1.3 電動挖掘機簡介

1.3.1 電動挖掘機的定義

目前，對電動挖掘機并沒有國際標準進行定義，參考電動汽車行業(yè)的定義，可定義電動挖掘機為：以車載電源、蓄電池為動力，用電動機驅動液壓系統(tǒng)或行走系統(tǒng)的挖掘機。

挖掘機的執(zhí)行器包括了動臂、斗桿、鏟斗等直線運動執(zhí)行器和回轉馬達、行走馬達等旋轉運動執(zhí)行器。

對于直線運動執(zhí)行器，電動挖掘機具有多種驅動模式：

1）蓄電池-電動缸：采用電動缸技術，無液壓傳遞損失，能耗較低。

2）蓄電池-電機泵-閥-液壓缸：保留了傳統(tǒng)的閥控技術。

3）蓄電池-電機泵-液壓缸：基于電傳動后，新型電液控制節(jié)能技術，進一步降低液壓系統(tǒng)的能耗。

對于旋轉運動執(zhí)行器，電動挖掘機也具有多種驅動模式：

1）蓄電池-電動機-減速器：類似新能源汽車，直接電傳動，無液壓系統(tǒng)損失。

2）蓄電池-電機泵-閥-液壓馬達-減速器：保留了傳統(tǒng)的閥控技術。

3）蓄電池-電機泵-液壓馬達-減速器：采用了泵控馬達技術，液壓系統(tǒng)能耗較低。

液壓挖掘機電動化后，各執(zhí)行器的驅動可以采用上面幾種途徑的組合。

1.3.2 電動挖掘機的優(yōu)勢

如圖1-22所示，與傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機驅動或混合動力驅動相比，電驅動是一種真正意義上的零排放驅動系統(tǒng)。工程機械采用電驅動技術具有以下特點。

（1）零排放、零污染、切斷傳統(tǒng)工程機械對石油的依賴

電動工程機械在行駛及工作過程中沒有廢氣及有害氣體排放，對環(huán)境保護具有重大意義。電動工程機械的電能可從多種途徑獲得，如：太陽能、地熱能、生物能、潮汐能、水能、核能等，有的為可再生能源，徹底切斷對石油的依賴。

（2）效率更高

內(nèi)燃機效率低，僅有30%燃料燃燒釋放的能量轉化為有效的機械功，其余70%的能量轉換為熱量而耗散。而電動機的效率為80%~97%，電驅動系統(tǒng)能量利用率可以達到90%，比內(nèi)燃發(fā)動機驅動系統(tǒng)更加高效節(jié)能。電傳動技術在傳統(tǒng)的固定機械場合具有各種液壓節(jié)能技術，為將電傳動技術應用于工程機械奠定了很好的基礎。此外，可以通過進一步優(yōu)化電液控制技術，降低能耗。

（3）成本收回時間短

隨著油價的上漲，用戶逐漸越來越容易接受使用成本較低的產(chǎn)品。以8t級發(fā)動機驅動液壓挖掘機為例，每小時耗油約為10L，按每升柴油7元計算，每小時需要70元；采用電驅動系統(tǒng)后，可以充分發(fā)揮電動機在大范圍內(nèi)具有較高工作效率的特點，每小時大約耗電10kW·h，每kW·h按1元計算，則電動挖掘機每小時耗費10元。由此可以看出，電動工程機械大約為傳統(tǒng)工程機械耗費的七分之一。8t挖掘機電動化成本大概在10萬~15萬元，用戶基本可在2000~3000h或1~2年即可收回成本。

（4）低噪聲

電驅動系統(tǒng)采用變轉速電動機代替內(nèi)燃發(fā)動機驅動定量液壓泵，相對于內(nèi)燃發(fā)動機，電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性和較寬的調(diào)速范圍，動力部分引起的噪聲和振動，即使是在額定工作轉速點，電驅動系統(tǒng)能都將噪聲控制在60dB以下，而目前液壓挖掘機的最低噪聲是71dB；特別是在加速時，電動工程機械的噪聲和振動要比傳統(tǒng)工程機械低得多。

（5）智能化程度高

電動工程機械的機電一體化程度更高，電動工程機械更利于采用先進的電子信息技術，例如可以借鑒電動汽車的智能化發(fā)展，工程機械的智能化可以實現(xiàn)單機集成智能化控制（無人操作技術）、智能數(shù)據(jù)管理（監(jiān)控、檢測、預報、遠程故障診斷與維護等）、基于大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的機群集成控制與智能化管理等，提高工程機械的智能化程度。

（6）安全性更高

電動工程機械在一些特殊應用場合更具優(yōu)勢。比如，在有易燃易爆氣體的場所作業(yè)時，燃油型工程機械有引爆的隱患；在海拔較高或空氣流通不暢的場合，燃油型工程機械容易燃燒不良，導致內(nèi)燃發(fā)動機的工作效率低，出現(xiàn)使用壽命大大縮短的風險。

1.3.3 電動挖掘機的類型

如圖1-23所示，電動挖掘機按供電方式可以分為蓄電池供電型、電源拖車供電型、電纜供電型和蓄電池電纜復合供電型四種類型。

1）蓄電池供電型：蓄電池、電動機、電控等三電系統(tǒng)均布置在整機上，三電系統(tǒng)是整機的核心部件，蓄電池的容量決定了整機的作業(yè)時間和成本。同時蓄電池需要定期充電，因此適用于輪式挖掘機。目前，動力總成功率小于30kW的迷你挖掘機，其工作電壓一般在DC 300~400V之間，小型以上的挖掘機一般采用DC 450~710V的工作電壓，甚至更高的電壓等級。

2）電源拖車供電型：整機的布置和電纜供電型類似，但把蓄電池通過一個單獨的裝置布置，代替電網(wǎng)對整機進行供電，解決了電網(wǎng)供電的盲區(qū)問題。采用移動電源車供電的方法可解決工程機械取電難的問題，通過提升電源車的蓄電池容量可提高工程機械的工作時間以降低整機成本，但在工作過程中需要拖曳電池車移動，限制了工程機械的行走便捷性。該方案更側重于電池車租賃模式，或作為應急供電備用方案。采用電源拖車供電型并不能從根本上解決工程機械的供電問題。

3）電纜供電型：采用電網(wǎng)直接供電，作業(yè)時間不受影響，但是由于液壓挖掘機上車機構需要360°旋轉，電網(wǎng)供電裝置需要特殊設計，以保證挖掘機做旋轉運動時不會對電纜產(chǎn)生影響。電網(wǎng)供電可節(jié)省蓄電池成本，但工作范圍受到一定的限制，適合在取電方便的區(qū)域工作，且由于電纜的限制，工作的靈活度大幅降低。

4）蓄電池電纜復合供電型：整機既可以通過電纜供電也可以通過蓄電池供電。蓄電池的容量可以根據(jù)用戶的實際工作需求來選配。該方案特別適用于履帶式液壓挖掘機。

對于上述四種供電類型的電動挖掘機，性能各有利弊，根據(jù)使用環(huán)境的不同可以選擇不同的供電方式。可從以下幾方面對其性能進行比較和評估。

1）經(jīng)濟性：從制造、維護和成本考慮。

2）能量密度：從續(xù)航能力考慮。

3）安全性：從系統(tǒng)安全角度考慮。

4）工作靈活性：主要從液壓挖掘機的取電方式考慮。

5）壽命：主要考慮相關結構元件的壽命，如電池壽命等。

在經(jīng)濟性方面，由于動力蓄電池成本較高，且在充電放電過程中，電能-化學能-電能能量轉換環(huán)節(jié)過多，能量轉換效率較低，在用電方面能耗較高。電網(wǎng)取電成本較低且能量轉換環(huán)節(jié)少，因此電纜供電型挖掘機在經(jīng)濟性方面優(yōu)于蓄電池電纜復合供電型、蓄電池供電型和電源拖車供電型。

能量密度和功率密度方面，由于動力蓄電池發(fā)展水平限制，能量密度有限，且續(xù)航時長有限，遇到大負載時爆發(fā)力不足。而電纜供電型挖掘機從電網(wǎng)取電，具有無可比擬的能量密度和功率密度，續(xù)航能力理論上沒有上限。因此蓄電池供電型挖掘機和電源拖車供電型挖掘機的功率密度和能量密度都不如電纜供電型挖掘機和復合供電型挖掘機。

安全性方面，動力蓄電池在挖掘機惡劣的工況下容易發(fā)生損壞甚至爆炸，電纜供電具有較好的安全性。因此在安全性方面電纜型供電最好，復合型安全性較好，電源拖車型供電由于有外殼保護安全性好于蓄電池型。

從使用壽命方面考慮，動力電池的使用壽命有限，另外由于挖掘機振動等影響，蓄電池供電型挖掘機的蓄電池壽命還要短于電源拖車上的蓄電池壽命，但是電纜供電的結構簡單、結實耐用，具有良好的使用壽命。因此在壽命性方面，電纜型和復合供電型最好，電源拖車型次之，蓄電池型最差。

但是從工作靈活性方面考慮，因受電纜長度的限制，電纜型挖掘機只能在一定范圍內(nèi)工作，蓄電池型挖掘機和電源拖車型挖掘機則不受此限制，因此，工作靈活性方面，蓄電池型、電源拖車型和復合型供電方式具有較大優(yōu)勢。

綜上所述，電動挖掘機四種供電方案的綜合性能見表1-6，四者進行對比，都存在優(yōu)點和缺點，選擇供電方案時可以根據(jù)所設計產(chǎn)品的實際工況和用戶需求進行選擇。