1.3 电动挖掘机简介

1.3.1 电动挖掘机的定义

目前，对电动挖掘机并没有国际标准进行定义，参考电动汽车行业的定义，可定义电动挖掘机为：以车载电源、蓄电池为动力，用电动机驱动液压系统或行走系统的挖掘机。

挖掘机的执行器包括了动臂、斗杆、铲斗等直线运动执行器和回转马达、行走马达等旋转运动执行器。

对于直线运动执行器，电动挖掘机具有多种驱动模式：

1）蓄电池-电动缸：采用电动缸技术，无液压传递损失，能耗较低。

2）蓄电池-电机泵-阀-液压缸：保留了传统的阀控技术。

3）蓄电池-电机泵-液压缸：基于电传动后，新型电液控制节能技术，进一步降低液压系统的能耗。

对于旋转运动执行器，电动挖掘机也具有多种驱动模式：

1）蓄电池-电动机-减速器：类似新能源汽车，直接电传动，无液压系统损失。

2）蓄电池-电机泵-阀-液压马达-减速器：保留了传统的阀控技术。

3）蓄电池-电机泵-液压马达-减速器：采用了泵控马达技术，液压系统能耗较低。

液压挖掘机电动化后，各执行器的驱动可以采用上面几种途径的组合。

1.3.2 电动挖掘机的优势

如图1-22所示，与传统内燃发动机驱动或混合动力驱动相比，电驱动是一种真正意义上的零排放驱动系统。工程机械采用电驱动技术具有以下特点。

（1）零排放、零污染、切断传统工程机械对石油的依赖

电动工程机械在行驶及工作过程中没有废气及有害气体排放，对环境保护具有重大意义。电动工程机械的电能可从多种途径获得，如：太阳能、地热能、生物能、潮汐能、水能、核能等，有的为可再生能源，彻底切断对石油的依赖。

（2）效率更高

内燃机效率低，仅有30%燃料燃烧释放的能量转化为有效的机械功，其余70%的能量转换为热量而耗散。而电动机的效率为80%~97%，电驱动系统能量利用率可以达到90%，比内燃发动机驱动系统更加高效节能。电传动技术在传统的固定机械场合具有各种液压节能技术，为将电传动技术应用于工程机械奠定了很好的基础。此外，可以通过进一步优化电液控制技术，降低能耗。

（3）成本收回时间短

随着油价的上涨，用户逐渐越来越容易接受使用成本较低的产品。以8t级发动机驱动液压挖掘机为例，每小时耗油约为10L，按每升柴油7元计算，每小时需要70元；采用电驱动系统后，可以充分发挥电动机在大范围内具有较高工作效率的特点，每小时大约耗电10kW·h，每kW·h按1元计算，则电动挖掘机每小时耗费10元。由此可以看出，电动工程机械大约为传统工程机械耗费的七分之一。8t挖掘机电动化成本大概在10万~15万元，用户基本可在2000~3000h或1~2年即可收回成本。

（4）低噪声

电驱动系统采用变转速电动机代替内燃发动机驱动定量液压泵，相对于内燃发动机，电动机具有优良的调速特性和较宽的调速范围，动力部分引起的噪声和振动，即使是在额定工作转速点，电驱动系统能都将噪声控制在60dB以下，而目前液压挖掘机的最低噪声是71dB；特别是在加速时，电动工程机械的噪声和振动要比传统工程机械低得多。

（5）智能化程度高

电动工程机械的机电一体化程度更高，电动工程机械更利于采用先进的电子信息技术，例如可以借鉴电动汽车的智能化发展，工程机械的智能化可以实现单机集成智能化控制（无人操作技术）、智能数据管理（监控、检测、预报、远程故障诊断与维护等）、基于大数据网络的机群集成控制与智能化管理等，提高工程机械的智能化程度。

（6）安全性更高

电动工程机械在一些特殊应用场合更具优势。比如，在有易燃易爆气体的场所作业时，燃油型工程机械有引爆的隐患；在海拔较高或空气流通不畅的场合，燃油型工程机械容易燃烧不良，导致内燃发动机的工作效率低，出现使用寿命大大缩短的风险。

1.3.3 电动挖掘机的类型

如图1-23所示，电动挖掘机按供电方式可以分为蓄电池供电型、电源拖车供电型、电缆供电型和蓄电池电缆复合供电型四种类型。

1）蓄电池供电型：蓄电池、电动机、电控等三电系统均布置在整机上，三电系统是整机的核心部件，蓄电池的容量决定了整机的作业时间和成本。同时蓄电池需要定期充电，因此适用于轮式挖掘机。目前，动力总成功率小于30kW的迷你挖掘机，其工作电压一般在DC 300~400V之间，小型以上的挖掘机一般采用DC 450~710V的工作电压，甚至更高的电压等级。

2）电源拖车供电型：整机的布置和电缆供电型类似，但把蓄电池通过一个单独的装置布置，代替电网对整机进行供电，解决了电网供电的盲区问题。采用移动电源车供电的方法可解决工程机械取电难的问题，通过提升电源车的蓄电池容量可提高工程机械的工作时间以降低整机成本，但在工作过程中需要拖曳电池车移动，限制了工程机械的行走便捷性。该方案更侧重于电池车租赁模式，或作为应急供电备用方案。采用电源拖车供电型并不能从根本上解决工程机械的供电问题。

3）电缆供电型：采用电网直接供电，作业时间不受影响，但是由于液压挖掘机上车机构需要360°旋转，电网供电装置需要特殊设计，以保证挖掘机做旋转运动时不会对电缆产生影响。电网供电可节省蓄电池成本，但工作范围受到一定的限制，适合在取电方便的区域工作，且由于电缆的限制，工作的灵活度大幅降低。

4）蓄电池电缆复合供电型：整机既可以通过电缆供电也可以通过蓄电池供电。蓄电池的容量可以根据用户的实际工作需求来选配。该方案特别适用于履带式液压挖掘机。

对于上述四种供电类型的电动挖掘机，性能各有利弊，根据使用环境的不同可以选择不同的供电方式。可从以下几方面对其性能进行比较和评估。

1）经济性：从制造、维护和成本考虑。

2）能量密度：从续航能力考虑。

3）安全性：从系统安全角度考虑。

4）工作灵活性：主要从液压挖掘机的取电方式考虑。

5）寿命：主要考虑相关结构元件的寿命，如电池寿命等。

在经济性方面，由于动力蓄电池成本较高，且在充电放电过程中，电能-化学能-电能能量转换环节过多，能量转换效率较低，在用电方面能耗较高。电网取电成本较低且能量转换环节少，因此电缆供电型挖掘机在经济性方面优于蓄电池电缆复合供电型、蓄电池供电型和电源拖车供电型。

能量密度和功率密度方面，由于动力蓄电池发展水平限制，能量密度有限，且续航时长有限，遇到大负载时爆发力不足。而电缆供电型挖掘机从电网取电，具有无可比拟的能量密度和功率密度，续航能力理论上没有上限。因此蓄电池供电型挖掘机和电源拖车供电型挖掘机的功率密度和能量密度都不如电缆供电型挖掘机和复合供电型挖掘机。

安全性方面，动力蓄电池在挖掘机恶劣的工况下容易发生损坏甚至爆炸，电缆供电具有较好的安全性。因此在安全性方面电缆型供电最好，复合型安全性较好，电源拖车型供电由于有外壳保护安全性好于蓄电池型。

从使用寿命方面考虑，动力电池的使用寿命有限，另外由于挖掘机振动等影响，蓄电池供电型挖掘机的蓄电池寿命还要短于电源拖车上的蓄电池寿命，但是电缆供电的结构简单、结实耐用，具有良好的使用寿命。因此在寿命性方面，电缆型和复合供电型最好，电源拖车型次之，蓄电池型最差。

但是从工作灵活性方面考虑，因受电缆长度的限制，电缆型挖掘机只能在一定范围内工作，蓄电池型挖掘机和电源拖车型挖掘机则不受此限制，因此，工作灵活性方面，蓄电池型、电源拖车型和复合型供电方式具有较大优势。

综上所述，电动挖掘机四种供电方案的综合性能见表1-6，四者进行对比，都存在优点和缺点，选择供电方案时可以根据所设计产品的实际工况和用户需求进行选择。