原文作者：Paolo Patroncini
编辑整理：腾益登
随着各行各业转向更清洁、更高效的动力解决方案，电气化的兴起正在迅速取代柴油的主导地位。然而，从柴油发动机过渡到电力系统远比看起来要复杂得多，尤其是涉及到液压系统时。
流体动力为制造商提供了一种低效但必要的解决方案，对于建筑、采矿和农业等重型任务来说，它仍然是不可替代的。液压系统的重要性在于，尽管效率低下，但它可以提供最佳的性能，并在额外的功率要求与复杂的尺寸、重量和配置限制之间进行权衡。
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因此，未来不是要放弃液压技术，而是需要电动解决方案，使流体动力现代化，并通过电气化提高其效率。
推动电气化转型的市场趋势
尽管电气化正在推进，但柴油仍然是液压机械的主要动力源。然而，随着电动解决方案变得越来越普遍，这种情况正在发生变化。
例如，从 2023 年到 2030 年，建筑设备市场预计每年增长 3.8%，而电气化设备预计在同一时期每年快速增长 23.6%。
多种因素继续推动这一快速转变，包括政府激励、消费者需求和成本降低。专家预计，这些重塑全球行业的市场力量将获得更大的发展动力。
1. 政府激励措施
许多国家都制定了雄心勃勃的碳减排目标，而电气化对于实现这些目标至关重要。政府利用税收减免、补贴和补助等激励措施来鼓励对电动和混合动力技术的投资。例如，加州的清洁非道路设备代金券激励项目 (CORE) 帮助企业转向电动非道路机械。
2. 客户需求
如今的消费者越来越重视清洁、安静和高效的机械。此外，日益增强的环保意识加上电动机械的实际好处（例如减少维护和更容易遵守法规），推动了这种需求。
例如，在欧盟，柴油车辆注册量从 2018 年的 36% 暴跌至 2022 年的 16.4%，这反映了该地区严格的排放法规和对更环保替代品的追求。美国的电动汽车销量也呈现出类似的上升趋势。
3. 降低成本
尽管电动机械的前期成本通常较高，但机器使用寿命内的总拥有成本 (TCO) 却明显较低。随着电池和充电技术的改进以及规模经济的形成，专家预计这些初始成本将进一步下降。
液压系统与电动系统相比的优缺点
几十年来，液压系统一直是高功率和高精度行业的支柱。即使电气化进程加快，这种流体动力技术仍因其众多优势而在许多应用中必不可少。
例如，液压系统：
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比电动系统轻得多，尤其是在物料搬运等高功率应用中。电动系统需要更大、更重的电池组才能与液压系统的性能相匹配，这会影响机械的整体重量和机动性。
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能够为其相对紧凑的组件提供高功率输出。电动机虽然有所改进，但在某些重型应用（如建筑）中仍难以匹敌液压执行器的纯功率密度。这种功率密度在空间非常宝贵的移动应用中也证明是有利的。
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在恶劣环境下耐用，即使在极端温度、多尘条件和高振动环境中也能有效运行。电动机械对这些条件可能更敏感，特别是在极端温度下的电子元件和电池性能方面。
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通常前期成本较低，使它们更容易被许多行业所接受。虽然电动系统可能会随着时间的推移降低运营成本，但其高额的前期投资可能需要几年才能抵消。对于需要高力输出的应用尤其如此，因为电动执行器和必要的电力电子设备的成本可能过高。
尽管液压系统具有诸多优点，但并非完美无缺；其主要缺点之一是能源浪费，尤其是由于阀门的压力下降。当加压流体流经这些控制点时，会因摩擦和发热而损失大量能量。这种低效率长期以来一直是液压系统受到批评的焦点，尤其是在节能至关重要的时代。
未来的挑战是找到结合两种技术优势的方法，以创建更高效、更强大、更可持续的系统。
需要采用方法论方法将电动与液压相结合
原始设备制造商不应将液压和电动系统视为竞争技术，而应专注于整合各自的优势，打造更高效、更强大的机器。实现这种整合需要采用以全面分析功耗和机器运行为中心的方法论。
该方法的基础由两个关键步骤组成：
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功率吸收映射 — 每台机器都有独特的工作周期，了解这些周期对于优化系统性能至关重要。通过映射每台机器在不同运行阶段消耗的功率，可以确定可以提高能源效率的领域。
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模拟 — 一旦收集到功率吸收数据，就可以使用模拟来预测新系统架构与电池组配合使用时的性能。这使设计人员能够预测实际条件下的性能，从而优化运行时间和能耗。模拟还可以改进封装，确保新系统以最小的改动适应机器的现有设计。
通过利用这些步骤，OEM 可以微调功率使用和组件布局。这可确保电动液压系统高效地满足性能目标，并满足机器现有的尺寸、重量和配置要求。
液压系统的改进
单靠电气化并不总能提高系统效率。过渡到电动传动系统需要重新考虑非道路机械中的液压系统。要真正从电气化中获益，流体动力系统需要进行重大现代化改造以实现电气集成。
需要重新设计的关键领域包括：
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车辆控制 — 电气化需要更先进的控制系统，以确保液压部件和电动机无缝协作。传统的液压控制可能无法提供电气化系统所需的精度或响应能力，特别是对于物料搬运和升降机通道应用。
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冷却系统 — 液压系统会产生大量热量。这对于液体动力系统来说没问题，因为它们是天然冷却剂，但电气部件对高温很敏感。集成电力需要改进冷却方法，确保液压和电气系统都在最佳温度范围内运行。
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流体分配网络 — 如前所述，液压油在系统内的移动和管理方式极大地影响了整体效率。对这些网络进行现代化改造，使其与电气系统配合使用，并最大限度地减少损失或捕获原本浪费的能源，对于提高系统性能至关重要。
因此，制造商必须开发创新解决方案，确保液压系统能够成功安全地与电力配合使用——这是当今领先的 OEM 正在积极应对的挑战。如果没有这种现代化，电气化带来的任何潜在收益都可能很快被液压部件的低效率所抵消。
电动液压系统的开发
一旦设计出新架构并确定需要协同工作的组件，下一步就是结合电动机和驱动器技术开发系统。
这包括两个方面：开发控制软件和通过测试验证新功能。
控制软件开发
现代电动液压系统可以收集和处理比传统系统更多的数据，从而带来新一代控制功能。该软件需要：
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与电动和液压组件无缝集成。
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根据实时运行数据优化电力使用。
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实现预测性维护和自适应控制等高级功能。
该软件突出了现代化电动混合动力解决方案的最大优势之一。与柴油动力选项不同，电气化可以实现高级集成，从而优化每辆车的使用和生命周期接触点。
测试和验证
在实际机器中实现这些新功能之前，使用测力计进行测试非常重要，这样可以：
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电动液压系统的独立测试。
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在受控条件下验证系统性能。
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在没有整机引入变量的情况下改进控制算法。
软件开发和测试应在受控环境中进行，与机器分开。这种隔离有助于避免机器可能引入的任何干扰或变量，从而确保测试结果准确可靠。
利用电动液压机械推动可持续发展的未来
流体动力系统电气化是一条充满希望的道路，尽管它可能充满挑战。随着许多驱动因素铺平道路——从政府激励措施和客户需求到先进技术和降低成本——采用速度加快只是时间问题。
在许多方面，液压机械面临着与柴油发动机相同的困境（尽管规模较小）。尽管效率低下，但电动替代品在当前状态下缺乏特定工作所需的原始动力。