混合动力：挖掘机技术发展新方向？

众所周知，挖掘机工作过程中存在各种功率损失，其中占主导地位的是液压系统内部损失和功率匹配损失。针对液压系统功率损失，国内外工程机械生产商开发了多种节能控制技术，较好地解决了这一问题。功率匹配损失是由于挖掘机工况复杂，负载变化剧烈，导致柴油机严重偏离经济工作区，造成燃油利用率不高，尤其是在高转速、小负载的情况下。为解决这一问题，国外很早就展开了研究，对发动机和液压泵采取功率匹配控制，目的是控制柴油机在各种负载功率条件下都工作在经济工作区。到目前为止，几乎所有的国外公司生产的中型挖掘机都配备了这一控制系统，如小松公司的PC系列挖掘机，日立建机的EX系列挖掘机，卡特彼勒公司的挖掘机等。为进一步提高功率匹配控制效果，国内一些学者也做了大量的研究工作。这些技术曾经大幅度降低了液压挖掘机的油耗，但由于挖掘机本身工作负载的特点，决定了在传统的功率匹配技术下，难以进一步提高节能效果。目前，在这一领域，国内和国外差别已经不大，在二十吨级的液压挖掘机上，国内普遍采用了电控泵和自国内主研发的节能控制器。但在小挖上，由于成本的限制还应用不多。

　　在传统的功率匹配控制中，只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，使柴油机工作点位于经济工作区。由于负载的剧烈波动，最大和最小负载功率是交替变化的，加到柴油机输出轴上的扭矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时工作点严重偏离经济工作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。另外，为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中必须按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。当选不到大功率柴油机时，很容易造成发动机过载，这在一些小挖上表现得非常明显–柴油机经常过热。

　　为解决这些问题，国外各著名工程机械生产厂家普遍将研究开发方向转向了混合动力系统。2003年，日立建机推出了世界上第一台轮式装载机；2004年5月，小松公司则推出了世界上第一台试验型混合动力液压挖掘机。随后，神户制钢，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合动力挖掘机。这些公司普遍采用的是油电混合的解决方案，借助蓄电池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。这样，就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用功率较小的柴油机来驱动大吨位挖掘机，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。

住友混合动力挖掘机工作原理图

　　油电混合动力的优点是，不但能对内燃机输出扭矩进行均衡控制，使内燃机工作点始终位于经济工作区，而且可以利用电机控制技术，对每一个液压缸都采用闭式传动方案，从而取消了多路阀控制，彻底消除阀内的节流损失，同时可以对回转动能、工作装置的重力势能等进行回收。小松、神钢等公司采用的就是这种方案。这种方案的最大缺点是，由于能量转换经历了柴油机-发电机-蓄电池-电动机-液压泵-液压缸、液压马达等多个环节，每一个环节都存在能量损失，因此导致整个转换过程中的能量损失较大，从而在一定程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。

　　这种系统的另一个缺点是，由于能量转换环节多，导致系统趋于复杂，技术要求也相应提高，如电池寿命、电源转换效率、重量、可靠性等，都有待进一步提高。此外，油电混合动力技术使挖掘机动力系统从结构上发生了根本变化，对整个挖掘机制造体系影响巨大，从而造成生产成本的上升。这些缺点无疑严重制约了油电混合动力技术在工程机械上的应用。

　　因为油电混合动力系统的缺点，一些公司将研发方向转向液压解决方案，如美国环境署支持研究的液压混合动力装置。在这种解决方案中，利用蓄能器作为储能元件，采用静压传动技术，用来驱动以行走、回转等动作为主的行走设备，如汽车、装载机、推土机等。这种解决方案适合于以液压马达为驱动装置的设备，但对于以液压缸驱动为主的设备如液压挖掘机来讲则不适用。

　　目前，国内在液压挖掘机功率匹配节能控制方面的研究比较多，但大多数都集中在传统的匹配控制方案，也有为数不多的单位在研究混合动力在工程机械方面的应用，主要研究内容限于油电混合动力技术方面。另外也有不少单位在研究液压混合动力技术，但仅限于在汽车领域的应用，采用的仍然是静压传动方案。

下面让我们来回顾一下工程机械行业混合动力的发展历程：

1、2004年5月，小松公司则推出了世界上第一台试验型混合动力液压挖掘机。随后，神户制钢，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合动力挖掘机。小松08年6月宣布，该公司开始销售PC200 – 8混合动力挖掘机，此机型是世界上第一个混合型的工程机械。

2、住友建机株式会社继成功研发LEGEST系列履带式液压挖掘机之后，在今年6月份开始发售世界首创的混合动力磁盘起吊式挖掘机。磁盘起吊式挖掘机主要用于处理碎钢铁作业。由于机械工作时间长，用于能源回收的机械本体旋转频度高，适合混合动力技术的采用。

3、詹阳JY1621H混合动力挖掘机，该机型也是首台国产品牌混合动力型挖掘机。

4、09年凯斯Intermat首推21吨混合动力挖掘机原型机

5、2009年2月5日，斗山重工宣布公司开始研发一种混合动力挖掘机，预计将在2014年完成。