电传动工程机械发展趋势研究

陈宇立

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引言

随着我国经济水平和科技水平的不断发展，工程机械作为基础建设的主要设备，国家对其需求量越来越大，加快了工程机械行业的发展，但是随之而来的污染问题也越来越严重。再加上传统工程机械所需要的石油资源日趋枯竭，因此，环境污染和能源短缺问题是阻碍工程机械行业发展的主要因素[1]。

国家“十三五”规划中指出了对于节能减排的迫切要求。为了达到更好的节能减排的效果，发展节能环保的新能源工程机械逐渐成为行业的主流趋势，电传动技术凭借着其绿色环保和节能高效的特点在新能源发展中备受瞩目。近年来，国家也正在大力扶持电动汽车行业的发展，电动汽车利用蓄电池和电动机来代替燃油发动机，可以有效地缓解环境污染和能源短缺的问题。因此，电传动技术在工程机械行业中的应用将成为未来发展的主要趋势[2]。

1 电传动技术概述

电传动技术最初兴起于第二次工业革命时期，其发展过程坎坷。在工程机械行业中，电传动技术最早被应用于内燃机车中，但是由于当时技术水平有限，并没有达到理想的效果。近年来，随着科技水平的进步，电力电子技术、控制技术和半导体技术的不断成熟，电传动技术逐渐被应用到装甲车、矿车等重型车辆中，这也为该技术在工程机械行业中的发展奠定了基础[3]。

电传动技术对于人们日常的生产和生活都具有非常重要的作用，应用范围非常广泛。其工作原理是将电能转化为机械能，中间传递过程省去大量机械设备，传动系统布置灵活，空间利用率高。传统的电传动技术虽然能够提供巨大的驱动力，但是也会造成非常大的损耗，从而降低传动效率。随着计算机技术的发展，电传动技术也不断向智能化方向转变。

目前，大多数电传动系统采用发动机-发电机-电动机的传动形式，通过发动机带动发电机发电，电动机将发电机提供的电能有效地转化为机械能。电传动系统通过对电能转化形式的不同可以分为直-直电传动系统、交-直电传动系统、交-直-交电传动系统和交-交电传动系统四种形式[4]。

1）直-直电传动系统：直流发电机和直流电机，通过直流发电机产生的直流电直接驱动直流电机，从而实现电能到机械能的转化。该系统将产生装置和转换装置直接连接在一起，因此，结构简单、调速性能好、响应快，但是直流电机体积大，功率密度小，不易散热。

2）交-直电传动系统：交流发电机和直流电机，通过交流发电机发出交流电，经过整流后提供给直流电机。该系统提高了发电机转速，减小了体积。相较于直-直系统，该系统运行可靠，维修也较为方便，主要应用于20世纪70至80年代。

3）交-直-交电传动系统：交流发电机和交流电机，通过交流发电机发出交流电，经过整流器整流为直流电，再经过逆变器转化为频率可调的三相交流电，来驱动交流电机。该系统可靠性高，维修方便，并且可以有效地提高输出功率和传动效率，因此，目前应用最为广泛。

4）交-交电传动系统：交流发电机和交流电机，通过交流发电机发出交流电，经过变频后直接作用于交流电动机。该系统是直接变换，没有中间环节，效率比交-直-交系统高。但是系统的输出电压频率会受到电源频率的影响，因此，多用于低速、大功率的系统中。

以上系统都需要发电机来提供电能，而发电机则需要发动机来带动，因此，不能根本上解决燃油的消耗问题。目前市面上的电动汽车已经开始利用蓄电池代替发动机作为能量源，蓄电池通过周期性的充电，能够满足电机的电能需求。但是这种技术还在发展阶段，对于工程机械这种能耗大的机械，常用发动机和蓄电池配合来提供能量。根据布置结构的不同，系统可分为串联式系统、并联式系统和混联式系统三种形式[5]。

1）串联式系统：如图1所示，串联式系统中发动机是系统的主要能量来源，蓄电池只作为辅助能源储备装置。其中，功率变换器将发动机发出的交流电整流逆变为电动机所需要的电流形式。该系统的优势在于整个传动系统为弱耦合关系，发动机受外载荷影响小，因此，能够保持良好的工作状态。但是由于能量经过二级转换，存在能量损失，因此，能量利用效率比机械传动低。

图1 串联式系统

2）并联式系统：如图2所示，并联式系统有个显著的特点就是没有发电机。该系统可由发动机或蓄电池单独驱动，或二者采用转矩复合的方式共同驱动。并联式系统常被用在小型车辆中，在高速公路上行驶时具有良好的燃油经济性。

图2 并联式系统

3）混联式系统：如图3所示，混联式系统混合了串、并联两种模式，发动机可通过两条路径给系统提供能量。串联路径中，发动机的机械能通过发电机转化为电能，电能部分流向电池或全部流向驱动电机；并联路径中，发动机通过机械结构与传动装置相连，其机械能可直接传输给传动装置，剩余的能量可通过发电机转化为电能储存在电池中。该系统运行模式多，但是组成更复杂，控制难度更高。

图3 混联式系统

2 电传动工程机械的发展趋势

传统工程机械的主要传动形式分为机械传动、液力传动、液压传动以及混合传动。但是这些传动方式会受到材料技术、制作工艺等方面的限制，并且燃油消耗会对环境造成污染，因此，为了解决这些问题，电传动工程机械就应运而生。国内外各大企业和高校早已开始对电传动工程机械的研究。

国外对于电传动技术的研究可以追溯到100多年前，该技术最早被应用在装甲车和坦克上。电传动技术在装甲车辆上的应用给了工程机械领域很大的启发，于是该技术慢慢被应用到了工程机械中。

在2003年，日本的日立建机公司生产了首台采用电传动系统的装载机，这也是电传动技术首次被应用到工程机械中。2004年，小松公司也开发出电传动挖掘机的样机，该机采用的是混合动力电传动技术。卡特彼勒公司于2008年生产出世界首台电传动履带推土机，型号为D7E。该推土机由一台CatC9.3柴油机给一台永磁同步交流发电机提供动力，发电机产生的电能通过逆变器给两台交流感应电动机提供电能，最后通过电动机将电能转化为机械能。D7E型推土机可以有效地节约燃料，减少废气排放，并提高工作效率。2010年，卡特彼勒的966K XE型电传动轮式装载机出现在德国慕尼黑展会上；2014年，新型电传动轮式装载机ZW200HYB-5B的节能效率高达26%，同时，还可以制动回收能量。2015年，别拉斯推出BELAZ78250型电传动轮式装载机，该机配备一台交流发电机和四台牵引电机，可实现四轮独立驱动，改善了发动机的运转工况，也在一定程度上降低了油耗。

近些年，随着技术的不断更新和发展，各大企业也开始不断推出纯电驱动的工程机械。2019年，卡特彼勒推出首款纯电驱动锂电池装载机Cat906，该装载机不再使用发动机作为动力源，而是使用高能量密度的锂电池配合专用电机来驱动机器。同年，卡特彼勒的Cat D6 XE推土机在慕尼黑Bauma展上亮相，与前代机型相比，该推土机的工作效率得到了有效的提升。2020年，荷兰BAM公司建造了世界第一台纯电驱动压路机，与采用柴油发动的相同规格机型相比，该压路机每小时可以节省7 L的燃料。Case CE公司的电驱动反铲装载机580 EV，采用电池供电，减轻了噪声问题，且不存在废气排放，可以在人口密集的城市环境中工作。沃尔沃公司生产的ECR25紧凑型挖掘机，采用直线电机来驱动机械臂，完全摒弃了液压系统，效率比传统机型提高了10倍，真正实现了零排放。

相比于国外，国内对于电传动技术的研究起步较晚，技术也不够成熟。但是随着国内一些企业和高校的不断努力，我国在电传动工程机械方面也取得了不错的成果。

2007年，詹阳重工推出JYL621H型混合动力挖掘机，该机最先将电传动技术应用于工程机械领域，具有节能、低排放、智能化以及低噪声等许多优点。2010年，柳工推出的CLG862-HYBRID型电传动装载机，采用超级电容作为主要的辅助能源，比传统机型省油至少10.5%。同年，徐工研发的ZL50GS型电传动装载机采用发动机和燃料电池共同提供动力，同时，可以进行能量回收，回收率高达75%。2016年，上海Bauma展上推出的SWE385ES型电传动挖掘机在综合工况下相比于传统机型可以降低30%左右的油耗。

纯电驱方面，2020年，中联重科推出了国内首台纯电驱动汽车起重机ZTC250N-EV，该机最高车速可达90 km/h，最大爬坡度为50%，续航能力超过260 km，并且作业噪声低，无尾气排放，符合节能减排的标准。徐工开发的35U-E电驱动挖掘机采用锂电池供电，使用寿命长，能量密度高，作业过程中噪声小。三一重工生产了多种新能源混凝土机械，如410充电版搅拌车、412氢燃料搅拌车等，搭载高效永磁同步电驱系统、先进的电控系统，匹配车辆不同作业工况，让车辆更节能。山推生产的SD17E-X推土机采用轮边直驱系统，三种工作模式可实现动力、效率和耗能的合理匹配；配置磷酸铁锂动力电池，核心电气元件质量稳定，可靠性高；噪声小、零排放，适合排放要求高的特殊工况；与传统燃油设备相比，使用成本仅为前者的40%。

3 结论

综上所述，笔者对电传动技术进行了分析，主要从对电传动技术的概述和电传动技术在工程机械中的应用及发展趋势两方面进行详细描述。电传动技术随着科技水平的进步而不断发展。节能减排是未来全球经济发展的永恒主题和目标。工程机械作为重消耗和重污染的产品，为了实现节能减排的目标，电传动技术在工程机械领域的发展是必然的趋势。目前，电传动技术的难题是如何从燃油发动机和蓄电池的混合传动过渡到纯电驱动，这也是各企业和高校的共同奋斗目标。