电动工程机械 Electric Construction Machinery
电气施工设备 Electric Construction Equipment
挖掘机 Excavator
装载机 Wheel Loader
电动革命,工程机械电动化悄然而至
Electric Construction Equipment: The Future of Heavy Machinery
“大象”转身,工程机械电动化成效初显
用户视角下工程机械行业电动化痛点
锂电池到底给工程机械带来了什么?或将应用电动挖机?
参考论文:Development of electric construction machinery in China: a review of key technologies and future directions (发表于April 2021Journal of Zhejiang University - Science A: Applied Physics & Engineering)
在电动工程机械的发展过程中,还存在许多尚未解决的技术问题,即:(1)电气系统的结构设计;(2)功率参数匹配;(3)能量分配与回收;(4)电池管理。
直流电动机结构复杂,可靠性不理想,不适合工程机械应用。磁阻同步电机具有成本低、效率高、转矩密度大、不使用稀土材料等优点,可应用于工程机械中,但转矩脉动和径向畸变引起的噪声和振动限制了磁阻同步电机的应用。目前,异步电机和永磁同步电机被广泛应用于工程机械中。异步电机结构简单,可靠性好,成本低。由于功率密度和扭矩密度高,永磁同步电机只能在有限的空间内使用。
变频电机取代恒速电机后,消耗功率显著下降,说明选择合适的电机对降低能耗有重要意义。
图6以纯电动液压挖掘机为例,对PEDS进行了更详细的描述。主动力由电动机输出,变量泵由电动机驱动。在此过程中,产生的电能通过电动机和变量泵转化为水力能。液压挖掘机的机构由液压马达驱动,由多个柱塞泵和换向阀控制。
控制策略旨在实现良好的燃油经济性、排放、成本和驾驶性能。
与基于优化的方法相比,基于规则的方法开发简单,计算成本低。
一些工程机械,如电动叉车和电动挖掘机,通常配备了非常重的机械结构(即臂架和叉架)。机器需要提供额外的能量,以确保最重的机械结构以适当的速度下降。重型机械(有时也包括重型货物)的重力势能可以回收储存在储能装置中,储能装置通常是指液压蓄能器或超级电容器。通过这种方式,减少了浪费的能量,从而提高了效率。为了保证ERS的效率,需要进一步限制机构的下降速度。控制策略需要改进,以确保ESU和ERS之间的兼容性和回收能量的合理分配。此外,摆动系统制动过程中的能量也可由ERS保留。这种节能策略已经应用在汽车上。
目前基于液压蓄能器的能量回收技术面临的一个问题是回收能量的释放1。由于蓄能器的功率密度高,能量释放速率快,通常需要使用控制元件来控制释放的能量。常用的控制元件有控制阀、双向变量泵、平衡缸和液压变压器。
研究表明,在CM中ERS的回收效率通常在20% - 60%之间,并由ERS的系统结构和类型(即电能ERS、液压ERS和机械ERS)、回收策略、操作条件以及损失能量的大小和分布决定。
相关论文:Review of hybrid electric systems for construction machinery
混合电力驱动系统结合了不同种类的动力系统,以完成工程机械的运行需求,提高了整体性能。采用HEDS可以降低工程机械的油耗和尾气排放。目前有三种主流的HEDS类型:串联、并联和混合,如图9所示。
混合动力系统的基本原理是通过电动机和内燃机的结合来降低燃料消耗。不同动力单元之间的参数匹配对工程机械的动力性能、油耗和废气排放有显著影响。
参数匹配是HECM研究中最关键的问题之一。参数匹配策略应综合考虑外部负荷的变化,以及电力系统中各部件的特性。近年来,仿真技术已成为解决参数匹配问题最有效的方法。
混合动力工程机械的持续发展需要解决以下关键问题:
近年来,由于电池能量密度高,寿命长,逐渐取代其他能源,并应用于工程机械。但在多次充放电循环后电池会产生缺陷,使其电化学性能下降。此外,许多因素(如温度、放电深度(depth of discharge, DOD)和充放电速率)改变锂离子的传输速率和电化学反应速率,将显著影响寿命。低温冷库等极端环境可能导致严重后果(例如,当货物运输时工程机械无法启动或失去电源)。因此,需要对电池的健康状况进行监测,以确保可靠的能量供应,并及时维护,良好的环境,合理的充放电策略,以延长电池的寿命。BMS可以实现这些功能,其结构如图12所示。
电池健康状态预测(如剩余使用寿命(RUL)、健康状态(SOH)和充电状态(SOC))作为BMS最重要的功能之一,已经引起了研究人员的重视。在实践中,研究人员通常开发加速老化测试,以缩短测试周期,因为电池寿命明显受操作参数的影响。近年来,人们提出了基于模型的方法、数据驱动的方法和混合方法等多种健康状态估计算法,基于机器学习的电池性能预测算法已经变得越来越流行。长短期记忆(LSTM)神经网络、前馈神经网络、卷积神经网络等人工神经网络已广泛应用于电池运行状态预测。
目前,工程机械电池预测还存在许多问题:
TMS可以建立一个适当的环境,以保持电池的最高性能,无论在哪里操作工程机械。与汽车相比,工程机械更可能用于高温或极冷的环境。在没有TMS的情况下,电池尤其会受到异常温度的影响。TMS可分为气基法、液基法、料基法和熔合法四种,TMS也可分为被动和主动两种。
TMS的方案会受到许多因素的影响,如电池的形状(圆柱形,棱柱形,椭圆形)和工程机械的结构。
电动工程机械市场在政策驱动下爆发,相对于传统燃油工程机械,电动工程机械的经济性是通过使用过程体现的。由于电池价格较高,导致电动工程机械造价偏贵,价格上相对传统汽车仍不具备优势,但是在运营过程中,使用电能的成本远小于使用燃油,经济性在频繁使用中被不断放大,使用期内综合总成本,电动工程机械反而具有优势。
运营端成本节约是电动工程机械真正能够替代传统燃油工程机械的主要经济因素。通过测算当前电动工程机械在使用端成本较燃油工程机械有较大优势,节约的成本完全可以覆盖购置端成本。
工程机械实现电动化的困难:续航时间短,频繁充电影响作业进度;电池自然衰退不可避免,温度环境和使用方式影响电池性能;工程机械电动化配套设施和服务滞后。
Tong ZM, Wu SS, Tong SG, et al., 2020c. Energy-saving technologies for construction machinery: a review of electro-hydraulic pump-valve coordinated system. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering), 21(5):331-349. https://doi.org/10.1631/jzus.A2000094 ↩︎