2.2.5 油电混合动力技术的研究进展
近年来，采用发动机和电动机进行复合驱动的油电混合动力挖掘机成为国内外的研究热点之一。目前，国外采用这一方法的主要有小松、日立建机、神钢、卡特彼勒、凯斯、早稻田大学、首尔大学、蔚山大学等，在国内有浙江大学、三一重工、中联重科、山河智能、柳工、徐工、江麓机电、吉林大学、中南大学、华侨大学等。其关键技术包括动力复合模式、参数匹配、动力系统控制、能量综合管理等方面[6]。国内外研制的样机主要如图2-17和图2-18所示。
图2-17 国外混合动力液压挖掘机样机
1.国外研究现状
国外在混合动力工程机械研发方面起步较早，而且发展较快。一些研究机构和工程机械制造商如：日本早稻田大学、卡特彼勒、小松、日立建机、住友建机、新卡特彼勒-三菱、神户制钢及沃尔沃等已对混合动力工程机械进行了不同程度的研究工作。上述大企业致力于开发具备混合动力的下一代工程机械，正是因为看到了它的远期竞争优势。近几年来，以挖掘机和装载机生产企业为代表的工程机械企业已经在混合动力新产品的研发上取得了一定的成绩。
（1）日立建机
2003年，日立建机首次开发了能够降低大量燃油消耗的并联式混合动力装载机，如图2-19所示，其采用混合动力技术后的节能原理主要就是利用能量回收系统回收装载机刹车制动时释放的大量动能。该系统主要是采用一个电动机替代原来的液压马达驱动行走机械，在加速起动时，电动机工作在电动模式下驱动行走机构，在行走机构驻车时，大量的动能通过工作在发电机模式下的电动机被回收利用储存在电池中。这种系统节省燃料最高可达40%。
图2-18 国内各油电混合动力挖掘机样机
图2-19 并联式混合动力装载机
2007年5月，比小松慢半个月左右，日立建机也研制出了20t的ZX200混合动力挖掘机。如图2-20所示，该系统采用了并联式混合动力系统，其能量回收系统分为两部分，回转制动动能回收和动臂下放势能回收，其转台采用一个电动机/发电机驱动，当转台制动时，电动机/发电机处于发电状态，当转台加速时，电动机/发电机处于电动状态。动臂势能回收采用了一个定量液压马达、发电机及相关电磁换向阀等，当动臂下放时，其动臂液压缸无杆腔的液压油驱动液压马达-发电机回收能量，动臂下降的速度靠调节发电机的速度来调节。整机的节能效果大约为20%，但动臂势能回收效果并不理想。
图2-20 日立建机ZX200混合动力挖掘机
2015年，日立建机又推出了一款混合动力挖掘机ZH200-5A如图2-21所示，动力系统采用了发动机和混合动力电动机不同轴的并联系统，而上车机构采用了电动机/发电机代替液压马达驱动，电量储存单元采用了超级电容和电池组成的复合能源，如图2-22所示。这种挖掘机可减少燃料消耗和二氧化碳排放约20%以上，4～5年可收回成本。ZH200采用五十铃AI-4HK1X发动机，功率并未降低，功率113kW，4缸5.193L排量。操作质量20.9t。
图2-21 日立建机混合动力挖掘机整机及关键元件
图2-22 日立建机混合动力挖掘机整机原理图
（2）小松
2006年，小松研制出世界上第一台混合动力电动叉车AE50。该叉车采用并联式油电混合模式，拥有两种以上不同制动原理的制动源，运行时根据情况改变动力源，其混合动力源为发动机+蓄电池+电容器的组合，与标准电动叉车相比可以节能20%。
图2-23 小松混合动力液压挖掘机PC200-8-Eo
2007年5月，小松研制成功了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型PC200-8-Eo，可节油25%[7]。如图2-23所示，该样机采用了并联式混合动力系统，发动机、电动机和变量泵同轴相连，发动机输出的能量主要用于驱动液压泵，多余或不足的部分由电动机通过发电、电动状态的切换来吸收或补充。液压系统方面的改进主要是用直流电动机驱动上车机构进行回转动作。上车回转起动时，由直流电动机驱动来起动，回转停止时利用惯性来发电，储存到电容里再利用。该机型包括后面的几款小松升级版的机型实际上也只是回转液压马达改成了电动机，其他的部分还是用液压马达。柴油机还是主要的动力源，带一个大的发电机发电，供电给回转电动机，别的部分还是用发动机带液压泵，经控制阀到液压缸和行走液压马达。发动机并没有采用电动机/发电机对波动负载进行削峰填谷。
2011年10月，在北京的BICES工程机械展上，小松推出了混合动力挖掘机HB205-1（图2-24和图2-25），此款挖掘机是PC200-8Hybrid的升级版，提供四种动力输出模式，可以安装液压破碎锤等液压附件。HB205-1配备新型0.9m3铲斗，采用了60A发电机，已实现批量生产。这种挖掘机节能效果约为20%，购机时HB205-1的实际成本只比PC200-8高53517元，HB205-1比PC200-8每小时节约3～5L柴油，因此基本工作1783h即可收回成本。
图2-24 小松混合动力挖掘机元件布局
图2-25 小松混合动力挖掘机能量转换图
2012年4月，在法国巴黎的Intermat工程机械展上，小松推出了第二代混合动力挖掘机HB215LC-1，此款挖掘机是全世界仅有的最大吨位级别的混合动力产品。HB215LC-1配备了小松先进的电动机、动力发电机、超级电容和141hp（104kW）的柴油发动机，同常规产品相比实现节能25%，并且具有较大的动力，额定功率、挖掘力和爬坡力也有所提高。2011年3月以后，有超过2500台HB215LC-1混合动力挖掘机销往世界各地。
在30t级别以上，目前只有小松推出了油电混合动力挖掘机，早在2013年，36t级的HB335/HB365-1就已经在澳洲小规模投入市场。经过试用和改进，2015年小松向中国推出了HB335/365-1M0两种机型，如图2-26和图2-27所示，其采用的混合动力柜技术方案和20t级别几乎完全一样。布置在发动机和液压泵之间的发电机/电动机改用开关磁阻（SR）电动机，SR电动机的好处是结构简单、不使用永磁体，以及耐热性好，同时发动机带动转子消耗的能量也更小。电流转换器和电容器的位置发生变化，由于功率更大，尺寸也有所增加，因此安装位置从发动机散热器位置改到工具箱的位置。主液压泵上安装有一个润滑油泵，用于给发电机/电动机进行润滑，以保证其可靠运行。
小松油电混合动力挖掘机HB365-1M0外形如图2-26所示，HB335-1M0的整机混合动力布置如图2-27所示。
图2-26 小松油电混合动力挖掘机HB365-1M0外形
（3）神钢
2006年4月，在法国巴黎的Intermat工程机械展上，纽荷兰与神户制钢联合研制推出了7t混合动力液压挖掘机样机SK70H，引起了广泛的关注，并于2007年1-5月在日本投入使用。发动机输出的动力完全用于驱动发电机发电，电能以直流电的形式储存在电池和电容当中。如图2-28所示，该系统也采用了电动机取代液压马达驱动转台的方式。在液压系统方面，动臂单元采用液压泵/马达的驱动方式，在动臂下降时，液压马达将回油的液压能转化为机械能直接用来与电动机共同驱动泵，若回收功率超出了液压泵的需求，则多余的机械能通过电动机（此时工作于发电状态）转化为电能存储在蓄能装置中，从而实现了动能和重力势能的回收。该回收方法的优点是采用液压泵/马达的驱动方式，缩短了能量回收流程，但由于液压缸的频繁换向，需要电动机频繁正反转驱动，造成能量的额外损耗，而且还会影响电动机的寿命，同时液压泵/马达的进出油流方向频繁变化需单独设置过滤设备。
图2-27 小松油电混合动力挖掘机HB335-1M0的整机混合动力系统布置
图2-28 串联式混合动力挖掘机
2011年10月，在北京的BICES工程机械展上，神户制钢发布了SK80H型混合动力挖掘机。实际上该机型是2008年夏天，完成对第一代混合动力挖掘机样机SK70H的验收评价后，神钢确定第二代样机的量产技术，并在日本国内2009年推出。目前神钢混合动力挖掘机产品已经包括了8t级的“SK80H”和20t级的“SK200H”两种机型。以SK80H为例，神钢的混合动力系统如图2-29和图2-30所示，在液压驱动系统上采用并联式混合动力系统，回转系统上采用了串联式混合动力系统，与非混合动力同一级别机型相比，洋马发动机（4TNV84T）功率为27kW/（1800r/min），发动机功率从传统机型的41kW降低了1/3，两种电动机都采用了三相交流同步型永磁电动机，混合动力电动机的功率大约为20kW，储能单元采用了镍氢电池。无负载或轻负载时所剩余的发动机输出和停止回转时的惯性动能转换成电能，并储存到电池，当重负载时，通过发电机/电动机，发动机输出补充来自电池电能的输出。利用发电机/电动机的辅助效果，可以实现发动机负载的平衡化，还可以采用小型发动机。储存到动力电池中的电能来自两个系统。其一是来自发动机输出的剩余部分，利用发电机/电动机而产生的电能，还有一个是停止回转时的惯性动能被再生转换成电能。这些电能是作为重负载时的辅助动力，被加以利用。该机型获得的优势如下。
1）跟本公司同级别非混合动力挖掘机SK70SR相比，传统机型每小时消耗柴油8.1L，通过首次采用混合动力系统、能源浪费降低到最小程度的高效率动力输出，混合动力机型每小时消耗柴油4.9L，降低燃料消耗量约40%。
2）因降低燃料消耗量，还延长加油间隔。跟同级发动机相比，相当于采用了105L的大容量油箱，通过一次加油，可以实现连续工作时间约26h。跟本公司同级别挖掘机SK70SR相比，还延长了约8h的加油间隔。
3）降低燃料消耗量归根结底就是能降低CO2排放量。还有，同时也与降低颗粒状物质（PM）和氮氧化物（NOX）的排放量有关。传统机型SK70R-2每年排出CO2达到了17t，而该机型每年只排出10.2t，降低排放20%。
4）发动机小型化的低噪声运行是混合动力系统的优势。SK80H达到了90dB（A）的噪声，大幅度超过了日本国土交通省的超静音型建设机械的标准指标。更为惊人的是其数据指标与本公司1.5t级小型挖掘机的数据相同。但是，驾驶室内部实际实现了64dB（A）的静音效果。
（4）国外其他典型产品
2008年3月，在美国拉斯维加斯的Conexpo工程机械展上，沃尔沃展出了采用混合动力技术的L220F轮式装载机。如图2-31所示，该机型重30t、功率为260kW，节油率达10%；协助发动机工作的电力系统在装载机的常规作业中不运转，电动机只在发动机工作效率最低的低转速运转时提供辅助动力；首批产品于2009年底交付使用。同样阿特拉斯ATLAS也研制出了混合动力装载机AR65，如图2-32所示，其系统直接采用了Deutz研制的混合动力驱动总成，原来51kW的内燃机被37kW内燃机和额定/峰值为15/30kW的电动机取代，其能量回收主要来源于行走机构。
图2-29 SK80H混合动力挖掘机整机布置图
图2-30 SK80H混合动力挖掘机能量转换图
卡特彼勒在2008年3月的美国拉斯维加斯的Conexpo展会上展出了世界上第一台推土机样机D7E系列27t串联混合动力，如图2-33所示。该样机系统采用串联结构，采用卡特C9发动机（175kW，Tier3发动机），驱动一个发电机产生电能，驱动两个交流电动机控制动力转向系统，发动机与发电机一起工作，没有机械变速器，用交流变速电动机驱动推土机，取代了原来的液力机械传动方式，可减少60%的机械传动部件，达到Tier4排放要求。
图2-31 L220F型油电混合动力装载机
图2-32 AR65混合动力装载机
图2-33 卡特彼勒推出的D7E系列27t串联混合动力推土机样机
2008年6月，住友建机株式会社发售了世界首创的SH200混合动力磁盘起吊式挖掘机。20tLEGEST Hybrid磁盘起吊式挖掘机主要用于处理碎钢铁作业。由于挖掘机工作时间长，用于能量回收的转台转速频率高，适合混合动力技术的采用，该挖掘机可节省燃料40%。2013年12月，住友建机株式会社开始在日本国内销售混合动力挖掘机SH200HB-6，如图2-34所示。该机型不仅油耗低，还实现了超越一般液压挖掘机的动力顺畅运作的功能。住友建机SH200HB-6混合动力挖掘机采用电动机驱动的方式，通过使用高输出/高效率的电动机，从而实现了超越一般液压挖掘机的强大动力及低油耗性能。该机型降低燃油消耗和降低排放达到15%以上。此外，还具备同级别中0.9m3超大容量的铲斗。
2009年2月，斗山重工开始研发新型混合动力挖掘机，与标准的DX225型挖掘机相比，该混合动力型挖掘机的二氧化碳排放量将减少35%，节约35%的燃料，每台挖掘机一年节省约9万人民币。
图2-34 住友建机SH200HB-6混合动力挖掘机
2009年4月，在法国巴黎的Intermat工程机械展上，美国凯斯公司展出了与日本住友公司合作研制的CX210B混合动力挖掘机，该挖掘机的转台采用电动机驱动，连接可储存电能的超级电容器。与传统的蓄电池相比，超级电容器可直接储存电能，从而达到了节能的目的。小松在该展会上宣布，在国际范围内推出PC200-8Hybrid油电混合动力型挖掘机。该款挖掘机早在2008年6月已在日本市场开始销售，采用了并联式油电混合动力，平均耗油比标准的PC200-8挖掘机低25%左右，最大油耗降低可达41%，节能降耗的效果十分明显。
2009年10月，三菱重工推出自主开发的混合动力叉车，该设备同时配备了燃油发动机和锂电池，其燃油效率比普通叉车高40%，且行驶性能优越。小松电机则在2009—2010年间推出了适用于混合动力叉车的发电机，供生产新一代叉车的子公司使用。
2009年12月，世界第一大叉车生产商丰田公司开始生产使用镍氢电池的混合动力叉车，如图2-35所示。丰田普锐斯所搭载的电池已被改良，并用在叉车上。FCHV-F项目从2004年开始，在叉车中所用的许多部件也用于FCHV轿车中，丰田公司期待其叉车用户将会受益于由于部件的通用性而带来的成本降低。
图2-35 丰田公司的混合动力叉车
在2011年3月的美国拉斯维加斯博览会上，老牌日本工程机械制造商川崎（Kawasa-ki）推出了旗下的第一款混合动力装载机65ZHybrid，如图2-36所示。该混合动力装载机采用了电容作为电量储存单元，同时采用了一种由行星齿轮、电动机/发电机构成的结构，使得能量在变量泵、发动机、电动机/发电机之间完全匹配，将浪费在液力耦合器中的能量收集起来，在工作的时候释放电能，驱动装载机工作。该系统还可以将装载机制动时的能量收集起来，在装载机工作时，作为发动机的补充动力释放出来。川崎65ZHybrid混合动力装载机可以比同级别普通装载机节省燃油35%以上。该系统的能量回收系统主要是针对行走机构制动时的制动动能。
2013年，慕尼黑宝马展上利勃海尔首推油电混合动力挖掘机概念机，R9XX。这款工作质量为40t的R9XX机型（图2-37）配备一款160kW的发动机，以及液压和电能储备模块，工作原理主要包括回转电驱动和动臂泵阀复合驱动，和其他制造商的油电混合动力一样，将挖掘机回转时的能量收集并储存在能量收集模块中，然后在工作时释放出去；另外还在其动臂位置做了特殊液压改良设计，可将大臂下降中的部分重力势能转化为液压能；并将同多余未用尽的液压能一起储存起来，供下次动臂提升使用。通常40t级别挖掘机需配备200kW的发动机来提供动力。也是在2013年的慕尼黑宝马展上，特雷克斯和道依茨一起开发的一款油电混合动力挖掘机首次亮相。这款挖掘机的核心部件，由道依茨和博世集团提供，两家公司都是德国非常著名的发动机、电子器件领域的制造商，整个研发项目也受到了德国经济技术管理署的大力支持。
图2-36 川崎65ZHybrid混合动力装载机
图2-37 利勃海尔首推油电混合动力挖掘机概念机R9XX
2.国内研究现状
国内进行混合动力工程机械研究的生产厂商和研究机构还不多。近年来，国内各工程机械生产厂商积极与高校科研机构或国外大型工程机械公司联合，在原有工程机械的基础上进行改进，在一定程度上提高了工程机械的效率，但是在新产品的研发上却投入较少。主要工程机械制造企业詹阳动力、三一重机、柳工、江麓建机和徐工等已经实质性进入了混合动力工程机械的研究与开发，并取得了一定成果。混合动力在工程机械上的技术应用已经引起了国家科技部的重视，科技部已经将“新型混合动力工程机械关键技术及系统”项目列入2009年国家高技术研究发展计划（“863”计划）先进制造技术领域的重点项目，已有多家工程机械生产厂家联合高校积极参与，首批承担混合动力工程机械863科研攻关计划的有浙江大学、柳工和江麓建机等。
国内浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室自2003年开始油电混合动力挖掘机的研究工作，在动力复合模式与参数优化、动力系统控制、电动回转及制动能量回收、动臂势能回收等关键技术方面进行了系统性的研究，并成功研制集成了整机能量管理与控制、发动机工作点动态优化、电动回转制动能量回收、动臂势能回收等技术为一体的油电混合动力挖掘机综合试验样机，详细介绍参见2.2.6小节。
2007年10月，在北京的BICES工程机械展上，与新加坡新科动力合资重组后的贵州詹阳动力重工推出了JYL621H混合动力环保型轮胎式液压挖掘机样机，开创了我国混合动力工程机械的先河。其系统采用串联式混合动力技术，实现了工作装置平稳、高效工作，可以实现20%的节能目标。
2008年11月，在上海的Bauma工程机械展上，贵州詹阳动力重工又推出了JYL020H混合动力牵引车，采用串联式混合动力技术，发动机与电能自动切换功能配置，四轮制动外加再生能量制动，可以节油20%。
2008年12月，武汉理工大学对轮式起重机UC-25进行了混合动力改造。分析了超级电容器的原理、电特性及应用关键技术，仿真验证了超级电容器的电特性。建立了轮式起重机的混合动力系统数学模型。模型显示同比条件下，采用混合动力技术轮胎起重机可节约柴油40%左右。
2009年11月，在北京的BICES工程机械展上，三一重机推出了SY215C型混合动力液压挖掘机。该机采用了油电混合动力，即在回转部分采用了电动机和液压马达共同驱动，可以回收回转制动时的能量。该液压挖掘机做复合动作时，回转部分不会与其他执行元件分争液压能，减少了能量消耗。该液压挖掘机可节能30%，效率可提高25%。
2010年8月，山河智能推出了国内首台自主研发的商品化混合动力挖掘机SWE210，该挖掘机采用并联混合动力系统，完成相同的工作量，发动机所需输出的功率大大减少，在节能的同时更降低了排放，整体节能效果在20%以上，整机回转动作时的噪声指标降低50%以上。
2010年11月，在上海的Bauma工程机械展上，柳工机械股份有限公司推出了混合动力装载机CLG862和CLG922D混合动力挖掘机。CLG862混合动力装载机利用发动机和先进的超级电容ISG电动机共同为装载机提供动力，可实现高低负载工况下的转矩合成及平均化，可以省油至少10.5%。混合动力挖掘机CLG922D应用了具有自主知识产权的新一代CAPC系统（微型计算机全功率控制系统），CAPC系统是机电液一体化的完美结合。该款挖掘机较原有机型节能20%左右。
2010年，中联重科推出了与浙江大学共同研发的具有国内自主知识产权的混合动力挖掘机ZE205E-H，在秉承中联ZE205E挖掘机整体优点的基础上，通过不同动力源的联合工作，使整体各执行元件充分发挥各自的优越性以提高能量的利用率，降低油耗，减少有害气体排放，是一款新型节能环保型挖掘机。
工程机械产品都是耗油大户，每一次生产企业在“省油”方面的技术进步，都成为产品推向市场的巨大卖点。混合动力工程机械的研发与应用需要技术的不断完善。相对于传统产品，混合动力工程机械的售价较高，其发展需要一个漫长的过程，但伴随着全球环保节能理念的深入，混合动力将成为未来行业生产的一种趋势。对于正在谋求实现从制造大国向制造强国转变的中国工程机械行业来说，无论是主机企业还是配套企业，提前把握市场未来的发展趋势，率先开展先进技术的研发是十分必要的。