电动装载机实际应用情况下的四大优势分析.pdf

18建设机械技术与管理 2023.04 2020 年 9 月，习近平向世界宣布，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和。在推进“双碳”工作的大背景下，自 2016 年开始，工程机械行业中陆续有主机厂开展装载机电动化研发工作，2019 年中国生产且上市了全球首台电动装载机1。虽然电动装载机首次购买成本较高，但随着近年来柴油价格的不断上涨以及各种工作场景下的特殊要求，同时结合电动装载机的产品固有属性带来的先天优势，促使越来越多的客户开始选择使用电动装载机。本文从环保、运营成本、NVH 性能、特殊应用场景 4 个方面对电动装载机实际应用情况下的优势进行了详细分析。1 环保优势众所周知，过量二氧化碳排放会导致全球气候出现异常变化，生产活动中产生的二氧化碳如果得不到有效的总量控制，全球气候异常变化趋势将日趋明显，进一步地，疫情扩散、种族歧视、政治谎言、经济波动等相关问题也会随之而来，所以，有效控制二氧化碳排放量，对逆转全球气候变化趋势和实现全行业高质量可持续发展具有重大意义1,2。目前，在工程机械行业中，以柴油为燃料提供动力的设备数量占比高达 90%以上，柴油在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳，其计算公式如下：mCO2=mfQlk （1）式中，mCO2为柴油燃烧产生的二氧化碳质量（kg）；mf为柴油消耗量（kg）；Ql为燃料平均低位发热量（kJ/kg），电动装载机实际应用情况下的四大优势分析Analysis of Four Advantages of Electric Loader in Practical Application李学 张楠 郭海滨 董利超（广西柳工机械股份有限公司装载机研究院，广西 柳州 545000）摘要：在“碳达峰、碳中和”工作推进的大背景下，工程机械电动化已是大势所趋，本文以电动装载机为例，对其在环保、运营成本、NVH 性能、应用场景 4 个方面的优势进行了详细阐述与分析，研究发现，相比传统柴油装载机：（1）电动装载机一年可以减少二氧化碳排放量 140t 左右，环保优势十分突出；（2）电动装载机每年可节约燃料使用成本约 26.5 万元和节约维修保养成本约 1.3万元；（3）驾驶室内振动、噪声舒适性得到显著提升，机外辐射声功率大幅度降低；（4）对于易燃物料转运、噪音环保要求高、密闭空间、高原环境等应用场景优势突出。关键词：电动装载机；环保；运营成本；NVH 性能；应用场景；二氧化碳排放中图分类号：TH16；TH243 文献标识码：A柴油为 42705kJ/kg；k 为燃料的二氧化碳潜在排放系数（kg/GJ），柴油为 74.024kg/GJ。由式（1）计算得每 1kg 柴油燃烧产生的二氧化碳质量为 3.16kg。以一台柴油装载机为例，其在 GB/T35198-2017 国标中要求的半回转式作业工况下的实测油耗约为 15kg/h3，一年工作时间约为 3000h，那么其二氧化碳排放量达到了惊人的142.254t。换言之，如果采用二氧化碳排放量为零的电动装载机，那么一台电动装载机一年可以减少二氧化碳排放量140t 左右，其环保优势不言而喻；加速工程机械电动化对于我国的“双碳”工作具有积极且重大的推进作用。2 运营优势装载机的运营成本主要包括燃料使用成本和维修保养成本。对于传统燃油装载机，随着柴油价格的不断上涨，导致其燃料使用成本逐年增加，根据电动装载机与柴油装载机的能耗对比数据（表 1）可以发现，相同条件下，电动装载机消耗的电量是柴油车消耗燃油的 3 倍，即油电比为1L:3kW h。表 2 给出了某客户的柴油装载机和电动装载机使用成本对比表。由表 2 可以发现，柴油装载机的油耗为 15L/小时，油价为 7.92 元/L，作业一小时燃油花费为 118.8 元；电动装载机电耗为 45kW h/h，取全国平均商用电价为 0.68元/kWh（图 1），一个小时电量花费为 30.6 元，相比柴油装载机每小时节约 88.2 元，假设 1 年工作 3000 小时，那么全年可节约燃料使用成本约 26.5 万元。2023.04 建设机械技术与管理 19图 1 商业用电电价表 1 柴油装载机与电动装载机能耗对比试验样机5t 柴油装载机5t 电动装载机物料类型高含土中湿粗石（50-70）原始数据试验循环次数111 斗111 斗试验循环时间1h1h能源消耗量23.8L72kWh单斗数据对比单斗物料重量6.3t6.3t单斗能耗0.214L0.67kWh油电比1L:3kWh表 2 柴油装载机和电动装载机使用成本对比表参数柴油版电动版差值=电动-燃油年工作小时数3000h3000h每小时能耗15L/h45kWh/h能耗单价（元）7.920.68燃料费用（元/h）118.830.6-88.2年燃料费用（万元/年）35.69.18-26.5 对于维修保养成本，针对不同工作小时数的传统柴油装载机需要进行不同维保项目，年维保成本合计 2.9 万元左右；对于电动装载机，其电池和电机每年只需做一些常规检查，不需额外要付出材料成本，年维保成本合计1.6万元左右，相比柴油装载机全年可节约维修保养成本约 1.3 万元。3 NVH 性能优势随着国内工程机械行业的高质量发展，装载机的 NVH（噪声 Noise、振动 Vibration 和平顺性 Harshness）性能设计与提升逐渐成为了各大主机厂的研发重点，NVH性能的优劣直接影响着客户的舒适性体验，直接影响着客户对于整机品质的印象和购机欲望。对于传统燃油装载机，影响驾驶室内舒适性的振动主要来自于发动机点火激励以及行走时轮胎花纹与地面的接地激励，影响机内外噪声的噪声源主要包括发动机、变速箱、散热风扇、液压泵等。相比燃油装载机，电动装载机的动力传动系统发生了巨大变化，主要振动和噪声源发动机被替换为了振动和噪声更小的“动力电池+电动机”，变速箱的体积更小、重量更轻、噪声成分构成更简单4；散热系统的散热风扇由原来的直驱风扇或液驱风扇改为了电子温控风扇，电子温控风扇可根据系统温度针对性的改变风扇转速，可明显改善 工作时间保养内容100h500h 1000h 1500h 2000h 2500h 3000h 3500h机油机油滤清器燃油粗滤燃油精滤油水分离器空滤制动液高压滤芯回油滤芯先导油滤芯液压油驱动桥油内气滤网外气滤网变速箱滤清器变速箱油合计冷却液柴油车保养金额28000 电动车保养金额15300 900 4000 1500 4800 1500 1500 4800 2500 2500 7800 9000 2500 表 3 柴油装载机维修保养成本图 2 某型电动装载机耳旁噪声20建设机械技术与管理 2023.04 风扇气动噪声。以上改变给装载机整机 NVH 带来的直接好处就是：（1）由于缺少了发动机的低频点火激励，驾驶室内振动舒适性得到明显提升；对于驾驶室噪声舒适性，不仅体现在声压级的明显降低（某型 5t 电装耳旁噪声约为 72dB（A）某型 5t 柴油装载机耳旁噪声 83dB（A），更体现在声品质的显著改善（图 2）；（2）机外噪声辐射水平的大幅度降低（某型 5t 电装机外声功率 102dB（A）某型5t 柴油装载机机外声功率 111dB（A）3,5，极大地改善了施工作业场所的噪声污染情况。4 应用场景优势电动装载机的应用场景非常广泛，几乎可以替代传统燃油装载机的所有应用场景，其中，对于易燃物料转运、噪音环保要求高、密闭空间、高原环境等应用场景优势尤为凸显。4.1 易燃物料应用场景优势本文中的易燃物料是指利用装载机转运的物料本身具有一定的易燃性，例如，生物发电厂的生物质成型原料（秸秆、三剩物、花生壳等）、木板厂的木屑、食品加工厂的粮食、垃圾处理厂的易燃垃圾等。如果通过传统燃油装载机装载和转运上述易燃物料，存在一定的由易燃物料落入高温发动机舱（涡轮增压器和后处理温度一般在 400 700）引发火灾的风险。如果通过电动装载机装载和转运上述易燃物料，则可以极大概率规避上述火灾风险，因为电动装载机正常作业时，整机最高温度部件为变速箱，其最高温度不超过 120，远低于上述物料燃点。4.2 噪音环保要求高应用场景优势本文中噪音环保要求高的应用场景是指装载机正常作业时所引发的附近环境（以装载机几何中心为原点，半径5m 的范围内）噪声不能超过当地政府部门或其他相关部门要求的噪声限值的作业场所。例如，对于市政建设施工中的城市道路施工、桥梁施工、垃圾处理、园林建设及房屋建设等与居民区距离较近作业场景；如果采用传统燃油装载机，因为发动机低频点火噪声声压级很高且穿透能力强、衰减图 3 电动装载机在某生物发电厂转运物料慢、传播距离远，导致其作业时辐射到附近环境的噪声高达到 111dB（A），严重影响周边居民的正常生活与休息；如果采用电动装载机，由于缺少了发动机这个主要噪声源，且电动装载机噪声成分中高频噪声占比较多，高频噪声穿透能力差、衰减快、传播距离近，所以，其作业时辐射到附近环境的噪声往往小于 83dB（A），很好地解决了传统燃油装载机在市政施工项目中噪声扰民的问题。4.3 密闭环境应用场景优势对于隧道或船舱等相对密闭环境，因其内部空气流通性较差，如果采用传统燃油装载机在类似环境内作业，会导致发动机排放的尾气中大量的二氧化碳、一氧化碳及烟尘颗粒等有害物质在密闭作业空间中大量积聚，导致氧气占比降低，对装载机操作手或其他施工人员的身体健康造成较大伤害；如果采用电动装载机，其优势在于零尾气排放和零消耗氧气，极大地提高了施工人员在相对密闭环境工作的舒适度和健康度。4.4 高原环境应用场景优势传统燃油装载机在作业时需要充足的氧气供应，对于西藏、青海、四川等高海拔地区，其环境氧气稀薄，导致传统燃油装载机因氧气吸入不足，造成整机功率下降，扭矩降低，作业无力；如果采用以“电池+电机”为动力供应的电图 5 电动装载机在高原环境的施工场景图 4 电动装载机在某隧道内的施工场景（下转第 24 页）24建设机械技术与管理 2023.04 动装载机，其作业时零氧气消耗、对空气中氧含量无任何要求，很好地解决了在高原地区传统燃油装载机因“缺氧”引起的作业无力问题。5 结 论本文对电动装载机在环保、运营成本、NVH 性能、应用场景 4 个方面的优势进行了详细阐述与分析，研究发现：（1）相比年平均工作 3000h 的柴油装载机，电动装载机一年可以减少二氧化碳排放量 140t 左右，环保优势十分突出；（2）相比年平均工作 3000h 的柴油装载机，电动装载机每年可节约燃料使用成本约 26.5 万元和节约维修保养成本约1.3 万元；（3）相比传统柴油装载机，驾驶室内振动、噪声舒适性得到显著提升，机外辐射声功率大幅度降低；（4）相比传统燃油装载机，电动装载机对于易燃物料转运、噪音环保要求高、密闭空间、高原环境等应用场景优势突出。参考文献1 梁广华.我国推进碳中和意义及路径研究 J.未来与发展,2022(12):1-16.2 邵晖.浅谈电动装载机的发展应用与研究 J.中国新技术新产品,2020(24):14-16.3 杨斌,黄绵剑,刘浩然,等.电动装载机与传统装载机性能对比测试研究 J.建设机械技术与管理,2020(3):94-98.4 莫艳芳.纯电动装载机动力传动系统设计与开发 J.工程机械,2022,53(3):83-86.5 张强,韦海,罗庆玉,等.某型电动装载机电机噪声分析与优化 J.工程机械,2021,52(1):30-34.收稿日期：2023-03-03作者简介：李学，学士，工程师，主要从事电动装载机开发工作。上接第 20 页档位泵送速度（次/分钟）辅助电机功率（kW）主驱电机功率（kW）电池输出功率（kW）14.71213.528.826.91226.543.339.21249.367.1表 2 新程序 1 档至 3 档能耗结果通过对表 1 和表 2 的能耗测试结果对比可见，应用了新方法的程序在泵送低挡位工况打水实验中，达到相同泵送速度的能耗降低明显，每小时可节能 1015 度电。4 结 论本文首先介绍了新能源泵车的动力系统架构设计，对传统泵车泵送控制方法进行了介绍；然后作者经过对泵送系统效率分析，发现由于传统泵车泵送控制方法是基于发动机为动力源来设计的，考虑到发动机转速变化慢以及发动机转速不能过低的特点，为了保证发动机转速的稳定性，牺牲了低档位液压泵的效率；最后本文提出了针对纯电动泵车泵送系统的节能控制方法，在低档位工况相对于传统方法，并通过实验证明该方法在保证泵送速度的同时大幅度降低了系统能耗，具有很高的应用价值。参考文献1 陈宜通.混凝土机械 M.北京：中国建材工业出版社,2002.2 武四辈,曾发林.混凝土泵车节能控制策略研究 J.重型汽车,2008(4):9-11.3 朱建安,董忠红.水泥混凝土输送泵车整机模态 J.长安大学学报,2004(9):104-106.收稿日期：2023-04-24作者简介：张磊，硕士，工程师，主要从事新能源混凝土泵送机械软件控制方向的研发工作。