权龙:《电动化趋势下工程机械液压技术面临挑战与发展路径探讨》 ...

2024年5月16日，以“高端·智能·绿色”为主题的工程机械行业科技节(以下简称科技节)在浙江杭州盛大开幕。科技节主题演讲环节，太原理工大学机械工程学院院长权龙教授作题为《电动化趋势下工程机械液压技术面临挑战与发展路径探讨》的主题演讲。

一、背景意义及产业现状

2021年，在第十三届全国人民代表大会第四次会议上，双碳目标被写入政府工作报告，这促进了工程机械行业电动化的迅猛发展。不到一年时间，国内很多工程机械头部企业就研发出电动装载机、电动挖掘机及其他电动化装备。也有一些非工程机械企业希望借助于电动化发展机遇，分享工程机械电动化红利，如博雷顿。与此同时，国外工程机械企业也推出了电动装载机和电动挖掘机，诞生了专营电动化工程装备的新企业，如美国海威。

经过近3年的发展，电动工程机械从装备研发到市场推广进展如何?据中国工程机械工业协会数据统计，2023年，电动装载机销量达到3000多台。早在十多年前，日立建机、小松等企业就推出了混合动力的装载机和挖掘机，但很长时间都没有获得市场认可。而我们能在这么短的时间内取得这样的成绩，说明在技术上有了很大的创新，特别在2024年，电动装载机有了更大的发展，据统计数据显示，仅3月就达到600多台的销量。

但在装载机得以快速推广应用的同时，电动挖掘机的推广应用就不尽如人意。背后的原因是什么?下面我将从能量流的观点做一些分析，以便能为后续的技术研发有所帮助。

二、存在问题与技术挑战

传统装载机的能量传递路径是由柴油机到液力变距器再到减速器，之后一路驱动液压泵为作业系统提供动力，另一路驱动行走系统，受内燃机效率的影响，整机能效都比较低。电动机替代内燃机后，虽然液压系统能效仍然比较低，但因作业时长和功率占比较小，对系统能效影响不是很大。可实行走系统去掉液力变矩器后，能量传递主要依靠电动机和减速器，且作业时长和功率占比都比较大，能效达到70%左右，既节能又减碳，同时在很短的时间内能够收回电池成本，所以电动装载机得到了市场普遍认可。

再看挖掘机，传统能量流是内燃机驱动液压泵再经阀控系统驱动作业机构，受内燃机的影响整机能效不足15%，液压系统能效低于30%。电动化后，动力源能效提升到90%，但受液压系统影响，整机能效仍然仅为30%左右，这样70%的电池能量就被浪费。尽管电池容量已增大许多，但由于效率很低，作业时长不能满足用户需求，电池费用占比又达到整机的40%左右，投资回报期比较长，从而造成电动挖掘机难以像电动装载机一样快速推广应用。

通过总结发现，电动装载机液压系统的能效仍然较低，是下一步需要提升的重点，但因为该产品以行走为主，所以能够很快获得市场认可。但液。对于以作业为主的工程机械，如挖掘机，其核心问题是怎样提升液压系统的能效。这是整个行业面临的挑战。

三、纯电驱动解决路径

2015年，沃尔沃建筑设备推出全电执行器驱动的挖掘机，使得之前主要应用于室内装备中的电动缸引入到工程机械设备领域。随后，日本的洋马和小松公司推出了无人操控的小型纯电挖掘机，但目前无人操控技术在中大型挖掘机上的实用性和可靠性尚有待验证。国内也有企业推出了采用电动缸作为执行器，电池与液化天然气作动力的中型挖掘机和装载机，采用增程方式提高了作业时长。

同时，美国穆格与山猫和小松合作，推出了采用电动缸驱动的轮式和滑移式装载机。德国某研究机构对分别采用电动缸(EMA)和电静液执行器(EHA)驱动六自由度平台的特性做了对比，两个方案最高能效基本相当，EMA是74%，EHA是71%，但是最大输出力EHA是EMA的3倍多，说明液压缸并不是没有优势，即使在电动缸的发展驱使下还有功率密高、输出力大、抗冲击振动等优势。

四、 电驱液传解决方案

美国普渡大学对分别采用集中式电机经分动箱驱动多台变排量液压泵和分布式电机驱动定量液压泵用于5t液压挖掘机的能量特性做了对比，集中式的电机方案可用于发动机系统。与内燃机驱动的负载敏感液压系统挖掘机对比，集中式电机方案的装机功率基本相当，但能效提升了50%以上。完全分布式方案能效也能提升50%以上，但装机功率要比传统内燃机驱动的设备高出好多倍，研究数据显示为8倍(可能条件不同)，总体来说分布式方案的装机功率很大。

荷兰INNAS和德国BUCHER公司推出了浮杯泵新型液压泵，泵的整体效率达到94%~97%，这是一个革命性的变革。BUCHER公司已经把这个泵和它的系统用到一些臂架类工程机械上，驱动重载举升机构。相比负载敏感系统，它的驱动功率和能耗只有原来机型的1/5左右，但泵的启动效率非常高，所以在液压领域是一个巨大的提升。

另外一个进展是数字变排量泵，不是通过改变摆角来改变泵的输出流量，而是改变每个柱塞的吸排油量来改变泵的输出流量。这类产品结构上采用模块化设计，单泵的柱塞数可以改变，多个泵可以灵活组合。由于采用阀配流，也使泵的效率较现有的柱塞泵有很大提升。该设计思路在装载机和挖掘机上做了大量试验研究，能效可提高50%~60%。

沃尔沃与芬兰诺赫德合作，推出了多容腔数字缸和数字阀组合驱动的执行器。数字阀用4个开关阀代替一个比例阀，采用阀口独立控制，通过缸和阀的配合，缸的输出力从正向到负向有数十个组合，能消除多执行器复合驱动时载荷差异造成的节流损失。通过回收动势能，采用恒压网络等方案，使系统能效由过去不足20%提升到60%以上。这也是行业里的比较认可的一个方案。沃尔沃也把这样的技术用到挖掘机和装载机中。

五、电气液压双动力一体化驱控路径

如果能够显著提升液压系统能效，就可以解决前面提到的由于液压系统能效低而制约电动化工程机械推广和应用的问题。

前面所讲的解决路径都是国外企业的研究成果，某些技术并不对我国开放，如高效率的浮杯泵，目前德国和美国都在推出这样的产品，其他的技术路径也都有知识产权保护。所以，作为工程机械制造大国，我们必须发展我国自主的高能效驱动与传动技术方案，应对电动化带来的挑战。

下面简要介绍我们正在开展的研究工作。简单讲就是把电动缸EMA和电静液执行器EHA集成在一起，通过改变液压缸的面积和系统压力，能够提高电动缸的功率密度。集成以后，这个执行器就同时拥有了EMA和EHA的两个执行器的优点，同时克服了各自的不足。本质上就是用一个小功率的电动缸，相当于一个比例阀或者伺服阀，但没有节流损失，高能效、高性能地代替现有系统的伺服比例阀控制执行器的运动。

研究中，我们首先对这个执行器的方案在建立的试验台上做了全面分析和测试，测试结果验证了方案的有效性后，我们把这个执行器装到实验室的6t液压挖掘机上，分别代替原有的斗杆液压缸和动臂液压缸进行验证，对抗冲击、抗振动特性也做了验证。用液压缸和电动缸集成一体化，新的执行器也继承了液压缸抗冲击、耐振动的特性优点。通过试验表明，相对于原有负载敏感系统，斗杆系统的能耗降低了44%，动臂系统的能耗降低了70%，一个完整的挖掘和装载循环整机能效由原系统的25% 提升到57%，进一步集成回转和铲斗技术，整机能效还可以进一步提升。

六、总结与结论

1. 传动系统的能效是制约以作业为主的电动化工程机械推广应用的关键所在，对购机成本、作业时长和使用便捷性都有很大影响，大幅提高驱动与传动系统的能效是破解这一难题的最佳路径。

2. 电—机械传动具有能效高、控制特性好的优势，被认为是有望替代液压技术的传动方式，但刚性传递动力，传递力受电机体积和重量限制，目前在小型工程机械上有一定的优势，应用于大功率设备和在冲击、振动等交大的恶劣工况的适应性、可靠性还有待进一步验证。

3. 国外研发的数字排量泵、浮杯泵和数字液压缸技术已比较成熟，可极大提升液压系统的能效，并在电动化工程机械上获得了应用和验证，将会对我国发展电动化工程机械形成新的“卡脖子”技术。

4. 借助电动化技术实现弯道超车，必须发展我国自主的高能效传动技术破解液压系统能效低的难题。电气液压双动力一体化驱动方式集成了电气和液压两种传动方式的优势，具有高功率密度、高能效和高性能特点，开辟了一条全新的技术路径，需要进一步在中大型设备中验证技术的有效性。

作者：权龙