如何为电动化非公路设备优化液压系统 | 丹佛斯谈四个阶段中的六种方案

在今年的消费类电子产品展览会（CES）上，有几个不寻常的名字：卡特彼勒、斗山、约翰迪尔、久保田和现代。卡特彼勒的展台以电动化为主题，而斗山则展示了其全电动山猫滑移装载机。

如此高调的展示以及越来越频繁地推出电动化设备，可能会让一些人认为电动化非公路机械行业已经成熟。现实情况是，绝大多数开发电动机械的OEM仅处于电动化进程的第一阶段。许多OEM对电动化的内容和方式存在疑问；他们不知道自己需要了解什么，应该关注什么，以及如何才能达到与参加 CES 的同行相同的水平。本文就是为这些OEM而写的。

我们将探讨电动化进程的各个阶段、为什么液压系统优化是电动化进程的关键部分，以及提高开式液压系统效率的决定因素。

电动化历程

机器电动化是一个复杂的过程，可简化为四个阶段。从一个阶段推进到下一个阶段会提高机器效率，但同时也会增加复杂性、成本和风险。

第1阶段：它是电动的

大多数OEM通过用电动机和电池取代内燃机来开始电动化之旅。与该电机相连的是具有固定或可变排量控制的液压泵。液压系统和控制算法几乎没有变化。

第2阶段：优化液压系统

OEM可以在第一阶段停下来，等待电池价格下降——这对于低成本平台来说可能是有意义的。虽然电池成本正在下降，但价格仍然是公路设备用的电池成本的数倍，这是由非公路设备使用所需的包装和坚固性驱动的。

另一种选择是优化设备的液压系统，以在不增加电池成本的情况下延长机器运行时间。这是电动化进程的第二阶段。优化的途径包括对液压架构和技术的改变，如自重下放、负载口独立控制和分区系统，这些技术的重点是消除液压系统的低效率。

第3阶段：能量回收

在电动化进程的第三阶段，我们引入了能量回收，它可以捕获并存储可回收的能量，从而进一步延长机器的运行时间。此阶段的复杂性可能会发生阶跃性变化，具体取决于应用。在通常一次使用一种功能运行的机器（例如臂式升降机）中，能量回收最容易。在进行多功能操作的机器中，例如伸缩臂叉装车、轮式装载机和挖掘机，在捕获能量的同时使过程平稳且操作员难以察觉的复杂性要大得多。

第4阶段：全电动

电动化进程的第四阶段是过渡到全电动系统，即不使用或大幅减少液压系统。全电动机器的优点是效率最高、运行更安静、部件更少、维护更少。

目前，这一阶段的电动化是可行的，对于需要较低驱动功率的更紧凑、更轻型的应用是有意义的。对于较大型、较高功率的机械设备来说，这一阶段的可行性目前还很有限，功率密集型液压系统通常是最佳解决方案。

电动化进程并不普遍；它在很大程度上取决于应用和OEM。某些平台将止步于第二或第三阶段，而其他平台则更有利于第四阶段电动化。整个行业在很大程度上仍处于第一阶段。即使是在机器电动化方面处于领先地位的OEM也才刚刚开始考虑第二阶段，但这一进程将会迅速加快。

液压系统为何效率低下

如今，液压系统运行良好。然而，OEM往往并不重视效率。例如，典型的液压挖掘机会浪费高达70%的发动机输出功率。在传统结构中，一个泵将流量输送到一个控制阀，再由控制阀将流量分配到机器上的不同作动器。虽然这种结构运行良好，并能提供良好的机器手感，但其本身效率低下，因为泵以最高压力服务所需的相同压力提供所有服务。例如，挖掘时，挖掘机臂可能需要250bar的压力，而动臂需要140bar，铲斗只需要100bar。泵以250bar的压力提供所有服务，而控制阀则将动臂和铲斗的压力调低，从而在阀芯上消耗能量并产生热量。这就是所谓的节流损失或流量分配损失。

系统中的其他损耗包括用于控制机器超速或下降功能的出口节流输出损耗。此外还有泵送损耗，这与将原动机动力转换为液压流体流量有关。控制阀效率低下会增加上游压力，从而导致整个液压系统的损耗增大。通过提高阀的效率，可以提高包括泵在内的整个系统的效率。这是电动化进程第二阶段的重点，也是提高大型机器电动化可行性的关键一步。

如何提高液压效率

要提高液压系统的效率，可以采取多种措施，从考虑不同的结构到采用先进技术。不过，首先需要改变思维方式。当今大多数机器控制系统都是线性的，这意味着它们对输入和操作条件是反应性的。操作员移动操纵杆，向控制器发送信号。控制器向阀发出指令，阀向泵发送信息，泵要求发动机提供扭矩。这可能导致在选择部件时各自为政，对功能和性能协同作用的关注有限。

电动化以及自动控制和智能控制等趋势要求更多的集成解决方案。为了实现高效和正确的运行，组件之间需要更多的智能和通信，这就使得选择能够很好地协同工作的组件至关重要。将阀、泵和电机结合在一起的集成系统可以最大限度地提高性能和效率。供应商了解其产品在哪些方面运行效率最高，并能生成控制算法，以便在这些峰值点运行。归根结底，许多效率优化措施不仅仅是更换一个元件。

再生和自重下放

优化的第一个方面是再生，即重新利用系统中已有的流量和压力。动臂自重下放就是最好的例子。如今的平台（如伸缩臂）需要泵将流量输送到油缸的杆侧，以打开平衡阀来降低动臂。电子平衡阀可提供直接的负载保持控制，并能将无杆腔的流量循环回有杆腔，无需额外的泵流量。这样可以节省能源，减轻传统平衡阀在稳定性方面的许多挑战，并满足负载控制要求。

负载口独立控制

使用传统节流阀时，单个操纵杆/阀芯可同时控制加速和制动功能。在汽车中，这就好比在下坡时一边踩油门一边制动，而在爬坡时则要加大油门但仍要制动。对于独立控制阀，每个工作端口都可以独立运行，从而可以更高效、更好地控制在被动和超限状态之间转换的服务。回到我们对汽车的比喻，独立控制阀的运行方式更像传统汽车，只在需要时制动或加速。这就提高了能源效率，并释放出功率来执行其他功能。

可变压差控制

需要额外的泵压，通常称为负载敏感压差，以推动流量通过阀和软管流向各种机器执行器中。在传统系统中，压差是固定的。然而，实现所需流量所需的实际压力是可变的，取决于流量需求和其他因素。如果泵提供的压差为20bar，而实现所需流量只需要11bar，这就会浪费能源。

电子负载敏感或可变压差控制可使泵动态调整提供的压差压力。这些技术可根据回路中的流量需求调整泵的压力。虽然这可能只是偶尔降低5到9bar，但在长时间管理大流量时，效率会大大提高。

能量回收

能量回收或能量再生是指利用系统中现有的剩余能量反向驱动电机，为电池充电。这是电动化进程的第三阶段，但重要的是要区分再生和能量回收，因为这两个术语有时被当作同义词使用。如今，在单电机/单执行器应用中很容易实现能量回收。事实上，剪叉式升降机通过使用这种技术已经证明可以显著节约能源。

对于多功能机器而言，能量回收则更具挑战性。虽然有可能实现，但由于其复杂性、成本和对操作感的潜在影响，实施的例子并不多。由于这些原因，许多OEM认为再生技术具有更大的优势，目前也更加关注再生技术。

替代结构

采用分布式系统、多泵系统和流量合流系统等替代结构可大大提高效率。

在分布式和多泵系统中，中央控制阀通常被取消，转而采用分布式控制（即每个执行器都有一个阀）。这样可以改进控制，提高再生/再循环的效率，并提供负载保持/软管爆裂缓解功能，而不会出现传统的平衡效率低下的问题。此外，分布式阀布置还可将流体输送管路的数量减少到两条：一条是泵供油管路，另一条是回油管路。这样就可以使用更大的软管，通过减少软管摩擦损失来提高效率。

分布式架构通常使用单个电机和泵，而多泵架构则为每个执行器配备一个泵和电机。多泵架构可进一步减少执行器间共享单泵流量造成的节流损失，并在不影响其他执行器的情况下实现能量回收。但需要权衡的是，执行器之间不能共享功率，而且每个泵/电机的尺寸必须满足全功能性能的要求。这将增加系统硬件能力、成本和体积。

最后，流量合流是多泵结构的一种变体，它保留了中央控制阀，以提供可选择的流量共享。这种结构具有多泵结构的许多优点，并能在使用较高流量/功率功能时合并流量。它可支持多个电机和泵，或具有独立可控出口的数字排量泵。

操作效率

除了液压系统效率之外，还有其他提高机器效率的方法。通过实现某些功能的自动化，可以提高总体运行效率。操作员可能需要数年时间才能掌握重型机器的控制。新操作员可能会更频繁地按下末端止动器，这将导致流量溢出溢流阀并产生热量。通过为操作员提供自动化功能，使他们能够立即利用最佳实践，不仅能提高他们的工作效率，还能提高整个系统的效率。例如，操作员可以按一个按钮，让铲斗每次都落到正确的位置，而不是看着机器的铲斗落下，以确保铲斗不会碰到地面。与此同时，操作员可以专注于周围的环境或将机器开到其他地方。

现在、下一步、未来

简而言之，电动化设备的液压优化不仅仅是选择更高效的元件。正因为如此，才会有经过验证的系统解决方案可用于机器集成，而OEM也将从中获得更多价值。液压技术的未来是为电动化进程的每个阶段提供针对特定应用的优化解决方案。

现在需要牢记的是，非公路电动化还处于早期阶段。没有灵丹妙药，但技术将以越来越快的速度发展和进步。上个世纪，我们经历了从纯机械控制到手动液压，再到模拟和数字电子液压的过程。电动化是机器变革的下一步，尽管看起来会有所不同，但液压技术将继续在非公路设备中发挥重要作用。