非道路移动机械混合动力和电动技术转型的挑战与探索

非公路设备应用领域如何从柴油动力转向其他的动力来源呢？

配置行走动力驱动产品的非公路车辆的增强图像

原始设备制造商 (OEM) 为其重型非公路设备提供动力有多种选择：柴油、汽油、电动化、替代燃料和混合动力配置。转向电动或混合动力移动设备的驱动因素是什么？哪些因素会影响功率选择决策？

行业顾问罗兰贝格高级合伙人Wilfried Aulbur博士表示：“非公路领域将需要针对不同应用对象采用不同的技术。大多数紧凑型设备，如小型挖掘机，都是电池电动设备的良好应用对象，因为在它们的工况中需要较小的功率密度变化。另一方面，混合动力技术更适合更大的重型应用，因为混合动力配置可以提供显著的运营成本优势以及性能稳定性，一些原始设备制造商声称可以降低燃料消耗超过25%。”

目标：减排和实现可持续发展目标

众所周知，气候变化和减少排放的全球目标是放弃使用化石燃料的原因。一些原始设备制造商放弃柴油的其他原因具体包括最终用户或客户的需求以及满足环境社会和治理 (ESG) 可持续发展目标，这些目标超出了环境管理的范围。可以理解，环境问题是主要驱动因素，OEM 的目标是为最终用户提供他们想要的东西。

“许多公用事业公司已经设定了到2030年实现100%电动化车辆的目标。帮助我们的客户实现他们的可持续发展目标一直是并且继续是特雷克斯公用事业公司的首要任务，”特雷克斯公用事业公司营销和产品管理总监Joe Caywood说。随着特雷克斯客户需求的变化，公司将进行转变和研究以满足他们的需求。

特雷克斯全电动随车高空作业车

“客户需求是多种因素的产物，是混合动力和电动设备趋势背后的驱动力，”Genie 产品经理Zach Gilmor说。“监管要求显然是推动电动化的因素之一。随着法规对噪音和排放的限制，对高效、清洁、安静的工地设备的需求正在增加。除此之外，混合动力和电动设备还可以帮助公司实现其ESG可持续发展目标。”

满足排放法规和客户需求所需的技术和设备创新需要研究和投资。这是艾里逊变速箱团队的首要任务。

“未来几年，非公路行业的OEM在开始评估电动汽车能力时将寻求推进解决方案制造商，”艾里逊变速箱全球非公路、客户支持和服务工程执行总监 Kartik Ramanan 说。“艾里逊致力于在推动全球市场的可持续发展和环境倡议方面发挥领导作用。艾里逊已进行了大约 3.5 亿美元的直接投资，以推进电气化推进技术。”

根据Caywood的说法，特雷克斯也一直在进行这项投资。“15 多年来，我们一直在投资绿色解决方案。每次推出时，它都是采用当时可用技术的正确解决方案。”

虽然全电动设备是许多最终用户和OEM的目标，但存在阻碍某些移动设备过渡的挑战。

电动化的挑战

内燃机 (ICE) 乘用车向电动汽车的转型进展顺利。然而，生产重型移动车辆的OEM在尝试实现100%电动化时面临挑战。其中有：

技术限制

功率需求和对电动化的预期

充电基础设施

更高的成本

Roland Berger的负责人Giovanni Schelfi表示，电池电动设备（例如挖掘机）的最大限制因素是电池成本和施工现场的充电可用性。“此外，需要对电池技术和充电技术进行重大改进才能使使用变得可行，例如通过夜间充电，”Schelfi说。

根据Gilmor的说法，对电动化采取整体方法可以帮助OEM避免一些挑战。“我们不仅考虑了电源，还考虑了机器的整个设计，以利用电动化的优势并提高效率，提高工地性能并降低总拥有成本，”Gilmor 说。

Genie混合动力折臂式高空作业车

技术限制

最初，特雷克斯生产全电动多功能卡车的计划受到技术的限制。“总的来说，我们在等待可靠的技术可用。我们很早就有了这个愿景，但当时像电池管理系统这样的东西并不可靠，而且电池太重了，”Caywood说。

对于一些OEM来说，技术仍然是一个挑战。虽然已经出现了电池系统创新，但并非所有类型和尺寸的移动设备都可以是全电动的。 通常是电功率不足以满足这些车辆所需的许多动作，包括启动、加速和瞬态操作。

终端用户先验预期

即使功率能力与设备的功能相匹配，一些最终用户的看法是：电动汽车不会像内燃发动机ICE那样运行良好或效率高。

“我们开始超越感知挑战，”吉尔莫说。“随着越来越多的人在工作现场接触到混合动力和电动设备，并且我们在个人生活中看到的越来越多，这种看法正在发生变化，人们正在意识到电动化的好处。”

随着电动汽车使用的扩大，人们的看法正在发生变化。该技术已成为日常生活的一部分，多家主要汽车制造商要么生产电动汽车，要么计划在不久的将来生产。一些制造商已承诺在未来转向全电动汽车，包括通用汽车。福特最近生产了一款全电动 F150 卡车Lightning，并获得了超过200,000份订单。

“随着越来越多的人在工作现场接触到混合动力和电动设备，并且随着我们在个人生活中看到的越来越多，这种看法正在发生变化，人们正在意识到电动化的好处，”吉尔莫说。

基础设施

充电基础设施是原始设备制造商无法控制的主要挑战，也是一项重大挑战。对于建筑行业，大多数工地在项目开始时都没有电力供应。即使有电，问题也存在。

“即使现场有电，也存在实现完全电气化所需的物理空间的问题，”Gilmore 说。“许多建筑工地已经受到空间限制，并且有空间放置所有设备以供过夜充电是不切实际的。”

Genie铰接式起重臂，可提供全电动和混合动力配置

混合动力方案

电动化不是唯一的低排放技术，由于某些车辆不能100%电动，混合动力可能是解决方案。围绕替代燃料（氢气、天然气和生物燃料）的研究和设备继续增长。此外，许多原始设备制造商正在生产在混合配置中运行的组件和系统。

配置行走动力驱动产品的非公路车辆的增强图像

在非公路重型移动车辆中，混合动力方法通常胜过100%电动解决方案。如前所述，主要原因是大型设备和特定功能的电力功率限制。虽然替代燃料是发动机原始设备制造商正在研究的选项，但混合柴电设备很普遍。

博世力士乐的一个例子是用于设备的电动液压系统，但主要驱动器通常仍然是柴油发动机 ICE。虽然博世力士乐专注于流体动力，但减少排放的需求以及对集成、自动化和电气化组件的期望激发了向电动化的转变。

另一个例子来自艾里逊变速箱。客车的驱动是混合动力，但根据工况允许全电动驱动里程长达10英里。这可以在进入需要低噪音或低排放的区域时使用。

艾里逊变速箱公司全球非公路、客户支持和服务工程执行董事 Kartik Ramanan 表示：“随着对电动化的兴趣持续增长，许多车辆仍不愿在早期阶段全力投入全电动汽车。” “来自客户的重要反馈激励艾里逊开发 eGen Flex，增强了长途客车和公交巴士的功能，有效地充当传统燃料和全电动解决方案之间的桥梁解决方案。”

除了混合动力变速箱，艾里逊变速箱还生产电动车桥。eGen Power 100D是Allison于2020年推向市场的第一款 e-Axle，功能强大且完全集成。它是为重型卡车开发的，例如6 x 2拖拉机。

艾里逊变速箱 eGen Power 100D 电动车桥

Genie 在其车辆中生产全电动和混合动力方法，并且已经有一段时间了。“Genie 制造的70%以上的设备已经实现了电动化，”Gillmore 说。“我们的 FE 混合技术可用于一系列 Genie 悬臂式升降机，自从六年前在我们的悬臂式升降机上推出以来，它一直在市场上。”

特雷克斯拥有全电动斗式卡车，但它也使用混合动力解决方案。“多年来，我们提供了一种混合解决方案来减少怠速、燃料使用和废气排放，”Caywood 说。“在不同阶段，我们已经有几种混合模型在该领域工作，并继续看到这种解决方案有助于减少排放并实现可持续发展目标。”

特雷克斯全电动随车高空作业车

混合挑战：并行架构还是串联架构？

Ramanan 表示，对于电动混合动力解决方案，必须做出选择——应该使用并联还是串联架构？每个架构都面临着权衡。

“Allison最初采用串联架构推出，”Ramanan 说。“Allison后来投资转换为并联架构。这一变化使艾里逊的电动混合动力系统能够实现电动混合动力推进的优势，同时仍提供与传动系统的直接机械连接，以最大限度地提高性能和扭矩传递。”

这是一个关键的决定，因为它允许系统在满足性能要求的同时，在更大范围内运行大型商用车辆。对于串联架构来说，这可能具有挑战性，也许是不可能的。

“Allison 随后通过在我们的并联电动混合动力系统中的变速器中添加分离式离合器进一步优化了我们的架构，”Ramanan 说。

这通过创建一种机制来实现串联混合系统的效率优势，该机制允许系统在不需要满足电力需求时与机械连接断开连接。该断开由车辆操作员通过油门输入确定。

Allison、Genie 和 Terex 提供的技术

本文采访的参与者有多种可用的电动和混合动力选项，可以帮助原始设备制造商为移动、非公路设备提供电动和混合动力选项。

Allison变速箱

4000系列变速器 TerraTran 专为非公路应用而设计，例如移动式起重机、铰接式自卸车、宽体矿用自卸车和国防车辆。

H 40/50 EP，电动混合动力推进系统已在公交巴士上运行近 20 年。

eGen Power 100D 电动车轴 (e-axel)。

eGen Power 130D 专为欧洲和亚太市场设计，许多商用车需要更重的 13 吨总轴重等级。

eGen Power 100S 电动车桥旨在满足重型 6x4 拖拉机和重型直卡车以及中型卡车和校车应用的需求。

Genie

全电动臂式升降机。

交流电驱动设备，包括板式剪叉式升降机和多臂式升降机。

直流电动臂式升降机。

Terex

Viatec 的 HyPower SmartPTO 是一种简单可靠的产品，可减少怠速、增加燃油节省并最大限度地减少噪音和空气污染（今年早些时候，特雷克斯宣布投资 Viatec, Inc.）。

由 Viatec 的 HyPower SmartPTO 提供动力的 Optima 55 航空设备现在可在 International Navistar eMV 33,000 GVW 底盘上使用。

面向未来

流体传动依然是为中型和重型非公路设备提供动力的主要方式。传统柴油驱动的ICE 仍然是当前格局中的主要动力模式。这将在短期内持续下去。

Aulbur 说：“未来证明他们的业务能够应对即将到来的 ESG 挑战对于所有公司保持可持续竞争力至关重要。” “因此，大多数非公路车辆参与者都致力于将可持续性作为一个关键战略主题，一些原始设备制造商为自己设定了具有挑战性的目标。这包括到 2050年实现净零排放。混合柴油发动机技术比传统内燃机消耗的燃料要少得多，使用更少的液压传动，使用更少的组件，为实现这些目标提供了切实的桥梁”

面向未来，在国家“双碳”战略下以及随着大气污染防治工作的深入推进，政府有关部门对于进一步加强非道机械排放污染管控更加重视并采取了相关行动，如最新发布的《关于划定高排放非道路移动机械禁止使用区》政策等。在技术层面，“电动化、智能化、数字化”是非道路移动机械产品研发、生产、制造的关键核心；在能源层面，企业也纷纷把研发目标对准了新能源和可替代能源的使用上，电动、智能农业机械和工程机械是目前的大势所趋。

将于2022年8月 25-26 日在上海举办的第五届中国非道路移动机械国际峰会，将详细探讨业内人士最关心非道路国四标准实施总结和建议，预测国五标准升级路线，分析非道路产业结构变化和未来趋势，同时也会分享新能源应用于非道路行业的最新技术及未来趋势，以及非道路移动机械智能、安全、绿色的发展策略等热点话题。

来源：iHydrostatics静液压