓泵和液壓馬達本身效率也沒有電機高，方案2回轉采用電驅動方式能夠提高效率，并且在回轉制動過程中，電機2起發電作用，把機械能轉化成電能回充給動力電池系統，電機2起到能量回收的作用。由于挖掘機的工作方式是定點作業方式，行走不是常用動作，方案3采用電機3來驅動行走機構節能效果并不明顯。大型電缸目前還處于研究階段，性能和耐久性還不能滿足中大型挖掘機的需求。

綜上所述，方案1技術難度最低，并且也起到一定的節能效果，適合于小型和微型挖掘機。方案4技術難度大，并且電缸的工況適應性和可靠性還有待進一步驗證，可以先從微型挖掘機開始試用。由于整機還保留有液壓系統，方案3的行走由液壓驅動改為電驅動意義并不明顯。與方案2比，節能效果不明顯，反而增加了新的系統，增加可靠性風險。從技術難易程度和節能效果來考慮，方案2是現階段中大型挖掘機的最優方案。

2.4 電動挖掘機動力系統

電池技術、電機技術和電控技術是電動汽車的核心技術。同樣，三電技術也是電動工程機械的核心技術。近幾年來，動力電池發展迅猛無論是能量密度、循環壽命，還是安全性能都有了極大的提高。目前純電動汽車裝機容量最多的動力電池是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。在能量密度方面，三元鋰離子電池能量密度比磷酸鐵鋰電池略高。2018年磷酸鐵鋰電池單體能量密度達到了160Wh/kg左右[5]。而在循環壽命和安全性能方面，磷酸鐵鋰電池優于三元鋰離子電池。考慮到續航里程問題，目前市場上的純電動乘用車傾向于使用三元鋰離子電池，而純電動商用車如純電動大巴等普遍使用的是磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的循環壽命高達4000次以上。電動卡車和電動大巴在使用工況方面更接近于工程機械，為了降低風險，同時提高開發速度，電動挖掘機可以直接選用電動卡車或電動大巴批量使用的電池包，然后用這些電池包組成新的動力電池系統，并重新開發一個新的BMS系統。挖掘機的使用壽命可長達10年，假設電動挖掘機每天都要作業，每天充電一次，磷酸鐵鋰電池4000次的循環壽命可供電動挖掘機使用10年以上。

2.5 電動挖掘機傳動系統

如前文所述，電動挖掘機傳動系統由電動機、液壓主泵及其驅動的液壓系統組成。電動機及其控制器是電動車輛的核心技術之一。目前電動汽車使用的電動機類型主要有永磁同步電機和感應電機，也有極少數電動專用車使用的是開關磁阻電機，但國內市場上大部分的電動汽車使用的都是永磁同步電機。由于永磁同步電機使用量大，范圍廣，從小功率、低扭矩的電動乘用車到大扭矩、高功率的電動大巴和電動卡車的各個型號的車型都在使用，所以對于電動工程機械電動機選型來說相對容易一些。永磁同步電機具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者[6]。目前國內電機制造商所生產的電機扭矩可高達2 000 N·m，功率可高達230 kW。2018年中國挖掘機市場上使用數量最大的是50 t以下型號，50 t以下型號占全年總銷量的95%以上。50 t挖掘機液壓主泵的最大扭矩在1 500 N·m以內，完全可以選型到合適的電動機。

3 結束語

開發電動挖掘機符合國家產業政策，使工程機械更加綠色，環保。根據技術難易程度，本文提出了4種技術路線圖，不同的企業可根據自身的實際情況選擇合適的技術路線進行產業化。由于電動汽車工業的興起，帶動了零部件電池包和電機的發展，從而為工程機械電動化提供了充足的零件選擇。工程機械可以直接選用電動汽車批量生產的電池電機等核心零部件，這些零部件在電動汽車上已經得到驗證，能夠極大地縮短電動工程機械的研發，試驗周期，并使可靠性和耐久性得到提高。還有，采用電動汽車的批量零件還能降低電動工程機械的開發成本。在整機作業效率，操控性能等方面，電動挖掘機明顯由于常規挖掘機，并且在使用成本，維護保養成本方面，電動挖掘機都具有優勢。在過去的10年里，液壓挖掘機電動化僅僅是一種愿望，并不具備大批量生產的基礎。今天，電動挖掘機產業化才真正具有了工業基礎。