纯电动挖掘机的研究进展

在工程机械领域，目前应用最为广泛的是电动叉车，丹麦奥尔堡大学的Andersen等提出了一种电动叉车的驱动系统。当动臂下放时，电动机-液压泵工作于液压马达-发电机状态，利用动臂液压缸负载腔的压力油驱动液压马达-发电机对蓄电池充电，回收的能量可用于动臂提升等耗能型动作。对于垂直升降的叉车动臂机构，运动过程中负载和速度均较为稳定，因此蓄电池的充放电电流波动较小。仿真和试验结果表明，该系统的能量回收效率为40%左右。

芬兰拉普兰塔理工大学的Minav等对电动叉车的动臂能量回收进行了大量研究。首先从系统原理出发，通过与传统电动叉车的比较，探讨引入能量回收后对系统效率的提高程度，并对各个能量转换环节进行了建模分析；其次，研究了能量回收系统中电动机的类型、大小对回收效率的影响，并采用不同功率等级的感应电动机和永磁同步电动机进行了试验验证；此外还分析比较了采用不同储能元件时的能量回收效率，为总体方案的制定提供了充分依据，研究表明该系统的最高回收效率可达66%。国内同济大学的萧子渊等也进行了类似研究并研制了节能型电动叉车样机，测试结果表明约20%左右的动臂能量可被有效回收。但叉车的工况较为平稳，和液压挖掘机的工况显著不同。

在电动挖掘机领域，目前的研究较少，主要集中于少数公司和高校，且多以专利形式发布。当前纯电动驱动的液压挖掘机专利主要包括：2007年，日本的竹内申请了名称为“Electrically-Driven Service Vehicle”，电动挖掘机的欧洲专利（EP I985767Al），其发明点就是用一台变转速驱动的电动机替代现有液压挖掘机中的内燃发动机，驱动一台主液压泵，通过控制阀控制动臂、斗杆、铲斗和回转机构的运动；2009年，日立建机申请了类似的专利（JP2009-114653A），电动挖掘机工作过程中通过外部电源对机器上带有的蓄电池充电，蓄电池提供机器工作过程的动力，而其余组成部分与现有液压挖掘机一样；同年，日立建机又公开了一种名称为“電動式作業機械”的电动液压挖掘机专利（JP2009-256988A），采用主电动机同轴驱动两台主液压泵和一台先导液压泵，进一步降低节流损耗。同样日立建机申请的“電気駆動式作業機械”的电动液压挖掘机专利（JP2009-197514A），又将回转机构改为电动机直接驱动，降低了节流损耗；日本竹内又在2012年申请公开的一个关于电动挖掘机的发明专利（WO2012/049812Al），将先导液压泵独立用一台变速电动机驱动，并在主液压泵和先导液压泵的出油口设置了蓄能器。

国内也有许多企业申请了类似的实用新型专利和发明专利，如实用新型专利“电动挖掘机”，专利号ZL200620120546.1；“电动液压挖掘机”，专利号ZL200720139425.6；“立井施工用电动挖掘机”，专利号ZL200820004895.6；“电动液压挖掘机”，专利号为200820113727.0；一种新型电动液压挖掘机，申请号201120263102.4；申请的国家发明专利主要包括：“一种电动液压挖掘机”，申请号20111044296；“一种电动挖掘机的动力系统”，申请号201110074783.4；2013年，太原理工大学申请了名称为“共用直流母线的电动液压挖掘机”的电动液压挖掘机专利（CN103255790A），结构如图2-65所示，该专利侧重于对液压系统的优化，将单泵多执行元件系统变成多泵系统，系统用了4个逆变器，2个闭式泵，1个开式泵，经济性较差。总体上，这些专利技术，只是用电动机取代了内燃发动机，并没有针对工程机械的工况对动力电动机和整机的电液控制技术开展相关研究。

图2-65 共用直流母线的电动液压挖掘机原理图

在整机方面，推出相关机型的有日本的日立建机、竹内，美国卡特，中国的三一、山河智能、玉柴、华侨大学等。典型的代表是日本竹内公司在2011年的美国CONEXPO-CON/AGG2011展会上推出的世界上第一台全电力式锂电池供电的微型挖掘机TB117e。如图2-66所示，整机质量仅为1720kg。设备充电时间在220～240V电压下大约需要6h，如果使用110V电压的电源，则需要12h才可以充满。完全充电后设备可连续运转6h。但该机型除了以电为动力以外，液压部分与TB016相近。依据竹内初步试验，电动挖掘机运行费用可较传统液压挖掘机减少80%，排碳量减少55%。全电动挖掘机不需要柴油燃料、也不需要更换机油、机油滤清器以及冷却剂。日本日立建机公司从2009年5月9日开始致力于以锂电池为动力的7t级挖掘机的研制。日立建机、利勃海尔、卡特彼勒等国际巨头以及国内不少主机厂都有电动液压挖掘机产品。电动液压挖掘机的前端工作装置、上部旋转体回转装置以及下部行走体的行走装置都是由电源驱动液压泵作业，电源靠车体外部电线提供，由车体内部控制装置控制。其主要特性是，在保证高作业效率同时，减少客户的运行成本，并实现零废气排放。但该电动挖掘机直接从电网取电，而不是动力电池，液压系统除了部分机型在上车机构采用回转电动机驱动外和传统挖掘机基本一致。(www.xing528.com)

图2-66 日本竹内的电动液压挖掘机

2010年，三一重工在上海工程机械宝马展会上推出了一台远程遥控7t电动液压挖掘机，动力电动机约为30kW，电量储存单元采用了锂电池，采用电动机替代原有的发动机及燃油系统，使挖掘机更节能、更环保、更安静，适应性更强。并且和远程无线遥控功能相结合，实现动臂、斗杆、铲斗（液压剪）、行走动作、回转等所有动作的遥控操作，在一些危险工况操作时，更好地确保驾驶人的安全。此外，山河智能、玉柴等也研制了电驱动液压挖掘机，如图2-67所示。2011年，山重建机在BICES2011展会上推出了一台JCM921D电动液压挖掘机产品，该电动挖掘机并没有采用蓄电池作为动力源，而是采用电网电能作为动力源，以当今最为先进的稀土永磁同步电动机作为主电动机和回转电动机，代替了普通挖掘机的柴油发动机和液压回转马达，并应用了国际领先的无PG矢量变频调速技术，使用了回转制动能量回收技术，有效地节省了电能，使电能消耗成本降低40%以上。采用电网驱动的电动挖掘机国内还有部分企业推出整机，比如四川邦立重机有限责任公司等。总体上，当前的机型基本都是采用电动机代替发动机驱动液压泵，在动力系统上主要模拟原发动机的功能，整机的液压系统也基本没有改进，电机控制器的控制策略和方法没有结合液压挖掘机液压系统的工作特点，电动机调速性能未能得到充分发挥。

图2-67 国内各电驱动液压挖掘机样机