蔡 文

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

最近10年以來，在各國(guó)政府的支持下，各汽車生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)加大純電動(dòng)汽車的研發(fā)及生產(chǎn)，電動(dòng)汽車行業(yè)呈現(xiàn)出了一派蓬勃發(fā)展的景象，中國(guó)市場(chǎng)尤為突出。自從2015年以來，中國(guó)市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車銷量高速增長(zhǎng)，見圖1。純電動(dòng)汽車門類齊全，種類包含乘用車、商用車及專用車，見圖2。動(dòng)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(dòng)汽車年銷量

圖2 2018年各類純電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有率

純電動(dòng)汽車的發(fā)展，帶動(dòng)了動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，同時(shí)動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)的發(fā)展也促進(jìn)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。整車和部件相互促進(jìn)，良性循環(huán)。在這樣的大背景下，工程機(jī)械行業(yè)可以借鑒電動(dòng)汽車的一些成熟的電控技術(shù)，也可以選用電動(dòng)汽車的一些零部件，例如動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)，這樣就使得工程機(jī)械電動(dòng)化成為了可能。

1 目前常規(guī)挖掘機(jī)現(xiàn)狀

中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)是全球三大挖掘機(jī)市場(chǎng)之一。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)自2011年后經(jīng)過了幾年的低迷期，從2016年下半年開始復(fù)蘇，最近三年高速增長(zhǎng)。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(guī)挖掘機(jī)構(gòu)造及功能分析

常規(guī)挖掘機(jī)的構(gòu)造見圖4，主要由幾大部件構(gòu)成。包括柴油機(jī)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、工作裝置、駕駛室。

圖4 常規(guī)挖掘機(jī)構(gòu)造圖

柴油機(jī)系統(tǒng)把柴油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是整機(jī)的動(dòng)力源。柴油機(jī)通過飛輪把機(jī)械能輸入給液壓泵。液壓系統(tǒng)通過液壓轉(zhuǎn)換把從液壓泵吸收的能量傳遞給各執(zhí)行元件，包括液壓油缸和液壓馬達(dá)。工作裝置是整機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)，由液壓油缸驅(qū)動(dòng)。整機(jī)的常規(guī)屬具為鏟斗，根據(jù)作業(yè)工況的需求，可以選用不同的屬具。

1.2 常規(guī)挖掘機(jī)的能耗分析，排放等缺點(diǎn)

常規(guī)液壓挖掘機(jī)經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，為人類的建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。由于作業(yè)工況的多樣性，其號(hào)稱工程機(jī)械之王，幾乎只要有工地的地方就能看到挖掘機(jī)的身影。但是其缺點(diǎn)也明顯。首先是能量利用率低，常規(guī)挖掘機(jī)裝備的是柴油機(jī)，而柴油機(jī)的燃油效率只要33%左右，最高不超過40%；其次是柴油機(jī)的排放物會(huì)污染大氣，這些污染物主要包括：一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）以及顆粒物（PM）。這些尾氣成分是當(dāng)前空氣污染的重要來源，時(shí)刻威脅著人類健康[2]。有的發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)制定政策，逐步淘汰柴油工程機(jī)械的使用。再次是石油是不可再生資源，遲早會(huì)枯竭?？偠灾?，柴油工程機(jī)械不符合綠色、節(jié)能、環(huán)保的要求。

2 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)可行性

2.1 電動(dòng)工程機(jī)械現(xiàn)狀

目前是電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)間，但對(duì)于工程機(jī)械市場(chǎng)，電動(dòng)化還處在萌芽階段?？v觀全球工程機(jī)械市場(chǎng)，目前還沒有以動(dòng)力電池為能量源的挖掘機(jī)批量銷售。零星有企業(yè)研發(fā)出微型和小型的電動(dòng)挖掘機(jī)，但中型和大型電動(dòng)挖掘機(jī)目前還處于空白狀態(tài)。相對(duì)于微小型電動(dòng)挖掘機(jī)，中大型電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)難度更大。

2.2 電動(dòng)挖掘機(jī)的優(yōu)勢(shì)

隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)，2017年國(guó)家提出了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”戰(zhàn)略。2018年有的地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)政策限制燃油工程機(jī)械的使用，比如深圳于2018年4月出臺(tái)了《2018年“深圳藍(lán)”可持續(xù)行動(dòng)計(jì)劃》[3]，電動(dòng)工程機(jī)械零排放的優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。相對(duì)于燃油挖掘機(jī)，電動(dòng)挖掘機(jī)單位時(shí)間使用成本更低，并且維護(hù)保養(yǎng)成本也更低。對(duì)于挖掘機(jī)持有人來說，在挖掘機(jī)完成的工作量一定的情況下，使用成本更低則利潤(rùn)更高。機(jī)器使用成本低對(duì)租賃客戶也很有吸引力。電動(dòng)挖掘機(jī)零排放更加符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策要求，有助于打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。相比柴油機(jī)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，低速扭矩更大，使得整機(jī)操控性能更好。電機(jī)運(yùn)行噪聲低，使得整機(jī)的噪聲水平更低，電動(dòng)挖掘機(jī)更適合城市夜間作業(yè)工況要求。追求更低的噪聲一直是工程機(jī)械最求的目標(biāo)之一?？傊?，電動(dòng)挖掘機(jī)在使用區(qū)域、使用成本、節(jié)能環(huán)保、操作體驗(yàn)以及低噪聲方面比柴油挖掘機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)。

2.3 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)路線

電動(dòng)挖掘機(jī)與常規(guī)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。常規(guī)挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)提供動(dòng)力，柴油機(jī)將柴油化學(xué)能轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能輸出給液壓主泵，同時(shí)通過皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)把電能輸送給24 V鉛酸電池及各車載電器設(shè)備。常規(guī)挖掘機(jī)的技術(shù)路線見圖5。常規(guī)挖掘機(jī)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包括工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，是所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。

圖5 常規(guī)挖掘機(jī)技術(shù)路線

電動(dòng)挖掘機(jī)在技術(shù)路線上可以有多種方案，本文提出以下4種技術(shù)路線，并展示其中3種技術(shù)路線圖。方案1動(dòng)力電池系統(tǒng)是整機(jī)能量源，動(dòng)力電池把電能輸送給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓主泵，液壓泵再把能量輸送到各執(zhí)行元件，如液壓油缸、回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)和行走液壓馬達(dá)。動(dòng)力電池系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，通過DCDC轉(zhuǎn)換把高壓電轉(zhuǎn)換為24 V低壓電，從而為各車載電器設(shè)備提供電源。在方案1里，液壓主泵驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和常規(guī)挖掘機(jī)是一樣的，分別是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和工作裝置。不同的是方案1的液壓主泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而常規(guī)挖掘機(jī)的液壓主泵由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。方案1中低壓電源由DCDC轉(zhuǎn)換而來，而常規(guī)挖掘機(jī)的低壓電源由柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電來產(chǎn)生。見圖6。

圖6 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)路線（方案1）

方案2是在方案1的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電機(jī)，把原來由液壓主泵驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改為由電機(jī)2驅(qū)動(dòng)，其余部分與方案1完全相同。方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，把原來由液壓主泵驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)改為由電機(jī)3驅(qū)動(dòng)，其余部分與方案2完全相同。電動(dòng)挖掘機(jī)還可以有第4種技術(shù)路線，即方案4，該方案是在方案3的基礎(chǔ)上取消液壓主泵及其驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)，工作裝置由電缸直接驅(qū)動(dòng)。方案4是純電驅(qū)方案，所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)，整機(jī)沒有液壓系統(tǒng)。見圖7、圖8。

圖7 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)路線（方案2）

圖8 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)路線（方案3）

柴油機(jī)的效率不高，只有33%左右。而我國(guó)電動(dòng)汽車電機(jī)的效率最低指標(biāo)為：電機(jī)功率在5～150 kW之間，效率大于93%，效率高于85%的高效率區(qū)占電機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的50%以上[4]。電機(jī)的效率明顯遠(yuǎn)高于柴油機(jī)。方案1用1個(gè)電機(jī)代替柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，能量利用率可以提高一倍以上。液壓主泵驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)時(shí)會(huì)產(chǎn)生溢流，這樣會(huì)造成能量浪費(fèi)，并且液壓泵和液壓馬達(dá)本身效率也沒有電機(jī)高，方案2回轉(zhuǎn)采用電驅(qū)動(dòng)方式能夠提高效率，并且在回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程中，電機(jī)2起發(fā)電作用，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回充給動(dòng)力電池系統(tǒng)，電機(jī)2起到能量回收的作用。由于挖掘機(jī)的工作方式是定點(diǎn)作業(yè)方式，行走不是常用動(dòng)作，方案3采用電機(jī)3來驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)節(jié)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(jī)的需求。

綜上所述，方案1技術(shù)難度最低，并且也起到一定的節(jié)能效果，適合于小型和微型挖掘機(jī)。方案4技術(shù)難度大，并且電缸的工況適應(yīng)性和可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，可以先從微型挖掘機(jī)開始試用。由于整機(jī)還保留有液壓系統(tǒng)，方案3的行走由液壓驅(qū)動(dòng)改為電驅(qū)動(dòng)意義并不明顯。與方案2比，節(jié)能效果不明顯，反而增加了新的系統(tǒng)，增加可靠性風(fēng)險(xiǎn)。從技術(shù)難易程度和節(jié)能效果來考慮，方案2是現(xiàn)階段中大型挖掘機(jī)的最優(yōu)方案。

2.4 電動(dòng)挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電控技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)。同樣，三電技術(shù)也是電動(dòng)工程機(jī)械的核心技術(shù)。近幾年來，動(dòng)力電池發(fā)展迅猛無論是能量密度、循環(huán)壽命，還是安全性能都有了極大的提高。目前純電動(dòng)汽車裝機(jī)容量最多的動(dòng)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(dá)到了160Wh/kg左右[5]。而在循環(huán)壽命和安全性能方面，磷酸鐵鋰電池優(yōu)于三元鋰離子電池?？紤]到續(xù)航里程問題，目前市場(chǎng)上的純電動(dòng)乘用車傾向于使用三元鋰離子電池，而純電動(dòng)商用車如純電動(dòng)大巴等普遍使用的是磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命高達(dá)4000次以上。電動(dòng)卡車和電動(dòng)大巴在使用工況方面更接近于工程機(jī)械，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高開發(fā)速度，電動(dòng)挖掘機(jī)可以直接選用電動(dòng)卡車或電動(dòng)大巴批量使用的電池包，然后用這些電池包組成新的動(dòng)力電池系統(tǒng)，并重新開發(fā)一個(gè)新的BMS系統(tǒng)。挖掘機(jī)的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)10年，假設(shè)電動(dòng)挖掘機(jī)每天都要作業(yè)，每天充電一次，磷酸鐵鋰電池4000次的循環(huán)壽命可供電動(dòng)挖掘機(jī)使用10年以上。

2.5 電動(dòng)挖掘機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

如前文所述，電動(dòng)挖掘機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、液壓主泵及其驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)及其控制器是電動(dòng)車輛的核心技術(shù)之一。目前電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)類型主要有永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，也有極少數(shù)電動(dòng)專用車使用的是開關(guān)磁阻電機(jī)，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大部分的電動(dòng)汽車使用的都是永磁同步電機(jī)。由于永磁同步電機(jī)使用量大，范圍廣，從小功率、低扭矩的電動(dòng)乘用車到大扭矩、高功率的電動(dòng)大巴和電動(dòng)卡車的各個(gè)型號(hào)的車型都在使用，所以對(duì)于電動(dòng)工程機(jī)械電動(dòng)機(jī)選型來說相對(duì)容易一些。永磁同步電機(jī)具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者[6]。目前國(guó)內(nèi)電機(jī)制造商所生產(chǎn)的電機(jī)扭矩可高達(dá)2 000 N·m，功率可高達(dá)230 kW。2018年中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)上使用數(shù)量最大的是50 t以下型號(hào)，50 t以下型號(hào)占全年總銷量的95%以上。50 t挖掘機(jī)液壓主泵的最大扭矩在1 500 N·m以內(nèi)，完全可以選型到合適的電動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)束語

開發(fā)電動(dòng)挖掘機(jī)符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，使工程機(jī)械更加綠色，環(huán)保。根據(jù)技術(shù)難易程度，本文提出了4種技術(shù)路線圖，不同的企業(yè)可根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇合適的技術(shù)路線進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。由于電動(dòng)汽車工業(yè)的興起，帶動(dòng)了零部件電池包和電機(jī)的發(fā)展，從而為工程機(jī)械電動(dòng)化提供了充足的零件選擇。工程機(jī)械可以直接選用電動(dòng)汽車批量生產(chǎn)的電池電機(jī)等核心零部件，這些零部件在電動(dòng)汽車上已經(jīng)得到驗(yàn)證，能夠極大地縮短電動(dòng)工程機(jī)械的研發(fā)，試驗(yàn)周期，并使可靠性和耐久性得到提高。還有，采用電動(dòng)汽車的批量零件還能降低電動(dòng)工程機(jī)械的開發(fā)成本。在整機(jī)作業(yè)效率，操控性能等方面，電動(dòng)挖掘機(jī)明顯由于常規(guī)挖掘機(jī)，并且在使用成本，維護(hù)保養(yǎng)成本方面，電動(dòng)挖掘機(jī)都具有優(yōu)勢(shì)。在過去的10年里，液壓挖掘機(jī)電動(dòng)化僅僅是一種愿望，并不具備大批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)。今天，電動(dòng)挖掘機(jī)產(chǎn)業(yè)化才真正具有了工業(yè)基礎(chǔ)。