纯电驱动工程机械关键技术及系统集成

液压挖掘机节能减排技术已成为衡量挖掘机先进性的一项重要指标，提高液压挖掘机的燃油经济性和降低排放具有非常重要的实际意义。针对工程机械工况的特点，研究纯电驱动、能量回收技术以及各种先进电液驱动技术，突破动力耦合模式、参数匹配，机电动力学特性、整机功率全局优化和动力源内部分配控制技术等关键技术，研究动力总成一体化技术、不同压力等级蓄能器回收单元集成技术等；研制高可靠性的关键零部件，开发系列化整机产品。

纯电驱动系统采用动力电机代替发动机驱动液压泵，辅以先进的液压驱动系统，并基于电量储存单元对各种负值负载进行能量回收，同时系统采用变频调速，达到全功率匹配的调整，能够充分发挥挖掘机效能并且实现了零排放的节能环保效果，对于节约能源以及减少整机的污染物排放具有重要意义。工程机械的最终驱动方式将会是纯电动。

 

图1  纯电动驱动的关键技术及优点

自2011年起，团队开始致力于纯电驱动挖掘机的关键技术突破及样机的研制。目前已经申请或授权了相关专利20项以上，研制了纯电动挖掘机专用电机及电机控制器，并在2013年研制了一台6吨型纯电驱动液压挖掘机2015年又研制了一台1.5吨纯电动液压挖掘机（图2所示）。

        

图2  1.5吨型纯电动挖掘机/6吨纯电动挖掘机

考虑到目前动力电池的能量密度难以保证纯电动挖掘机长时间工作的不足，且动力电池也难以快速储存能量，同时考虑到超级电容成本较高的缺点，华侨大学提出了一种基于动力电池和液压蓄能器的双动力电机驱动的纯电驱动挖掘机，并研制出国内第一台采用液压蓄能器和动力电池的新型电液混合驱动挖掘机，该方案如图3所示：

（1）采用双电机复合驱动。由于液压挖掘机的动力系统功率的峰值功率和平均功率的差值较大。平均功率基本为峰值功率的50%-70%之间。通过双电机-双泵的全局功率匹配，保证电机的高效工作，进而延长了动力电池充满电后的作业时间。

（2）采用功率密度高的液压蓄能器和能量密度高的动力电池作为复合能源。液压蓄能器用来满足工程机械的剧变工况，动力电池用以保证整机的最小作业时间；

（3）动臂势能采用了液压蓄能器和平衡油缸的方案，解决了液压蓄能器压力对执行机构操控性影响的问题；

（4）转台驱动采用液压蓄能-液压马达和动力电池-电动机的双动力驱动方案。用液压马达保证转台制动和启动所需要的瞬时大功率，解决了动力电池难以快速储存和释放功率的不足之处；用电动机保证良好的转度控制特性，克服了液压马达难以精确控制转台速度不足之处；

（5）通过调整电动机的转速来优化液压泵流量与负载所需流量的匹配，采用定量泵代替变量泵；

（6）自动怠速时，对液压蓄能器充油以建立起克服负载所需的压力，电动机的转速可降到液压泵允许的最低转速，从而实现节能、减噪，同时又保证了取消自动怠速时，依靠蓄能器的压力可以快速建立起负载所需压力。

 

图3华侨大学1.5纯电驱动挖掘机原理图

通过本项目研发，纯电动液压挖掘单位时间的能源消耗费用降低60%以上，零排放，1-2年可收回成本，一次充满电可工作5小时以上。项目可以提升自主产品市场竞争力，不仅具有非常巨大的市场空间，而且可以推动我省乃至我国工程机械行业的技术进步、打破国外企业的垄断，带动工程机械主机行业的快速发展。相关的成果对其他类型的工程机械，如装载机，叉车，垃圾清扫车、港口机械、履带起重机、旋挖钻机、高空作业车等也具有积极的借鉴作用。

目前，该项目已经发表论文20余篇，申请或授权专利10项完成样机试制。