電動工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

林元正，林添良，陳其懷，李鐘慎，付勝杰，任好玲，郭 桐

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021)

引言

隨著全球氣候變暖、能源危機(jī)、油價上漲和排放法規(guī)的日益完善，傳統(tǒng)工程機(jī)械能效低、排放差已逐漸無法滿足國家及行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展需求，開展工程機(jī)械節(jié)能減排技術(shù)研究已成為行業(yè)共識[1]。電動工程機(jī)械取消發(fā)動機(jī)，采用電機(jī)作為主驅(qū)單元，具有高動力能效、零排放的優(yōu)勢，被認(rèn)為是最為理想的節(jié)能減排驅(qū)動方式之一[2-4]。

當(dāng)前，電動化在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用還處在起步階段。考慮工程機(jī)械的工況和結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)電動系統(tǒng)應(yīng)用于工程機(jī)械時，其動力總成、控制策略、電液控制等需根據(jù)電、液驅(qū)動特性開展專門研究[5-8]。

本研究討論電動工程機(jī)械的類型，對電動工程機(jī)械進(jìn)行了概述；然后結(jié)合工程機(jī)械純電動系統(tǒng)的特點，對比分析了工程機(jī)械與其他領(lǐng)域電驅(qū)動技術(shù)的差異，深入分析了電動工程機(jī)械中電機(jī)調(diào)速、電液驅(qū)動、新型電液執(zhí)行器、能量回收等關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，介紹了電動工程機(jī)械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；最后，對電動工程機(jī)械未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 電動工程機(jī)械的類型

電動工程機(jī)械按供電方式可以分為電網(wǎng)供電型、電池供電型、電池電網(wǎng)復(fù)合供電型和外接電源供電型4種，如圖1所示[9]。

圖1 電動工程機(jī)械的供電類型Fig.1 Power supply types of electric construction machinery

1.1 電網(wǎng)供電型

電網(wǎng)供電型采用電網(wǎng)直接供電，工作時間不受限制。該供電方式可以節(jié)省電池成本，但由于電網(wǎng)電纜的限制，機(jī)器工作范圍有限，并且其工作靈活性大大降低。此外，以液壓挖掘機(jī)為例，由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要旋轉(zhuǎn)360°以上，電源接入裝置需要特殊設(shè)計，以確保電纜不會影響挖掘機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動。該類型適用于煤礦、隧道、工廠等容易接入電網(wǎng)的場所。

1.2 電池供電型

該供電方式中，電池是唯一向電動工程機(jī)械提供電能的儲能單元。目前，電化學(xué)電池布置在整臺機(jī)器上，更適合于儲存工程機(jī)械的電能，電池的容量決定了工程機(jī)械的工作續(xù)航時間和裝機(jī)成本；同時，電池需要定期充電，因此適用于輪式工程機(jī)械，如輪式挖掘機(jī)、輪式裝載機(jī)和叉車等。然而，該類型的難點之一在于儲能裝置的布置，只適用于電網(wǎng)取電不方便或機(jī)器需要經(jīng)常走動的場所，如港口、倉庫等。

1.3 電池電網(wǎng)復(fù)合供電型

該類型電動工程機(jī)械可由電網(wǎng)和電池獨立或者共同供電。由于電網(wǎng)可以作為一個獨立的能源供應(yīng)，電池的尺寸可以大大縮小，可根據(jù)用戶的實際需要選擇，適用于履帶式挖掘機(jī)等履帶式工程機(jī)械。由于電池和電網(wǎng)的結(jié)合，這種類型幾乎適用于所有工作場景。

1.4 外接電源供電型

該類型整機(jī)結(jié)構(gòu)類似于電網(wǎng)供電型。電池通過一個單獨的電源拖車進(jìn)行布置，代替電網(wǎng)對整機(jī)進(jìn)行供電，解決了電網(wǎng)供電的盲區(qū)問題。該類型電動工程機(jī)械可解決取電難的問題，通過提升電源車的電池容量可提高工程機(jī)械的工作時間以降低整機(jī)成本，但在工作過程中需要拖曳電池車移動，限制了工程機(jī)械的行走。該方案更側(cè)重于電池車租賃模式，或作為應(yīng)急備用方案。采用電源車供電模式并不能從根本上解決工程機(jī)械的供電問題。

2 電動工程機(jī)械特性分析

當(dāng)前電動化技術(shù)已經(jīng)在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，但工程機(jī)械與汽車在結(jié)構(gòu)和工況上存在的顯著差異，電動汽車用電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)難以直接移植到純電動工程機(jī)械領(lǐng)域[10]，以典型工程機(jī)械液壓挖掘機(jī)為例進(jìn)行特性分析。

2.1 動力電機(jī)的負(fù)載特性不同

挖掘機(jī)模式繁多，工況復(fù)雜，其施工過程頻繁重復(fù)同樣動作，動力源的輸出功率波動劇烈并具有一定周期性。如圖2所示，以某型挖掘機(jī)為例，動力源輸出功率P變化周期約為15～20 s，負(fù)載功率在50 ～130 kW之間劇烈變化，導(dǎo)致純電動工程機(jī)械的運行工況及環(huán)境較為復(fù)雜，且功率密度大，對其各主要部件有更高的動態(tài)響應(yīng)和脈沖過載能力要求[11]。而汽車工況較為平穩(wěn)，主要包括啟動、加速、勻速、剎車、上下坡等工況，在大多數(shù)平穩(wěn)行駛過程中，負(fù)載穩(wěn)定，通過一定的控制策略可以使電機(jī)比較穩(wěn)定地運行在理想?yún)^(qū)域而不需要時刻跟隨負(fù)載的變化而變化；而工程機(jī)械在工作過程中，負(fù)載時刻都在變化，電機(jī)需要隨負(fù)載的變化而不斷地調(diào)整以匹配負(fù)載。

圖2 實際作業(yè)循環(huán)發(fā)動機(jī)功率曲線Fig.2 Power curve of engine in an actual working-cycle

2.2 動力電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍不同

如圖3所示，車用電機(jī)具有寬轉(zhuǎn)速工作區(qū)間(0～8000 r/min)[12]，以滿足低速大扭矩啟動和高速巡航工況。而電動挖掘機(jī)用電機(jī)特性需求完全不同，傳統(tǒng)挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)的工作區(qū)域為1600～2200 r/min，相對其整個轉(zhuǎn)速范圍(0～2200 r/min)為高速區(qū)域。電動化后，可以充分利用電機(jī)良好的調(diào)速特性，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍相對原來柴油機(jī)驅(qū)動的工作范圍更大(300～3000 r/min)。但為了保證純電驅(qū)動挖掘機(jī)在工作范圍內(nèi)的作業(yè)性能，一般要求電機(jī)在其工作范圍內(nèi)的最大輸出扭矩均不能降低或者恒功率區(qū)間較小。

圖3 汽車和電動挖掘機(jī)用電動機(jī)的外特性曲線Fig.3 Motor external characteristic curves for automobiles and electric excavators

2.3 動力源各部件之間協(xié)調(diào)控制問題

挖掘機(jī)的負(fù)載波動劇烈，循環(huán)周期短，控制對象除了電機(jī)外，還有液壓系統(tǒng)及各部件狀態(tài)量(壓力、SOC等)的檢測，如何根據(jù)液壓系統(tǒng)及整機(jī)狀態(tài)量反饋動態(tài)控制電機(jī)，進(jìn)而使得整機(jī)的效率和操作性能最佳，是一個較大的挑戰(zhàn)。而電動汽車領(lǐng)域大都為機(jī)械傳動，電機(jī)驅(qū)動器的輸入信號主要為油門信號、剎車信號等，無須與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，與負(fù)載的動力匹配也主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的變速箱來優(yōu)化。

2.4 再生控制不同

電動汽車中，車橋為唯一負(fù)載，驅(qū)動和再生途徑一致。剎車過程，再生控制策略需協(xié)調(diào)再生制動與摩擦制動關(guān)系，保證整車制動性能的安定性及能效[13]；但是挖掘機(jī)為多執(zhí)行器負(fù)載，驅(qū)動途徑和能量回收途徑一般為2個不同的系統(tǒng)，兩者之間通過電量儲存單元耦合。同時對于挖掘機(jī)來說，其機(jī)械臂下放和回轉(zhuǎn)制動過程，驅(qū)動器的控制策略側(cè)重在作業(yè)操作性能和回收能效。

因此，針對電動汽車的驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)無法直接移植到工程機(jī)械上，工程機(jī)械的電動化，需針對工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)、作業(yè)工況特點，開展電驅(qū)動系統(tǒng)控制策略的研究。

3 電動工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)

3.1 變轉(zhuǎn)速動力協(xié)調(diào)控制

采用電機(jī)代替發(fā)動機(jī)后，電機(jī)在速度控制的靜動態(tài)性能方面得到了大幅提高，如圖4所示，為某型號永磁同步電機(jī)不同頻響控制參數(shù)下的轉(zhuǎn)速輸出曲線，0～6分別對應(yīng)不同頻響參數(shù)，其目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間可達(dá)80 ms，遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間。此外，電機(jī)過載能力強(qiáng)，其峰值功率一般為其額定功率的2倍以上[14-15]。與發(fā)動機(jī)相比，電機(jī)高效區(qū)間也相應(yīng)增加，如圖5所示，其80%的工作區(qū)間效率高于90%。

圖4 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.4 Rotary speed response curve of permanent magnet synchronous machine

圖5 永磁同步電機(jī)效率云圖Fig.5 Efficiency map of permanent magnet synchronous machine

充分利用電機(jī)良好的調(diào)速特性、過載能力和高效特性，與傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)相結(jié)合是工程機(jī)械采用純電驅(qū)動系統(tǒng)后最為重要的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)大都采用發(fā)動機(jī)-液壓泵-多路閥-多執(zhí)行器的構(gòu)型，以泵供油、閥配流的方式完成工作。引入電驅(qū)動系統(tǒng)后，液壓泵的供油控制方式不再局限于恒速變排量控制，而可拓寬為定排量變轉(zhuǎn)速控制、排量自適應(yīng)(基于傳統(tǒng)變量泵)-變轉(zhuǎn)速控制以及變排量-變轉(zhuǎn)速控制，大大增強(qiáng)了液壓動力源的供油匹配能力以及控制靈活性，可通過變速控制柔性實現(xiàn)和集成各種功能，以優(yōu)化系統(tǒng)能耗和操控性能，包括基于變轉(zhuǎn)速控制的負(fù)載敏感控制、基于雙變系統(tǒng)的負(fù)載敏感控制、基于變轉(zhuǎn)速的正流量控制、變恒功率控制、變壓差控制、自動怠速控制等[16-17]。此外，結(jié)合電驅(qū)液壓動力源的增強(qiáng)特性，針對多路閥配流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可進(jìn)一步提高液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率。

3.2 整機(jī)電液控制技術(shù)

通過電機(jī)變轉(zhuǎn)速動力協(xié)調(diào)控制結(jié)合傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)的優(yōu)化，是工程機(jī)械電動化之后最為快速有效的途徑，但其局限性在于難以從根本上解決集中式液壓驅(qū)動系統(tǒng)在配流過程中處理多執(zhí)行器耦合問題帶來的系統(tǒng)損耗。如圖6所示為傳統(tǒng)挖掘機(jī)的能量流圖，造成系統(tǒng)低能效的主要因素在于發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)的效率均僅約為35%，電動化可有效提升動力能效。但液壓部分的能效受限于液壓集成式結(jié)構(gòu)方案所帶來的系統(tǒng)節(jié)流損耗、溢流損耗、多執(zhí)行器壓力耦合損耗，其電動化后的進(jìn)一步改善十分有限。

圖6 傳統(tǒng)挖掘機(jī)能量流圖Fig.6 Energy flow of traditional excavator

而當(dāng)電動工程機(jī)械自身具備電儲能單元后，可以借鑒工業(yè)領(lǐng)域中的各種電液控制技術(shù)并加以應(yīng)用，充分利用機(jī)電液一體化的優(yōu)勢對電動工程機(jī)械的系統(tǒng)構(gòu)型和關(guān)鍵零部件等進(jìn)行深入探究，進(jìn)一步提高整機(jī)能效，包括分布式獨立電液控制系統(tǒng)(如圖7所示)、電動缸技術(shù)、基于電動/發(fā)電機(jī)-泵/馬達(dá)的閉式液壓系統(tǒng)(EHA)、新型電機(jī)直驅(qū)式油缸泵技術(shù)、電動/發(fā)電-泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)四象限驅(qū)動與再生一體化系統(tǒng)以及新型電動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制型的液壓變壓器等。

圖7 分布式獨立電液控制系統(tǒng)Fig.7 Distributed independent electro-hydraulic control system

3.3 能量回收技術(shù)

工程機(jī)械工作過程，頻繁重復(fù)施工動作，存在大量的機(jī)械臂勢能和回轉(zhuǎn)制動能以熱能形式耗散在節(jié)流閥口[18]，能量回收是改善該類型能耗的有效途徑。工程機(jī)械電動化后引入電儲能單元，為能量回收提供新的解決思路。

對于機(jī)械臂勢能回收系統(tǒng)，以挖掘機(jī)為例，其動臂下放時間短、壓力變化大，能量回收過程發(fā)電力矩和轉(zhuǎn)速也隨之大幅波動，如圖8所示。因此，如何在短時間內(nèi)提高能量回收率并保證操控性，是一個較大的難點。動臂下放過程可能會碰到剛性負(fù)載，此時，動臂僅提供一個較大的挖掘力，并無實際下降位移，此時動臂油缸有桿腔壓力遠(yuǎn)大于其無桿腔壓力[19]。因此，如何回收高頻大慣性機(jī)械臂勢能且保證良好操控性是電動工程機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖8 挖掘機(jī)動臂下放過程的壓力、位移及能量回收階段分布圖Fig.8 Distribution diagram of pressure, displacement and energy recovery stage during lowering of excavator boom

對于回轉(zhuǎn)制動動能的回收，以挖掘機(jī)為例，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的電傳動系統(tǒng)比液壓傳動系統(tǒng)的效率更高，在油電混合動力挖掘機(jī)中，一般采用電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動挖掘機(jī)的上車機(jī)構(gòu)。但是與汽車不同，挖掘機(jī)的上車回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)經(jīng)常需要工作在低速大扭矩工況，如挖掘機(jī)側(cè)壁掘削，為保證挖掘機(jī)掘削的垂直性，回轉(zhuǎn)電機(jī)必須在近零轉(zhuǎn)速時仍然提供一個較大扭矩，對電機(jī)的驅(qū)動器、冷卻系統(tǒng)等的要求較為苛刻，同時也會消耗大量的電能。

4 電動工程機(jī)械的理論研究現(xiàn)狀

雖然電動技術(shù)在工業(yè)、汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是在工程機(jī)械領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。與電動汽車相比，電動工程機(jī)械的相關(guān)研究報道較少。

4.1 控制策略

權(quán)龍教授團(tuán)隊以電動挖掘機(jī)為研究對象，采用定轉(zhuǎn)速電機(jī)和變頻調(diào)速電機(jī)作為動力源，驅(qū)動變量泵，電機(jī)由電纜進(jìn)行供電。結(jié)果顯示，相比于定轉(zhuǎn)速電機(jī)控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速動力系統(tǒng)功率由2.05 kW 降至0.70 kW，節(jié)能效率可達(dá)33%，與傳統(tǒng)挖掘機(jī)相比，整機(jī)能耗可節(jié)省30%以上[20-21]。

林添良教授團(tuán)隊使用電機(jī)替代發(fā)動機(jī)[22]，基于電機(jī)良好的控制性能和較高的效率，提出了一種帶有蓄能器的電動挖掘機(jī)二級怠速控制系統(tǒng)，并開展聯(lián)合仿真控制策略和試驗驗證研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案能實現(xiàn)電機(jī)不同怠速點和正常工作轉(zhuǎn)速之間的快速切換。雖然電動挖掘機(jī)中的第二怠速點遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)挖掘機(jī)的第二怠速點，但當(dāng)電機(jī)從怠速模式切換到正常工作模式時，執(zhí)行器仍然可以快速建壓。與沒有怠速控制的挖掘機(jī)相比，通過該方案應(yīng)用，節(jié)能效率約為36.06%[17,23]。

在電動挖掘機(jī)的電液流量匹配技術(shù)方面，林添良教授團(tuán)隊分別對基于變轉(zhuǎn)速-定量泵的正流量系統(tǒng)、負(fù)載敏感系統(tǒng)以及基于變轉(zhuǎn)速-變排量的負(fù)載敏感系統(tǒng)做了大量研究。針對變轉(zhuǎn)速-定量泵的正流量控制系統(tǒng)，提出了一種基于手柄壓差信號的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)流量預(yù)估策略，仿真和試驗結(jié)果表明，該方案可提升系統(tǒng)的流量匹配特性，降低流量飽和的影響，且整機(jī)能效較閥控系統(tǒng)提升33%[24]。

針對變轉(zhuǎn)速-定量泵的負(fù)載敏感系統(tǒng)，提出了一種基于變轉(zhuǎn)速控制的壓差閉環(huán)控制研究，通過控制電機(jī)扭矩，主動調(diào)節(jié)泵出口壓力，維持節(jié)流閥口壓差為目標(biāo)值。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮電池充放電特性及電機(jī)溫度對電機(jī)輸出功率的影響，提出了分段恒功率控制，通過仿真和試驗研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅可提高整機(jī)控制特性，還可以有效提高能效，相比于定轉(zhuǎn)速-變量泵的負(fù)載敏感系統(tǒng)，整機(jī)能效提升17%。同時，基于所提出的分段恒功率控制，驗證了在不同電池SOC、電機(jī)溫度下，動力系統(tǒng)的功率輸出特性和可行性[25-26]。

針對基于變轉(zhuǎn)速-變排量的負(fù)載敏感系統(tǒng)，考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和泵排量調(diào)節(jié)的相互影響特性，提出了基于分級壓差的排量自適應(yīng)變轉(zhuǎn)速控制策略，通過對泵排量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的分階段調(diào)控，拓寬了流量調(diào)節(jié)范圍，提升了系統(tǒng)小流量和大流量下的控制特性和流量抗飽和特性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出基于最小壓差的泵閥復(fù)合控制策略，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時同步控制多路閥的先導(dǎo)壓力，進(jìn)而減小多路閥節(jié)流口壓差，以降低系統(tǒng)節(jié)流損耗，試驗結(jié)果表明，該方案可顯著降低系統(tǒng)功率35%以上[27]。

4.2 電液系統(tǒng)

YOON J I等[28]在電動挖掘機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)中引入了電液執(zhí)行器，采用電動/發(fā)電機(jī)帶動液壓系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)挖掘機(jī)的勢能和動能的驅(qū)動與再生一體化。基于所提方案，開發(fā)了5 t挖掘機(jī)試驗樣機(jī)，并對其工作效率和能耗進(jìn)行了分析。

ZHANG S等[29]對電動化液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究。采用3個獨立的電機(jī)泵分別驅(qū)動控制1 t級挖掘機(jī)的動臂、斗桿和鏟斗，并分別建立了分布式獨立驅(qū)動和傳統(tǒng)集中式供油驅(qū)動系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型。結(jié)果表明，在選定的典型工作循環(huán)中，分布式系統(tǒng)的效率為71.3%，傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)的效率為18.3%。

4.3 能量回收系統(tǒng)

能量回收系統(tǒng)并非新興課題，傳統(tǒng)工程機(jī)械和混合動力工程機(jī)械均對能量回收系統(tǒng)做了大量的研究工作[30]。

根據(jù)有無能量儲存元件的類型，能量回收系統(tǒng)分為無儲能元件的能量回收系統(tǒng)和有儲能元件的能量回收系統(tǒng)，其中有儲能元件的能量回收系統(tǒng)主要分為機(jī)械式、電氣式和液壓式三大類。有儲能元件的系統(tǒng)將可回收的能量儲存在儲能元件中，然后在下一周期釋放出來提供輔助動力，該類能量回收系統(tǒng)受實際負(fù)載工況影響較小，節(jié)能效果顯著，但有儲能元件的能量回收系統(tǒng)增加了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。因此，能量回收和再生的整體效率很大程度上取決于儲能元件和能量回收方式[31-34]。

根據(jù)有無平衡單元，能量回收系統(tǒng)又可以分成無平衡單元的能量回收系統(tǒng)和有平衡單元的能量回收系統(tǒng)，分別如圖9～圖11所示。無平衡單元的系統(tǒng)中所有的油缸或者液壓馬達(dá)都是驅(qū)動執(zhí)行器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可回收能量通過油缸或馬達(dá)的油腔與能量回收單元相連接；如圖10所示，平衡單元應(yīng)用于直線負(fù)載的驅(qū)動系統(tǒng)是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在直線運動執(zhí)行器增加一個或多個平衡油缸，其節(jié)能原理為：

圖9 無平衡單元勢能回收原理圖Fig.9 Schematic diagram of unbalanced unit potential energy recovery

圖10 工程機(jī)械直線運動執(zhí)行器平衡節(jié)能原理圖Fig.10 Schematic diagram of balance and energy saving of linear motion actuator for construction machinery

圖11 工程機(jī)械旋轉(zhuǎn)運動執(zhí)行器平衡節(jié)能原理圖Fig.11 Schematic diagram of balance and energy saving of rotating motion actuator for construction machinery

(1) 通過控制平衡油缸的兩腔的壓力來平衡機(jī)械臂的重力，等效于驅(qū)動油缸驅(qū)動一個較輕的重物，進(jìn)而降低驅(qū)動油缸的消耗功率以實現(xiàn)節(jié)能的目的；

(2) 平衡單元和原驅(qū)動單元通過力在動臂上耦合，速度控制仍然可以通過原驅(qū)動單元保證，回收能量的再利用可以直接通過平衡單元釋放出來，實現(xiàn)了驅(qū)動和再生的一體化，避免能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多；

(3) 當(dāng)執(zhí)行器的驅(qū)動負(fù)載波動劇烈時，也可以通過控制平衡油缸的輸出力來平衡負(fù)載波動，將削峰填谷原理直接應(yīng)用于執(zhí)行器和負(fù)載之間，使得驅(qū)動油缸只需要輸出負(fù)載的平均功率。

同理，旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行器的平衡節(jié)能原理如圖11所示。根據(jù)平衡單元的儲能元件平衡單元也分成機(jī)械式、電氣式和液壓式。

5 電動工程機(jī)械樣機(jī)研制

5.1 電網(wǎng)供電型電動工程機(jī)械

目前，大多數(shù)企業(yè)將傳統(tǒng)工程機(jī)械改造為電網(wǎng)供電型電動工程機(jī)械。這種類型電動工程機(jī)械需要電纜從電網(wǎng)取電，限制了整機(jī)的靈活性，如圖12所示。該類型電動工程機(jī)械有兩個核心部分，一是電機(jī)替代發(fā)動機(jī)后的動力系統(tǒng)控制；另一個是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠以任何角度旋轉(zhuǎn)，而整機(jī)液壓系統(tǒng)基本不變，沒有能量回收，液壓油散熱器由液壓馬達(dá)驅(qū)動，此外，原發(fā)動機(jī)的水冷系統(tǒng)用于冷卻電機(jī)及其控制器，單獨的異步電機(jī)用于驅(qū)動空調(diào)用空氣壓縮機(jī)。對于該類型電動工程機(jī)械，其整機(jī)能效提升有限，以6 t電網(wǎng)供電型挖掘機(jī)為例，其能耗約30 kW·h。

圖12 華僑大學(xué)改造的電網(wǎng)供電型電動挖掘機(jī)Fig.12 Excavator powered by power grid of Huaqiao University

目前，小松、斗山、山河智能、三一、利勃海爾、卡特彼勒等都推出了電網(wǎng)供電型工程機(jī)械整機(jī)，如圖13所示。從圖13d和圖13e可以看出，電網(wǎng)的供電裝置經(jīng)過專門設(shè)計，以確保電纜不會影響挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)動作。對于礦山建設(shè)中使用的大噸位挖掘機(jī)，電機(jī)功率等級較高。如果電機(jī)由電池供電，電池的裝機(jī)容量龐大，成本較高，因此，大量礦用電動挖掘機(jī)由電網(wǎng)進(jìn)行供電，如圖13a～圖13e所示。

圖13 主機(jī)廠商推出的電網(wǎng)供電型電動工程機(jī)械Fig.13 Grid-powered electrical construction machinery launched by host manufacturers

此外，越來越多的工廠使用的小范圍移動作業(yè)的特種工程機(jī)械由傳統(tǒng)燃油機(jī)型替換成電網(wǎng)供電機(jī)型。一方面滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保政策要求，另一方面，廠內(nèi)取電方便，且廠內(nèi)機(jī)器作業(yè)時間長，電動化帶來的運營成本的降低十分可觀。同時，改善了機(jī)器對廠內(nèi)環(huán)境的影響和駕駛員的舒適性。華僑大學(xué)于2020年和2021年根據(jù)作業(yè)需求分別開發(fā)了電網(wǎng)供電型破碎用電動挖掘機(jī)和電網(wǎng)供電型電動鋁業(yè)扒渣車，如圖14和圖15所示，2臺機(jī)型均搭載了滿足工程機(jī)械抗震和防護(hù)等級要求的電動動力總成系統(tǒng)。

圖14 華僑大學(xué)電網(wǎng)供電型電動挖掘機(jī)Fig.14 Grid-powered electric excavator of Huaqiao University

圖15 華僑大學(xué)電網(wǎng)供電型鋁業(yè)扒渣車Fig.15 Grid-powered aluminum slag truck of Huaqiao University

5.2 外接電源供電型電動工程機(jī)械

2016年上海寶馬展，杭州藍(lán)力推出了一款帶有獨立高壓電源車供電的電動挖掘機(jī)，實現(xiàn)了電池和整機(jī)的分開布置，通過更換電源供電車，以確保長時間的工作能力，如圖16所示。圖16b所示為移動電源車，圖16c所示為動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電機(jī)替代發(fā)動機(jī)，并保留了皮帶輪驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)和蓄電池發(fā)電機(jī)。然而，該方案更多側(cè)重于移動電源車的商業(yè)化運行模式，并沒有解決工程機(jī)械電動化所帶來的核心關(guān)鍵問題。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能耗約為30 kW·h。

圖16 藍(lán)力研制的外接電源供電型電動挖掘機(jī)Fig.16 External power supply type electric excavator developed by Lanli

5.3 分布式全電動工程機(jī)械

2017年5月，沃爾沃在英國倫敦舉行了創(chuàng)新峰會，推出了一款分布式全電動挖掘機(jī)EX2(如圖17所示)。EX2使用2個容量為38 kW·h的鋰離子電池作為儲能單元，其在充滿電的情況下可運行約8 h。EX2的主要特點是液壓系統(tǒng)及各執(zhí)行器也被電氣部件所取代，有效地避免了液壓系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲。該EX2可實現(xiàn)零排放，同時噪聲水平降低10倍。但受限于電動缸功率的限制，該方案僅適用于小噸位工程機(jī)械，目前EX2尚處于概念階段。

圖17 沃爾沃研制的全電動挖掘機(jī)Fig.17 All-electric excavator developed by Volvo

5.4 電池供電型電動工程機(jī)械

2020年，華僑大學(xué)與日本Hitachi聯(lián)合研發(fā)了一款7 t電動挖掘機(jī)，如圖18所示，系統(tǒng)原理圖如圖19所示。該系統(tǒng)采用電壓等級為550 V的液冷磷酸鐵鋰離子電池作為儲能元件，采用35 kW永磁同步電動機(jī)驅(qū)動液壓泵，該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速分別為2000 r/min，3000 r/min，額定扭矩和峰值扭矩分別為174 N·m，348 N·m，同時，系統(tǒng)配備了DC/DC為24 V 鉛酸蓄電池充電。整機(jī)附件，如電動空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、電動散熱系統(tǒng)等，由專用輔助控制器根據(jù)整車需求驅(qū)動。電液控制系統(tǒng)采用了變轉(zhuǎn)速-變排量的協(xié)同控制策略，該樣機(jī)能耗約為每小時10～20 kW·h。

圖18 7 t鋰電池供電電動挖掘機(jī)Fig.18 7 tons lithium battery powered electric excavator

圖19 日立電動挖掘機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.19 Schematic diagram of Hitachi electric excavator system

2017年，華僑大學(xué)推出一款鋰電池供電的8 t輪式電動挖掘機(jī)，如圖20所示，該系統(tǒng)原理圖如圖21所示。系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和變量泵，能量存儲單元采用磷酸鐵鋰離子電池，電池容量為110 kW·h，電池電壓額定值為550 V。壓力信號通過負(fù)載敏感多路閥的壓力檢測端口LS反饋至電機(jī)控制器，由電機(jī)實現(xiàn)壓力補(bǔ)償控制，并集成了變恒功率控制策略，通過靈活的電機(jī)控制，可提高泵的輸出壓力響應(yīng)。專用電機(jī)泵的動態(tài)響應(yīng)時間在150 ms以內(nèi)。通過排量和轉(zhuǎn)速的合理組合，泵和電機(jī)可以在綜合高效區(qū)域內(nèi)工作。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)挖掘機(jī)相比，燃油節(jié)省率約為75%，總能耗約為每小時12～25 kW·h。

圖20 鋰離子電池供電8 t輪式挖掘機(jī)Fig.20 8 tons lithium ion battery powered wheel excavator

圖21 鋰離子電池供電8 t輪式挖掘機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.21 Schematic diagram of 8 tons lithium ion battery powered wheel excavator system

2019年BICES上，柳工分別展示了一臺6 t和一臺20 t履帶式電動挖掘機(jī)，如圖22所示。其中，6 t電動履帶式挖掘機(jī)是原柴油驅(qū)動挖掘機(jī)的改進(jìn)版，采用原柴油驅(qū)動挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，同時配備大容量電池組，可滿足一天的工作需要。20 t電動挖掘機(jī)為新研制機(jī)型，為保證作業(yè)時間，整機(jī)配備了430 kW·h的電池容量，機(jī)器的重量經(jīng)過重新設(shè)計，體積大。后車身中專門配置了1個攝像頭，以滿足電池布置造成的視線盲區(qū)。同時，本機(jī)還設(shè)有動臂勢能回收裝置，對動臂下降過程中的勢能和動能進(jìn)行回收和再利用，延長了機(jī)器的工作時間。

圖22 柳工6 t和20 t電動履帶挖掘機(jī)Fig.22 6 ton and 20 ton electric crawler excavators of Liugong

5.5 電網(wǎng)電池復(fù)合供電型電動工程機(jī)械

鑒于履帶式挖掘機(jī)移動不靈活的特點，華僑大學(xué)與廈工和日立合作，于2019年推出了電網(wǎng)電池復(fù)合供電型8 t履帶式電動挖掘機(jī)，如圖23所示。該系統(tǒng)原理圖如圖24所示，可單獨由電網(wǎng)供電，也可以單獨由鋰電池供電，也可兩者復(fù)合供電，電池容量可根據(jù)實際工作需要進(jìn)行配置。其他部件的工作原理與圖18所示的電池供電電動履挖相似。目前，日立、廈工和華南重工都采用了這種類型的挖掘機(jī)。

圖23 電網(wǎng)電池復(fù)合供電型履帶式電動挖掘機(jī)Fig.23 Power grid battery compound-powered crawler electric excavator

圖24 電網(wǎng)電池復(fù)合供電型履帶式電動挖掘機(jī)原理圖Fig.24 Schematic diagram of power grid battery compound power crawler electric excavator

6 發(fā)展趨勢展望

電機(jī)與發(fā)動機(jī)輸出特性差異顯著。由于工程機(jī)械功率等級較高，通常采用液壓驅(qū)動。現(xiàn)有的液壓控制技術(shù)是為了匹配柴油機(jī)的特性而設(shè)計的，但與電傳動技術(shù)并不匹配。因此，需根據(jù)電動化開展專門的研究，主要體現(xiàn)在：

(1) 傳統(tǒng)液壓泵的設(shè)計主要基于恒速變排量控制，液壓泵的高效區(qū)和頻響均不能滿足電機(jī)在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)頻繁加減速的要求，而工程機(jī)械電動化后，液壓泵的運行速度范圍更大，如何保證液壓泵在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高效率、高頻響和高可靠性是需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)之一；

(2) 目前，工程機(jī)械液壓系統(tǒng)，如負(fù)載敏感系統(tǒng)、正負(fù)流量系統(tǒng)等，均采用多路閥適配變量泵實現(xiàn)功能；如何適應(yīng)電動化后液壓泵供油控制方式的改變，包括變轉(zhuǎn)速-定排量系統(tǒng)、變轉(zhuǎn)速-變排量系統(tǒng)等，也是一個亟待解決的問題；

(3) 對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于引入電儲能單元，可以采用分布式獨立驅(qū)動控制,甚至可以由電動缸直接驅(qū)動，然而，受現(xiàn)有電動缸功率水平的限制，研究基于液壓系統(tǒng)優(yōu)點的新型電液線性復(fù)合驅(qū)動執(zhí)行器和分布式獨立驅(qū)動系統(tǒng)是一個亟待解決的重要問題。

因此，根據(jù)工程機(jī)械的工作條件和電動技術(shù)的優(yōu)勢，研究與電動相結(jié)合的新型液壓傳動與控制技術(shù)、關(guān)鍵零部件具有重要意義。

7 結(jié)論

本研究圍繞工程機(jī)械電動化技術(shù)，分析了電動工程機(jī)械的類型和特點；探討了工程機(jī)械電動化后的關(guān)鍵技術(shù)和難點；綜述了當(dāng)前國內(nèi)外電動工程機(jī)械的研究現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。