電傳動工程機械發展趨勢研究

陳宇立

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著我國經濟水平和科技水平的不斷發展，工程機械作為基礎建設的主要設備，國家對其需求量越來越大，加快了工程機械行業的發展，但是隨之而來的污染問題也越來越嚴重。再加上傳統工程機械所需要的石油資源日趨枯竭，因此，環境污染和能源短缺問題是阻礙工程機械行業發展的主要因素[1]。

國家“十三五”規劃中指出了對于節能減排的迫切要求。為了達到更好的節能減排的效果，發展節能環保的新能源工程機械逐漸成為行業的主流趨勢，電傳動技術憑借著其綠色環保和節能高效的特點在新能源發展中備受矚目。近年來，國家也正在大力扶持電動汽車行業的發展，電動汽車利用蓄電池和電動機來代替燃油發動機，可以有效地緩解環境污染和能源短缺的問題。因此，電傳動技術在工程機械行業中的應用將成為未來發展的主要趨勢[2]。

1 電傳動技術概述

電傳動技術最初興起于第二次工業革命時期，其發展過程坎坷。在工程機械行業中，電傳動技術最早被應用于內燃機車中，但是由于當時技術水平有限，并沒有達到理想的效果。近年來，隨著科技水平的進步，電力電子技術、控制技術和半導體技術的不斷成熟，電傳動技術逐漸被應用到裝甲車、礦車等重型車輛中，這也為該技術在工程機械行業中的發展奠定了基礎[3]。

電傳動技術對于人們日常的生產和生活都具有非常重要的作用，應用范圍非常廣泛。其工作原理是將電能轉化為機械能，中間傳遞過程省去大量機械設備，傳動系統布置靈活，空間利用率高。傳統的電傳動技術雖然能夠提供巨大的驅動力，但是也會造成非常大的損耗，從而降低傳動效率。隨著計算機技術的發展，電傳動技術也不斷向智能化方向轉變。

目前，大多數電傳動系統采用發動機-發電機-電動機的傳動形式，通過發動機帶動發電機發電，電動機將發電機提供的電能有效地轉化為機械能。電傳動系統通過對電能轉化形式的不同可以分為直-直電傳動系統、交-直電傳動系統、交-直-交電傳動系統和交-交電傳動系統四種形式[4]。

1）直-直電傳動系統：直流發電機和直流電機，通過直流發電機產生的直流電直接驅動直流電機，從而實現電能到機械能的轉化。該系統將產生裝置和轉換裝置直接連接在一起，因此，結構簡單、調速性能好、響應快，但是直流電機體積大，功率密度小，不易散熱。

2）交-直電傳動系統：交流發電機和直流電機，通過交流發電機發出交流電，經過整流后提供給直流電機。該系統提高了發電機轉速，減小了體積。相較于直-直系統，該系統運行可靠，維修也較為方便，主要應用于20世紀70至80年代。

3）交-直-交電傳動系統：交流發電機和交流電機，通過交流發電機發出交流電，經過整流器整流為直流電，再經過逆變器轉化為頻率可調的三相交流電，來驅動交流電機。該系統可靠性高，維修方便，并且可以有效地提高輸出功率和傳動效率，因此，目前應用最為廣泛。

4）交-交電傳動系統：交流發電機和交流電機，通過交流發電機發出交流電，經過變頻后直接作用于交流電動機。該系統是直接變換，沒有中間環節，效率比交-直-交系統高。但是系統的輸出電壓頻率會受到電源頻率的影響，因此，多用于低速、大功率的系統中。

以上系統都需要發電機來提供電能，而發電機則需要發動機來帶動，因此，不能根本上解決燃油的消耗問題。目前市面上的電動汽車已經開始利用蓄電池代替發動機作為能量源，蓄電池通過周期性的充電，能夠滿足電機的電能需求。但是這種技術還在發展階段，對于工程機械這種能耗大的機械，常用發動機和蓄電池配合來提供能量。根據布置結構的不同，系統可分為串聯式系統、并聯式系統和混聯式系統三種形式[5]。

1）串聯式系統：如圖1所示，串聯式系統中發動機是系統的主要能量來源，蓄電池只作為輔助能源儲備裝置。其中，功率變換器將發動機發出的交流電整流逆變為電動機所需要的電流形式。該系統的優勢在于整個傳動系統為弱耦合關系，發動機受外載荷影響小，因此，能夠保持良好的工作狀態。但是由于能量經過二級轉換，存在能量損失，因此，能量利用效率比機械傳動低。

圖1 串聯式系統

2）并聯式系統：如圖2所示，并聯式系統有個顯著的特點就是沒有發電機。該系統可由發動機或蓄電池單獨驅動，或二者采用轉矩復合的方式共同驅動。并聯式系統常被用在小型車輛中，在高速公路上行駛時具有良好的燃油經濟性。

圖2 并聯式系統

3）混聯式系統：如圖3所示，混聯式系統混合了串、并聯兩種模式，發動機可通過兩條路徑給系統提供能量。串聯路徑中，發動機的機械能通過發電機轉化為電能，電能部分流向電池或全部流向驅動電機；并聯路徑中，發動機通過機械結構與傳動裝置相連，其機械能可直接傳輸給傳動裝置，剩余的能量可通過發電機轉化為電能儲存在電池中。該系統運行模式多，但是組成更復雜，控制難度更高。

圖3 混聯式系統

2 電傳動工程機械的發展趨勢

傳統工程機械的主要傳動形式分為機械傳動、液力傳動、液壓傳動以及混合傳動。但是這些傳動方式會受到材料技術、制作工藝等方面的限制，并且燃油消耗會對環境造成污染，因此，為了解決這些問題，電傳動工程機械就應運而生。國內外各大企業和高校早已開始對電傳動工程機械的研究。

國外對于電傳動技術的研究可以追溯到100多年前，該技術最早被應用在裝甲車和坦克上。電傳動技術在裝甲車輛上的應用給了工程機械領域很大的啟發，于是該技術慢慢被應用到了工程機械中。

在2003年，日本的日立建機公司生產了首臺采用電傳動系統的裝載機，這也是電傳動技術首次被應用到工程機械中。2004年，小松公司也開發出電傳動挖掘機的樣機，該機采用的是混合動力電傳動技術。卡特彼勒公司于2008年生產出世界首臺電傳動履帶推土機，型號為D7E。該推土機由一臺CatC9.3柴油機給一臺永磁同步交流發電機提供動力，發電機產生的電能通過逆變器給兩臺交流感應電動機提供電能，最后通過電動機將電能轉化為機械能。D7E型推土機可以有效地節約燃料，減少廢氣排放，并提高工作效率。2010年，卡特彼勒的966K XE型電傳動輪式裝載機出現在德國慕尼黑展會上；2014年，新型電傳動輪式裝載機ZW200HYB-5B的節能效率高達26%，同時，還可以制動回收能量。2015年，別拉斯推出BELAZ78250型電傳動輪式裝載機，該機配備一臺交流發電機和四臺牽引電機，可實現四輪獨立驅動，改善了發動機的運轉工況，也在一定程度上降低了油耗。

近些年，隨著技術的不斷更新和發展，各大企業也開始不斷推出純電驅動的工程機械。2019年，卡特彼勒推出首款純電驅動鋰電池裝載機Cat906，該裝載機不再使用發動機作為動力源，而是使用高能量密度的鋰電池配合專用電機來驅動機器。同年，卡特彼勒的Cat D6 XE推土機在慕尼黑Bauma展上亮相，與前代機型相比，該推土機的工作效率得到了有效的提升。2020年，荷蘭BAM公司建造了世界第一臺純電驅動壓路機，與采用柴油發動的相同規格機型相比，該壓路機每小時可以節省7 L的燃料。Case CE公司的電驅動反鏟裝載機580 EV，采用電池供電，減輕了噪聲問題，且不存在廢氣排放，可以在人口密集的城市環境中工作。沃爾沃公司生產的ECR25緊湊型挖掘機，采用直線電機來驅動機械臂，完全摒棄了液壓系統，效率比傳統機型提高了10倍，真正實現了零排放。

相比于國外，國內對于電傳動技術的研究起步較晚，技術也不夠成熟。但是隨著國內一些企業和高校的不斷努力，我國在電傳動工程機械方面也取得了不錯的成果。

2007年，詹陽重工推出JYL621H型混合動力挖掘機，該機最先將電傳動技術應用于工程機械領域，具有節能、低排放、智能化以及低噪聲等許多優點。2010年，柳工推出的CLG862-HYBRID型電傳動裝載機，采用超級電容作為主要的輔助能源，比傳統機型省油至少10.5%。同年，徐工研發的ZL50GS型電傳動裝載機采用發動機和燃料電池共同提供動力，同時，可以進行能量回收，回收率高達75%。2016年，上海Bauma展上推出的SWE385ES型電傳動挖掘機在綜合工況下相比于傳統機型可以降低30%左右的油耗。

純電驅方面，2020年，中聯重科推出了國內首臺純電驅動汽車起重機ZTC250N-EV，該機最高車速可達90 km/h，最大爬坡度為50%，續航能力超過260 km，并且作業噪聲低，無尾氣排放，符合節能減排的標準。徐工開發的35U-E電驅動挖掘機采用鋰電池供電，使用壽命長，能量密度高，作業過程中噪聲小。三一重工生產了多種新能源混凝土機械，如410充電版攪拌車、412氫燃料攪拌車等，搭載高效永磁同步電驅系統、先進的電控系統，匹配車輛不同作業工況，讓車輛更節能。山推生產的SD17E-X推土機采用輪邊直驅系統，三種工作模式可實現動力、效率和耗能的合理匹配；配置磷酸鐵鋰動力電池，核心電氣元件質量穩定，可靠性高；噪聲小、零排放，適合排放要求高的特殊工況；與傳統燃油設備相比，使用成本僅為前者的40%。

3 結論

綜上所述，筆者對電傳動技術進行了分析，主要從對電傳動技術的概述和電傳動技術在工程機械中的應用及發展趨勢兩方面進行詳細描述。電傳動技術隨著科技水平的進步而不斷發展。節能減排是未來全球經濟發展的永恒主題和目標。工程機械作為重消耗和重污染的產品，為了實現節能減排的目標，電傳動技術在工程機械領域的發展是必然的趨勢。目前，電傳動技術的難題是如何從燃油發動機和蓄電池的混合傳動過渡到純電驅動，這也是各企業和高校的共同奮斗目標。