挖掘机电动化技术发展趋势.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 250 前 言2021 年 7 月 8 日发布的工程机械行业“十四五”发展规划中指出“十四五”发展重点及关键任务“加速研发绿色环保产品。工程机械企业要以高度的社会责任感落实环境保护的相关要求也要加速对混合动力、纯电动等新能源产品的开发和产业化、市场推广应用，探索新型及节能减排路线”，新能源电动汽车和混合动力汽车普及广泛，工程机械电动化需求日益增加。但工程机械领域的电动化技术发展还处于初期阶段，目前只有少量品牌有销售实绩。国内外工程机械厂商在挖掘机电动化领域进行了一系列的研究和尝试，电动挖掘机使用的主要技术有：蓄电池快速充电智能管理系统、超低噪音模块化技术、整车电池热管理控制技术、电池管理智能控制安全技术、复杂工况动力匹配控制技术、高效动力电池组、电动机集成控制器技术（MCU）、大功率充电桩、高容量充电单元、整车电动化控制技术等。1 电动挖掘机及其发展简介根据 LMC Automotive 和 EV-Volumes 全球电动车销售统计数据，2022 年全球电动车 xEV（电动汽车）(纯电动车挖掘机电动化技术发展趋势Development Trend of Excavator Electrification Technology赵建 程中修 贾明剑（小松机械制造（山东）有限公司，山东 济宁 272000）摘要：近几年异常恶劣天气发生频率增加，全球气候变暖，世界开始大踏步迈向无碳社会。伴随着节能低碳经济的持续推进，2050 年的“碳中和”（脱碳）已成为所有行业的问题，新的非道路工程机械国四阶段排放标准已经实施；传统柴油挖掘机的能耗高、排放差，污染严重，新能源动力是工程机械行业未来的重要发展方向，而电动挖掘机在节能减排、降噪、环保方面具有无可比拟的优势。本文重点介绍了电动挖掘机相关的技术及国内外挖掘机生产厂家的最新技术，总结了目前电动汽车方面的新技术，预测了电动挖掘机的发展趋势。关键词：电动挖掘机；新能源；电动技术；电动化；急速充电；工程机械；发展趋势中图分类号：TU621 文献标识码：ABEV、插电式混合动力车 PHEV、混合动力车 HEV、燃料电池车 FCEV 的总称)销量达 780 万辆，全球电动车销量占所有新车的 10%。汽车行业正在掀起一波电动化和自动驾驶技术创新浪潮，电动车平台开启了新的技术里程碑，电动车平台将组件进行模块化与标准化，这样大大缩短了开发周期，并灵活运用于各车型，打造出不同轴距、不同轮距以及不同离地高的车辆，如轿车、SUV、MPV 等。从汽车到工程机械的技术转移是可行的，但有必要考虑挖掘机特有的作业工况；与汽车不同，电动挖掘机存在许多技术问题需要克服，如高功率、过大振动、高温、多灰尘。电动挖掘机采用和 xEV 同样的动力系统，发动机由电动机代替，燃料由电能代替，可以通过电缆接 380V 的三相电源直接供电，也可以通过可充电的蓄电池向电动机提供能量；如果是燃料电池的话，氢气是燃料，需要一个类似于气瓶替换的结构；电动挖掘机采用的供电方式主要有以下四种：(1)电缆供电方式：一般外接 380V 三相交流电源作为动力，图 1 是小松生产的一款 7 吨级 PC78USE-11 电缆式电动挖掘机1，搭载额定电流 66A、额定功率 37kW 的三相交流图 1 小松 PC78USE-11电缆式电动挖掘机图 2 电缆接入方式 26建设机械技术与管理 2023.04 电动机，电动机以设定的恒定转速工作，不会产生异常噪音。如图 2 所示，依据施工场所和作业范围不同，确保不影响供电并且电缆不影响挖掘机的 360回转作业，有三种不同的电缆接入方式：电缆卷盘、回转架安装、电动万向接头。(2)内置蓄电池供电方式：使用内置蓄电池为电动机供电。图 3 是 2020 年 4 月小松以混合动力和电瓶叉车技术为基础开发了一款 3 吨级 PC30E-5 蓄电池式电动挖掘机，作为租赁机引入日本国内市场的 PC30E-5 电动小型挖掘机，配置额定功率 18.2kW 的电动机和容量 36kWh 的蓄电池，使其发挥与发动机型相当的挖掘性能。设置了控制高压系统的“电气控制器”和控制电动机的“逆变器控制器”，以实现相同的可操作性。电动机通过逆变器控制其转速和扭矩，逆变器是一种转换电池电力的装置。蓄电池的容量决定了工作续航时间；与电动汽车相同,可以在夜间关闭车辆时,采用普通充电将电池充满电，也可以在休息（例如午餐休息时间）的 1 小时 2 小时内将电池容量由 20%恢复至 80%的急速充电；如图 4 所示急速和普通充电两种充电模式保证了充电控制器控制充电在恒功率充电和多段恒流充电之间切换，蓄电池快速充电智能管理系统在监控蓄电池温度、电压和电流的同时，防止电池出现过充电和过放电延长电池寿命。工作噪声比柴油机低 50%左右，仅 30 40dB，非常适合于室内及高密度市区施工。蓄电池式电动挖掘机相比柴油型成本增加 2 至 3 倍，其中蓄电池占生产成本的三到四成；为了降低蓄电池成本，必须增加普及量。目前电动车采用的电池种类主要有四种，如图 5 所示蓄电池采用比例图，NCA和 NMC 是所谓的三元锂电池，在能量效率上优于其他两者(镍的比例越高，电池能量密度越高）。蓄电池作为动力来源，对电动汽车的安全具有重大影响，一旦蓄电池质量不合格，就可能引发后续一系列的自燃、爆炸等事故。工信部在2020 年发布三项与电池相关的强制性国家标准，开始严格图 3 小松 PC30E-5 蓄电池式电动挖掘机图 4 电动车中蓄电池采用比例图图 5 蓄电池采用比例图图 6 外置蓄电池供电式电动挖掘机 图 7 移动供电型电动挖掘机要求蓄电池的安全性，使得安全性最高的磷酸铁锂（LFP）电池受到电动市场的青睐，电池供应商宁德时代及比亚迪都通过电芯组装电池包（CTP）的技术突破，让 LFP 电池的整体性价比能与三元锂电池竞争，目前蓄电池式电动挖掘机广泛采用 LFP 电池。(3)外置蓄电池供电方式：使用外置的蓄电池给电动挖掘机供电，可实现电动挖掘机长时间工作。既解决了电缆式电动挖掘机电源的问题，又解决了内置蓄电池式电动挖掘机的电池储电密度低、续航能力差、不宜大量携带的问题。如图 6 所示的一款蓄电池放置在地面上的外置蓄电池供电式小松电动挖掘机；外置蓄电池放置在专门的移动供电车上，通过数台移动供电车轮流交替充电和为挖掘机供电，图 7 所示是杭州蓝力电动科技有限公司发布的移动供电型电动挖掘机，移动供电车像一个大型“充电宝”在电网和挖掘机之间来回跑，从而保证电动挖掘机能在工地上长时间施工。(4)可更换蓄电池包供电方式：日本小松和本田合作开发的小松微型电动挖掘机 PC01E（图 8），配备了本田的可拆卸便携式“移动电源包”和电动动力单元（eGX）2，当电耗尽时，用充满电的移动电源包更换，以消除充电时间和供电基础设施的限制。该挖掘机主要用于管道工程、园林绿化、农业和畜牧业等，小松计划为土木工程和建筑工地提供移动电源组，利用移动电源组相互使用，建立土木工程和建筑行业的电池共享系统。(5)增程式供电方式：针对纯电驱动技术3在续航方面表现不足，可以借鉴增程式（Range-Extender,REx）电动汽车的构造，以蓄电池、电池管理系统和高压管理单元为储能单元，以小功率发动机和发电机组成的增程系统为辅助动力源，研讨开发用电机、电机控制器和动力电池组成电传动系统的增程式电动挖掘机。增程式电动挖掘机在电池电量不足时以增程模式为负载提供电能和电池充电，有效保证了挖掘2023.04 建设机械技术与管理 27机的续航时间。控制策略能根据发动机和发电机的特性曲线，控制发动机和发电机工作在高效点，降低能量损失。2 电动挖掘机技术介绍电动挖掘机油电混合流量匹配控制系统方案如图 9 所示，驾驶员操纵手柄，发出的电信号经过控制单元 ECU1 采集和处理，将计算得出的频率控制信号通过无线发送模块发出；同时，计算得到的 LUDV 多路阀先导压力控制信号作用于比例压力阀，比例压力阀输出相应的压力来控制多路阀主阀芯的位移大小。控制单元 ECU2 将 ECU1 传输过来频率控制信号作相关处理，然后将频率控制信号传输给变频器，变频器根据频率控制信号来控制电机的转速。手柄信号在控制了泵转速的同时也控制了多路阀主阀芯的位移，属于泵阀同步的控制方式4。电动挖掘机纯电控制系统方案如图 10所示，所有执行机构都是纯电驱动5。电动挖掘机技术包含如下几个大的方面：2.1 复杂工况动力匹配控制技术传统的动力系统液压控制技术大都采用发动机、液压泵、多路阀、多执行器的构造，以泵供油、阀配流的方式完成工作。传统液压泵的设计主要基于定转速变排量控制，液图 8 小松可更换电池“移动电源包”微型电动挖掘机 PC01E压泵的高效区和频响均不能满足电机在大转速范围内频繁加减速的要求，而油电混合挖掘机液压泵的运行速度范围更大，如何保证液压泵在大转速范围内具有高效率、高频响和高可靠性是面临的问题点之一；油电混合动力系统根据发动机和电机驱动布局方式的不同可分为图 11（a）、（b）、（c）三种，目前研究较多的主要有串联式和并联式。2.2 动力与传动系统设计及仿真技术电 动 挖 掘 机 液 压 系 统 和 动 力 系 统 模 型 主 要 利 用AMESim、MATLAB/Simulink 等仿真软件实现。AMESim可以建立系统模型并进行动态特性分析的建模仿真平台。MATLAB/Simulink 既可用于系统建模，也可建立模糊控制器用于系统控制策略的仿真分析。为了保证电动挖掘机在工作范围内的作业性能，一般要求电动机在其工作范围内的最大输出扭矩不能降低或者恒功率区间较小。电动机需要随着负载的变化而不断调整以匹配。2.3 高效动力电池组技术电池在车辆运行过程中产生大量的热量，会降低电池的充放电效率，影响电池的功率；严重时还会导致热失控，影响系统的安全性和寿命。整车电池热管理控制技术让电池组能够始终保持在一个合适的温度范围内进行工作，从而来维持电池组最佳的工作状态。电池管理智能控制安全技术通过对电池外特性的在线测量和估算，实时地掌握电池的工作状态，在不出现滥用和不合理使用的情况下，实现电池能量的充分高效的利用，提高运行效率；主要功能有电池状态监测、电池状态分析、故障诊断与处理、充放电控制管理、能量控制管理、电池信息管理、高压安全管理等。图 9 油电混合控制系统方案图图 10 纯电控制系统方案图图 11 油电混合动力系统配置方式发电机发动机发动机电动机发动机储能元件储能元件储能元件电动机/发电机电动机/发电机机械联接电气联接机械联接电气联接机械联接电气联接（a）串联式混合动力（b）并联式混合动力（c）混联式混合动力电动机/发电机28建设机械技术与管理 2023.04 2.4 车身设计相关技术元太科技透过雷射切割打造贴合车身曲线的 E-Ink 电子纸包覆车身，只需要一个按键，便能转换车体颜色、图纹外观，外观的转换，除展现个人风格，也能藉由黑色吸热、白色散热的特性，降低空调耗能。质量轻、高强度的碳纤维复材 CFRP 等高新材料逐渐应用于电动挖掘机零部件中，不仅可以增加强度又可以提高生产效率。2.5 无人驾驶与远程遥控技术如图 12 所示利用安装在车身和工作设备周围的多个摄像头和传感器，将施工场景显示在 360 度监视器和远程控制台的显示器上。操作员可以不用坐在驾驶室内利用模拟器的控制单元平台就能操作挖掘机，通过远程遥控，降低故障发生率，并使用人工智能（AI）和摄像机进行自动驾驶，提高现场生产率。如果斗杆和铲斗的位置和角度得到最佳控制，生产效率会大幅提高，进一步结合 5G 实现工程机械的远程控制，推出无人挖掘机等应用。2.6 智能施工 ICT 技术小松也在不断利用最新数字技术对智能施工解决方案持续优化创新6。如图 13 所示小松和美国 Skycatch 无人机合作，无人机上配备的立体摄像头和三维激光扫描仪可以对施工区域进行扫描从而获得相关三维数据，然后在电脑上绘制 3D 立体图像。通过将整个施工过程与三维数据连接起来，测算土方量等施工工作，大幅度减少误差，实现施工作业全程可视化管理的思路。为了减轻操作员的负担，增加了控制功能，例如沿设计表面移动铲斗铲刃的自动平地辅助和自动停止控制（当铲斗齿尖到达设计表面时停止）。因此，操作员可以半自动控制工作机器，这样他就不必担心过度挖掘设计表面，而不必精细操作工作机器。2.7 纯电动动力传动技术2017 年沃尔沃展示了纯电动小型概念挖掘机 EX2（图 14），该挖掘机采用电气系统取代液压系统，配置了 2 个锂电池，电池容量达 38 kWh，充满电能连续工作 8 小时；由图 12 小松远程遥控技术图 13 小松智能施工 ICT 技术图 14 沃尔沃纯电动小型挖掘机EX22023.04 建设机械技术与管理 29于液压系统被电气系统所取代，从而减少了液压系统和内燃机的噪音，能够降低 10 倍的噪音水平。电动缸电机通过同步带轮、齿轮、涡轮蜗杆等传动机构带动丝杠转动，伺服电动缸因其闭环控制、高精度、高响应、高刚性的特点，更利于实现自动化和信息化的融合，电动缸是一种精度高、集成性高、环境适应性强、轻污染的执行机构。3 发展趋势展望影响电动汽车发展的诸多因素中，购买价格因素居首，其次是充电基础设施的建设。我国已经投产了一定数量的充电站与充电桩，国家电网公司也开展了电动汽车充电站测试与研究工作，充电站建设开始呈现加速发展的势头。电动挖掘机使用的大功率充电桩接口与电动汽车的充电基站共享，会加速电动挖掘机的普及。随着电机技术和电机控制技术的发展，直流串激电机正在逐渐被直流无刷电机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和交流异步电机所取代。电机与发动机输出特性差异明显，由于工程机械功率等级较高，通常采用液压驱动，现有的液压控制技术是为了匹配柴油机的特性而设计的，与电传动技术并不匹配；因此，需要在自动化、远程控制、电气化和自主化方面进行专门研究，即实现数字化转型（DX）。随着物联网、感应侦测、人工智能（AI）、自动控制、大数据等技术渐趋成熟，电动挖掘机将发展成为“工作自主机器人”，具有农业、建筑和物流移动性的理想功能。大功率电动机和高效动力电池组成的电动驱动系统等正在高速发展，这些技术被转移到电动挖掘机上，整合控制电路板、冷却回路、驱动电机、逆变器、导电线路等驱动组件为一动力模块，进而提高功率密度；提高电动挖掘机的电压，可大幅提升功率密度、降低电能的耗损。通过对电动汽车近几年的发展现状与趋势的分析，预测电动挖掘机未来的发展方向如下：3.1 动力传动系统的功率匹配技术目前挖掘机液压系统如负载敏感系统、正负流量系统等，均采用多路阀适配变量泵实现功能；如何适应电动化后液压泵供油控制方式的改变，包括变转速定排量、定转速变排量和变转速变排量等，也是当前面临的问题点之一；对于执行机构，由于引入电储能单元，可以采用分布式独立驱动控制，甚至可以由电动缸或电动马达直接驱动，但受现有电动缸功率水平的限制，研究基于液压系统优点的新型电液线性复合驱动执行器和分布式独立驱动系统是当前面临的问题点之一；行走电动马达技术可以参考电动叉车技术采用模糊控制和相邻交叉耦合结构相结合的方式，改进多电机同步运行的精度明显比传统 PID、开环控制的控制精度更高，同时系统的鲁棒性也会明显提高。纯电动挖掘机可以根据作业条件很容易更改匹配电机参数，并且电驱动执行器的效率与传统液压效率相比提升 30%左右；并且可以将车身回转减速时所产生的能量转换为电能将其回收再生。3.2 无线充电技术无线充电主要运用电磁感应、磁场共振、电场耦合和无线电波技术原理。无线充电汽车（图 15）是利用无线感应充电装置给电动汽车充电。通过在电动汽车上加装一个无线感应充电装置，司机只需要将车开到固定位置，无需插取充电电缆即可给汽车进行充电。该装置由电池、充电感应器、交直流转换器和控制系统组成，其基本原理是在地面下的铺设供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给在地面上的车辆，进而给车载储能设备供电，可使电动汽车搭载少量电池组，延长其续航里程。电动挖掘机数量达到一定规模的租赁公司或工程单位就可以借鉴电动汽车的模式实施无线充电。3.3 无人驾驶与远程遥控技术在危险的环境中为了驾驶员安全采用无人驾驶和 AR 技术进行远程遥控挖掘机。小松于 2021 年 5 月新发布了搭载锂离子电池的全电动遥控挖掘机概念机（图 16），它是以电动叉车和小型挖掘机技术为基础，开发的 3t 级（0.09）小型全电动挖掘机概念机。由于车辆控制器和车辆控制设备通过无线 LAN 连接，无线 LAN 与智能手机和电脑兼容，由于是全电动系统，可以简化传输信息并消除通信延迟；因此可以在任何工作环境中进行远程遥控操作，有助于减轻操作员疲劳并提高工作现场的生产率。小松新开发的“KomVision”（图 17）人体检测碰撞缓解安全装置，可检测挖掘机周围的人并控制挖掘机运行，在低速行驶时自动停止。多达四个单眼摄像头用于在监视器上显示周围工作环境，当在检测区域或停止控制区域检测到人员时，蜂鸣器会提醒并安全停止机器，促进安全场景的实现。相关的安全技术、全电动系统、无人驾驶与远程遥控技术都可以整合一起开发出跟安全高效的纯电动挖掘机。3.4 智能施工 ICT 技术图 15 电动大巴无线充电示意图30建设机械技术与管理 2023.04 全电动系统将更容易支持 IoT（物联网）和信息和通信技术（ICT），小松利用 IoT 技术将作业现场的所有设备和利益相关方，以及后台支持的设备、系统和人员通过数字化云平台联接起来，实现真正的建筑施工的智能化升级。开始尝试利用云计算、无人机、大数据分析、3D 建模等数字化手段改善智能施工解决方案。感测技术改朝换代，激光雷达、4D 成像雷达打造自动驾驶“鹰眼”，搭载摄影机、雷达与激光雷达（LiDAR）等传感器来取得环境信息。小松无人自卸车操作系统“自主运输系统（AHS）”配备高精度 GPS和障碍物检测传感器的自卸车在中央控制室操作和管理，实现全无人操作。未来电动挖掘机也将会发展成为智能施工化施工设备的一员。3.5 动力电池技术动力电池组占电动挖掘机生产成本的三到四成，所以蓄电池是整机的核心部件，蓄电池存在的问题点：价格高、能量密度不足、耐久劣化（容量、动力低下）、自燃火灾、充电时间长、电池材料资源匮乏等。考虑到这一点，小松和其他公司正在寻求通过燃料电池（FC）技术高性能化和移动电源等多种方式应对锂离子电池的方法；传统锂电池使用有机溶剂作为液态电解液，会有爆炸的风险，而固态电解质具有高能量密度、长寿命、低成本与高安全性。固态电池能量密度 350-500wh/kg,电动车行驶里程提高一倍以上，所以未来发展固态电池技术是趋势。德国回收公司 Accurec 表示，它已经开发出一种可以从旧电池中回收锂的工艺。使用湿法冶金工艺从电动汽车、电动自行车、电子设备和传统家用电池的废旧电池中回收锂，能回收电池中 50%以上的高纯度锂。3.6 电器元件技术对于电动挖掘机来说，整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）是重要的核心技术，电机控制器 MCU(也称为逆变器)通过接收 VCU 的控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时 MCU 具有电机系统故障诊断保护和存储功能。继 Tesla 首先将碳化硅（SiC）芯片应用于逆变器中，使逆变器以及驱动系统能够支持更高的工作电压。使驱动电机制造商积极开发可支持高电压如 800VDC 应用的驱动电机（目前纯电动车电机支持电压多在 300V 400VDC 之间），发展可支持 800V 的低噪音电机已成为近年趋势。电动挖掘机主要的噪音来源为电机噪声，引起噪音的主要原因为电磁、空气动力、换向、机械摩擦噪音等。将高压电动机、电机控制器与冷却管路等进行模块化整合，发展超低噪音模块化技术是未来的发展趋势。随着电力电子与电机控制一体化的发展，在高密度整合的设计中，可参考绝缘标准 IEC 60664 系列来设计与验证电动挖掘机电装品的绝缘规格，主要涉及漏电距离设计，结露/冷凝环境的重现模拟验证技术。车辆外部配有急停开关、漏电保护、过热保护和相序保护，整车作业安全性更高；采用更智能的独立液压油和独立冷却系统，不仅使液压油温保持理想的系统工作温度，更有效地降低了整车噪音，提高操作舒适性。4 总 结与同吨位柴油挖掘机相比，电动挖掘机振动小、噪音低、舒适性高；能够解决挖掘机低温启动困难、高海拔功率不足等问题；大规模的太阳能和风力发电并入电力系统，还有水力发电、地热、海洋潮水力发电等，其间歇性会对电网造成不稳定，需要电池储能系统来稳定电压与频率。所以电池储能系统将会成为未来发展趋势，这也会间接推动移动电源包的电池共享产业发展。移动随着电气化等新技术的出现，降低客户的生命周期成本并提高现场生产率至关重要。参考文献1 李波.电动挖掘机方案设计及动力电池匹配优化研究D.成都：西南交通大学,2018.2 李前坤.电动挖掘机电机效率优化与流量匹配方法研究D.成都：西南交通大学,2021.收稿日期：2023-05-01作者简介：赵建，学士，工程师，主要从事中小型挖掘机的设计与研究。图 16 小松无人驾驶遥控全电动挖掘机概念机图 17 小松“KomVision”安全系统