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(dòng)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(jià)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(shí)[1]。電動(dòng)工程機(jī)械取消發(fā)動(dòng)機(jī)，采用電機(jī)作為主驅(qū)單元，具有高動(dòng)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(dòng)方式之一[2-4]。

當(dāng)前，電動(dòng)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?？紤]工程機(jī)械的工況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于工程機(jī)械時(shí)，其動(dòng)力總成、控制策略、電液控制等需根據(jù)電、液驅(qū)動(dòng)特性開展專門研究[5-8]。

本研究討論電動(dòng)工程機(jī)械的類型，對(duì)電動(dòng)工程機(jī)械進(jìn)行了概述；然后結(jié)合工程機(jī)械純電動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)比分析了工程機(jī)械與其他領(lǐng)域電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的差異，深入分析了電動(dòng)工程機(jī)械中電機(jī)調(diào)速、電液驅(qū)動(dòng)、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(dòng)工程機(jī)械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；最后，對(duì)電動(dòng)工程機(jī)械未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 電動(dòng)工程機(jī)械的類型

電動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)，以確保電纜不會(huì)影響挖掘機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)工程機(jī)械提供電能的儲(chǔ)能單元。目前，電化學(xué)電池布置在整臺(tái)機(jī)器上，更適合于儲(chǔ)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(shí)間和裝機(jī)成本；同時(shí)，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(diǎn)之一在于儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)工程機(jī)械可由電網(wǎng)和電池獨(dú)立或者共同供電。由于電網(wǎng)可以作為一個(gè)獨(dú)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(shí)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(gè)單獨(dú)的電源拖車進(jìn)行布置，代替電網(wǎng)對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)，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(dòng)工程機(jī)械特性分析

當(dāng)前電動(dòng)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(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)難以直接移植到純電動(dòng)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(dòng)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(dòng)作，動(dòng)力源的輸出功率波動(dòng)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(dòng)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(dòng)工程機(jī)械的運(yùn)行工況及環(huán)境較為復(fù)雜，且功率密度大，對(duì)其各主要部件有更高的動(dòng)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(dòng)、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(yùn)行在理想?yún)^(qū)域而不需要時(shí)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(shí)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(shí)際作業(yè)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線Fig.2 Power curve of engine in an actual working-cycle

2.2 動(dòng)力電動(dòng)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(dòng)和高速巡航工況。而電動(dòng)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(dòng)機(jī)的工作區(qū)域?yàn)?600～2200 r/min，相對(duì)其整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍(0～2200 r/min)為高速區(qū)域。電動(dòng)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(duì)原來柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作范圍更大(300～3000 r/min)。但為了保證純電驅(qū)動(dòng)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(dòng)挖掘機(jī)用電動(dòng)機(jī)的外特性曲線Fig.3 Motor external characteristic curves for automobiles and electric excavators

2.3 動(dòng)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(dòng)劇烈，循環(huán)周期短，控制對(duì)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(dòng)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(gè)較大的挑戰(zhàn)。而電動(dòng)汽車領(lǐng)域大都為機(jī)械傳動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)主要為油門信號(hào)、剎車信號(hào)等，無須與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，與負(fù)載的動(dòng)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(dòng)汽車中，車橋?yàn)槲ㄒ回?fù)載，驅(qū)動(dòng)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(dòng)與摩擦制動(dòng)關(guān)系，保證整車制動(dòng)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(dòng)途徑和能量回收途徑一般為2個(gè)不同的系統(tǒng)，兩者之間通過電量儲(chǔ)存單元耦合。同時(shí)對(duì)于挖掘機(jī)來說，其機(jī)械臂下放和回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程，驅(qū)動(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)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(dòng)化，需針對(duì)工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)、作業(yè)工況特點(diǎn)，開展電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究。

3 電動(dòng)工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)

3.1 變轉(zhuǎn)速動(dòng)力協(xié)調(diào)控制

采用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)后，電機(jī)在速度控制的靜動(dòng)態(tài)性能方面得到了大幅提高，如圖4所示，為某型號(hào)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(duì)應(yīng)不同頻響參數(shù)，其目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間可達(dá)80 ms，遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)怠速控制等[16-17]。此外，結(jié)合電驅(qū)液壓動(dòng)力源的增強(qiáng)特性，針對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的效率均僅約為35%，電動(dòng)化可有效提升動(dòng)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(dòng)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(dòng)工程機(jī)械自身具備電儲(chǔ)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(duì)電動(dòng)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(dú)立電液控制系統(tǒng)(如圖7所示)、電動(dòng)缸技術(shù)、基于電動(dòng)/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(dòng)/發(fā)電-泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)四象限驅(qū)動(dòng)與再生一體化系統(tǒng)以及新型電動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速控制型的液壓變壓器等。

圖7 分布式獨(dú)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(dòng)作，存在大量的機(jī)械臂勢能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)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(dòng)化后引入電儲(chǔ)能單元，為能量回收提供新的解決思路。

對(duì)于機(jī)械臂勢能回收系統(tǒng)，以挖掘機(jī)為例，其動(dòng)臂下放時(shí)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(dòng)，如圖8所示。因此，如何在短時(shí)間內(nèi)提高能量回收率并保證操控性，是一個(gè)較大的難點(diǎn)。動(dòng)臂下放過程可能會(huì)碰到剛性負(fù)載，此時(shí)，動(dòng)臂僅提供一個(gè)較大的挖掘力，并無實(shí)際下降位移，此時(shí)動(dòng)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(dòng)工程機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖8 挖掘機(jī)動(dòng)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(duì)于回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能的回收，以挖掘機(jī)為例，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電傳動(dòng)系統(tǒng)比液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的效率更高，在油電混合動(dòng)力挖掘機(jī)中，一般采用電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)仍然提供一個(gè)較大扭矩，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、冷卻系統(tǒng)等的要求較為苛刻，同時(shí)也會(huì)消耗大量的電能。

4 電動(dòng)工程機(jī)械的理論研究現(xiàn)狀

雖然電動(dòng)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(dòng)汽車相比，電動(dòng)工程機(jī)械的相關(guān)研究報(bào)道較少。

4.1 控制策略

權(quán)龍教授團(tuán)隊(duì)以電動(dòng)挖掘機(jī)為研究對(duì)象，采用定轉(zhuǎn)速電機(jī)和變頻調(diào)速電機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)使用電機(jī)替代發(fā)動(dòng)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(dòng)挖掘機(jī)二級(jí)怠速控制系統(tǒng)，并開展聯(lián)合仿真控制策略和試驗(yàn)驗(yàn)證研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案能實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同怠速點(diǎn)和正常工作轉(zhuǎn)速之間的快速切換。雖然電動(dòng)挖掘機(jī)中的第二怠速點(diǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)挖掘機(jī)的第二怠速點(diǎn)，但當(dāng)電機(jī)從怠速模式切換到正常工作模式時(shí)，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(dòng)挖掘機(jī)的電液流量匹配技術(shù)方面，林添良教授團(tuán)隊(duì)分別對(duì)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(duì)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(hào)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)流量預(yù)估策略，仿真和試驗(yàn)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(duì)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(dòng)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(duì)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(yàn)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(shí)，基于所提出的分段恒功率控制，驗(yàn)證了在不同電池SOC、電機(jī)溫度下，動(dòng)力系統(tǒng)的功率輸出特性和可行性[25-26]。

針對(duì)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(jí)壓差的排量自適應(yīng)變轉(zhuǎn)速控制策略，通過對(duì)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(shí)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(yàn)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(dòng)挖掘機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引入了電液執(zhí)行器，采用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)帶動(dòng)液壓系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的勢能和動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)與再生一體化。基于所提方案，開發(fā)了5 t挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其工作效率和能耗進(jìn)行了分析。

ZHANG S等[29]對(duì)電動(dòng)化液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究。采用3個(gè)獨(dú)立的電機(jī)泵分別驅(qū)動(dòng)控制1 t級(jí)挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿和鏟斗，并分別建立了分布式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)集中式供油驅(qū)動(dòng)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(dòng)力工程機(jī)械均對(duì)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(chǔ)存元件的類型，能量回收系統(tǒng)分為無儲(chǔ)能元件的能量回收系統(tǒng)和有儲(chǔ)能元件的能量回收系統(tǒng)，其中有儲(chǔ)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(chǔ)能元件的系統(tǒng)將可回收的能量儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，然后在下一周期釋放出來提供輔助動(dòng)力，該類能量回收系統(tǒng)受實(shí)際負(fù)載工況影響較小，節(jié)能效果顯著，但有儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器增加一個(gè)或多個(gè)平衡油缸，其節(jié)能原理為：

圖9 無平衡單元?jiǎng)菽芑厥赵韴DFig.9 Schematic diagram of unbalanced unit potential energy recovery

圖10 工程機(jī)械直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)一個(gè)較輕的重物，進(jìn)而降低驅(qū)動(dòng)油缸的消耗功率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的；

(2) 平衡單元和原驅(qū)動(dòng)單元通過力在動(dòng)臂上耦合，速度控制仍然可以通過原驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)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(dòng)負(fù)載波動(dòng)劇烈時(shí)，也可以通過控制平衡油缸的輸出力來平衡負(fù)載波動(dòng)，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(dòng)油缸只需要輸出負(fù)載的平均功率。

同理，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(chǔ)能元件平衡單元也分成機(jī)械式、電氣式和液壓式。

5 電動(dòng)工程機(jī)械樣機(jī)研制

5.1 電網(wǎng)供電型電動(dòng)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(dòng)工程機(jī)械。這種類型電動(dòng)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(dòng)工程機(jī)械有兩個(gè)核心部分，一是電機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)后的動(dòng)力系統(tǒng)控制；另一個(gè)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(dòng)，此外，原發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)用于冷卻電機(jī)及其控制器，單獨(dú)的異步電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)用空氣壓縮機(jī)。對(duì)于該類型電動(dòng)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(dòng)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(jì)，以確保電纜不會(huì)影響挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)作。對(duì)于礦山建設(shè)中使用的大噸位挖掘機(jī)，電機(jī)功率等級(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)間長，電動(dòng)化帶來的運(yùn)營成本的降低十分可觀。同時(shí)，改善了機(jī)器對(duì)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(dòng)挖掘機(jī)和電網(wǎng)供電型電動(dòng)鋁業(yè)扒渣車，如圖14和圖15所示，2臺(tái)機(jī)型均搭載了滿足工程機(jī)械抗震和防護(hù)等級(jí)要求的電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)。

圖14 華僑大學(xué)電網(wǎng)供電型電動(dòng)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(dòng)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(dú)立高壓電源車供電的電動(dòng)挖掘機(jī)，實(shí)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(shí)間的工作能力，如圖16所示。圖16b所示為移動(dòng)電源車，圖16c所示為動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)，并保留了皮帶輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源車的商業(yè)化運(yùn)行模式，并沒有解決工程機(jī)械電動(dòng)化所帶來的核心關(guān)鍵問題。試驗(yàn)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(dòng)挖掘機(jī)Fig.16 External power supply type electric excavator developed by Lanli

5.3 分布式全電動(dòng)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(huì)，推出了一款分布式全電動(dòng)挖掘機(jī)EX2(如圖17所示)。EX2使用2個(gè)容量為38 kW·h的鋰離子電池作為儲(chǔ)能單元，其在充滿電的情況下可運(yùn)行約8 h。EX2的主要特點(diǎn)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。該EX2可實(shí)現(xiàn)零排放，同時(shí)噪聲水平降低10倍。但受限于電動(dòng)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(dòng)挖掘機(jī)Fig.17 All-electric excavator developed by Volvo

5.4 電池供電型電動(dòng)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(dòng)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(jí)為550 V的液冷磷酸鐵鋰離子電池作為儲(chǔ)能元件，采用35 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、PTC、電動(dòng)散熱系統(tǒng)等，由專用輔助控制器根據(jù)整車需求驅(qū)動(dòng)。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(shí)10～20 kW·h。

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

圖19 日立電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(hào)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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(shí)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(tái)6 t和一臺(tái)20 t履帶式電動(dòng)挖掘機(jī)，如圖22所示。其中，6 t電動(dòng)履帶式挖掘機(jī)是原柴油驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的改進(jìn)版，采用原柴油驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)，同時(shí)配備大容量電池組，可滿足一天的工作需要。20 t電動(dòng)挖掘機(jī)為新研制機(jī)型，為保證作業(yè)時(shí)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(jì)，體積大。后車身中專門配置了1個(gè)攝像頭，以滿足電池布置造成的視線盲區(qū)。同時(shí)，本機(jī)還設(shè)有動(dòng)臂勢能回收裝置，對(duì)動(dòng)臂下降過程中的勢能和動(dòng)能進(jìn)行回收和再利用，延長了機(jī)器的工作時(shí)間。

圖22 柳工6 t和20 t電動(dòng)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(dòng)工程機(jī)械

鑒于履帶式挖掘機(jī)移動(dòng)不靈活的特點(diǎn)，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(dòng)挖掘機(jī)，如圖23所示。該系統(tǒng)原理圖如圖24所示，可單獨(dú)由電網(wǎng)供電，也可以單獨(dú)由鋰電池供電，也可兩者復(fù)合供電，電池容量可根據(jù)實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)輸出特性差異顯著。由于工程機(jī)械功率等級(jí)較高，通常采用液壓驅(qū)動(dòng)?，F(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(jì)的，但與電傳動(dòng)技術(shù)并不匹配。因此，需根據(jù)電動(dòng)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(jì)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(dòng)化后，液壓泵的運(yùn)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(shí)現(xiàn)功能；如何適應(yīng)電動(dòng)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(gè)亟待解決的問題；

(3) 對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于引入電儲(chǔ)能單元，可以采用分布式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制,甚至可以由電動(dòng)缸直接驅(qū)動(dòng)，然而，受現(xiàn)有電動(dòng)缸功率水平的限制，研究基于液壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的新型電液線性復(fù)合驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和分布式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢，研究與電動(dòng)相結(jié)合的新型液壓傳動(dòng)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(dòng)化技術(shù)，分析了電動(dòng)工程機(jī)械的類型和特點(diǎn)；探討了工程機(jī)械電動(dòng)化后的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)；綜述了當(dāng)前國內(nèi)外電動(dòng)工程機(jī)械的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。