2.2.4 车辆混合动力技术在工程机械领域的移植性

混合动力系统在车辆领域的应用较为成功，然而工程机械和车辆在运行工况、功能、操作等诸多方面存在显著差别。为了考察车辆混合动力技术在工程机械领域的移植性，对两者所需的混合动力系统进行了对比分析，主要区别体现于以下方面。

（1）系统负载特性

挖掘机是一种多用途的工程机械，可进行挖掘、平地、装载、破碎等多种工作，作业工况较为复杂，一般根据载荷大小分为重载、中载、轻载三种。挖掘机在工作中经常重复执行相同动作，具有较强的周期性。传统挖掘机的发动机和负载机械相连，输出功率波动剧烈，各执行机构制动、下放过程的可回收功率较多，且也呈现一定周期性。因此，与车辆较为平稳的负载特性相比，工程机械的负载具有冲击大、强时变、周期性等特点。

与挖掘机不同，车辆的发动机与负载直接通过变速箱相连，在大多数平稳行驶过程中，负载保持稳定，可通过相应的控制策略使得发动机稳定地运行在理想工作区；车辆通常在起动、制动及上下坡时，进行混合动力的状态切换；而工程机械在工作过程中，负载处于波动状态，混合动力系统各部件需要随负载变化而不停地进行调整以匹配负载。

（2）混合动力电机

首先，工程机械对混合动力电动机的性能要求较为苛刻。以20t挖掘机为例，混合动力电动机的输出功率在正负数十千瓦内剧烈变化，且运行环境恶劣，需要较高的动态响应和过载能力。

其次，工程机械和车辆所需的混合动力电动机外特性不同。混合动力车辆用电机通过发挥电机的低速大转矩特性，在车辆起动、低速时辅助发动机加速，克服发动机在低转速时输出转矩较小的特点；在车辆高速运行时，发动机的输出转矩较大，而负载转矩较小，此时电动机需要通过弱磁控制，扩大电动机的工作范围。混合动力挖掘机用电动机主要负责在挖掘机正常作业时平衡负载波动，保证发动机的工作点集中分布于高效作业区。挖掘机的发动机转速范围通常较低，因此与发动机同轴连接的混合动力电动机转速也较低，通常为1500～2000r/min，且为了保证电动机的波动平衡能力，不能采用弱磁控制降低电动机输出转矩。图2-16所示分别为车辆和工程机械所需的混合动力电机的外特性曲线，可见车辆用电动机在高速区进入恒功率模式，而工程机械用电动机需要在全转速范围内基本保持最大转矩输出能力。

再次，工程机械对混合动力电动机的结构设计和安装提出了更高的要求。混合动力挖掘机的振动频率相比车辆从3g左右增大到10g左右，同时挖掘机用混合动力电动机安装于发动机与变量泵之间，为了保证挖掘机底盘的变形不影响动力系统元件的安装，发动机、电动机和变量泵通过四个支撑点一体化地固定于底盘。以中型液压挖掘机为例，此时电动机和变量泵组合成长约1m，重约600kg的整体，需要电动机具有高强度结构和良好的散热能力。

图2-16 车辆和挖掘机的混合动力电机的外特性曲线

（3）电量储存单元

混合动力车辆在设计电量储存单元时主要考虑两方面因素，一是单次充电的续航里程尽可能长，要求电量储存单元的比能量越高越好；二是良好的加速性能，要求整车质量在同等功率下越小越好。综合考虑，混合动力车辆用电量储存单元的关键影响参数为单位质量的比能量。而混合动力挖掘机可以通过配重的合理设计忽略电量储存单元质量的增加。同时由于挖掘机工况波动剧烈，要求电量储存单元可以快速吸收负载波动，即电量储存单元具有大电流充放电能力，因此在电量储存单元的参数设计上需要考虑单位体积的比功率以及大电流工作时的散热条件。同时由于混合动力挖掘机负载具有一定周期性，作业周期约为20s，而理论上在单位作业周期内电量储存单元需要充放电2～3次，即充放电周期约为7s，对电量储存单元的使用寿命也即可充放电次数要求严格。

（4）动力协调控制

混合动力系统通过对各部件的协调控制维持电量储存单元的荷电状态（SOC）平衡并将发动机工作点优化在高效作业区。对于混合动力车辆，执行机构和工作模式均相对简单；而混合动力挖掘机执行机构多、工况复杂，且负载波动剧烈、周期性强，对控制策略的设计和实施形成较大的挑战。混合动力挖掘机控制系统的能量输入输出部件包括发动机、动力电动机、回转电动机、回收电动机、电量储存单元等，各部件的相互耦合及干扰对能量流动路径规划和管理要求严格。另外，即使实现发动机工作点的综合优化和能量的有效管理，还需考虑各个电动机、电量储存单元等在宽工作范围内的寿命、可靠性等实际应用中备受关注的问题。因此，混合动力工程机械的控制复杂度和难度均不小于混合动力车辆。

根据上述分析，可见针对车辆的特性而研究开发的混合动力系统和技术直接移植到工程机械上是不可行的。为了通过混合动力技术实现工程机械的节能减排目标，必须针对工程机械的实际作业特点，开展一系列新的研究工作，包括混合动力系统的共性关键技术、能量回收及电液控制技术、关键元器件研制技术、整机研制及测评技术等，并以相应的研究成果为基础开发出高效高性能的新型混合动力工程机械。