当前，节能减排、绿色环保已成为全球工业发展的主导方向。我国工程机械行业也基于环境保护和经济可持续发展战略的根本考虑，率先把发动机排放和噪声控制写进了国家强制性标准。工程机械作业工况恶劣，作业周期长，外负载变化大，长期以来，存在着高油耗、高排放的问题。以一台ZL50 型装载机为例，正常情况下平均每装卸1 t 物料要消耗柴油0.12 L 左右。
随着国内外原油价格的不断上涨和排放要求越来越严格，装载机这种高油耗机械必然面临着巨大的成本和环境压力。因此，国内外的工程机械公司都开始把工程机械的动力源研究转向混合动力技术。当前，混合动力工程机械产品主要集中在装载机、挖掘机、叉车这3 大类工程机械上。本文以能耗大、使用量大面广的装载机为代表，综述混合动力装载机在国内外的最新研究动态，并结合其应用研究现状对其应用前景进行展望。
装载机典型工况分析
装载机主要用于对散状物料进行铲装运输、卸载及平整作业。铲装运输是装载机的最典型工况，铲装运输作业一个作业循环由前进、铲装、后退、前进(动臂提升)、卸料、后退(动臂下降)这6 个工作段构成。可见，装载机的作业循环时间短，载荷变化快。
传统轮式装载机的行走系统由发动机驱动，工作装置的动作与转向功能由发动机驱动液压系统实现。因此，在一个作业循环中，装载机的频繁启停使驾驶员需要不断大幅度地加、减油门，这不仅对装载机发动机的寿命产生很大影响，而且使发动机经常处于低效区，大幅增加了发动机的油耗。此外，联合工况作业时对峰值功率的需求使得在选择发动机功率时不可避免地存在发动机在大多数时间内处于“大马拉小车”的情况。
装载机混合动力方式
混合动力装载机利用能量转换单元回收装载机浪费掉的制动动能和重物势能，回收的能量可在其启动、加速等过程中提供辅助功率，从而减小发动机的装机功率，降低油耗，减少有害气体的排放，并提高制动装置等零部件的使用寿命。在可回收的能量中，装载机动臂处的可回收重物势能较小，而整机制动动能和下长坡重物势能很大，是混合动力装载机需要回收的主要能量。
目前，装载机的动力混合方式主要有两种。第一种是油电混合，即由柴油机与动力模块（发电机/电动机+动力电池+能量管理系统） 组成混合动力源的混合动力装载机。根据柴油机与发电机/电动机间的联结方式不同，装载机的动力系统结构可分为串联、并联和混联3 种型式。油电混合动力的能量存储单元有蓄电池和超级电容两种。蓄电池油电混合动力功率密度小，能量密度大，主要适用于小功率的工程机械；超级电容油电混合动力能量密度小，但功率密度大，主要适合中、小功率的工程机械。 油电混合动力装载机由于有电动机助力驱动并可回收制动能量，不但可使柴油机的装机功率级别比同能力的传统装载机小1～2 级配备，还可以使柴油机在低油耗、低排放的高效区运行，从而实现装载机的节油减排。
第二种动力混合方式是油液混合动力，即燃油与液压混合动力装载机，动力源通常采用并联方式。这种并联式液压混合动力装载机主要由柴油机、液力变矩器、变速器、主减速器、轮边减速器、动臂缸、铲斗缸、液压蓄能器、转矩耦合器和液压泵/马达等组成。柴油机的动力一部分通过液力变矩器和变速器驱动行走机构来实现装载机行驶；另一部分通过液压泵驱动液压缸，实现转向和装载工作。液压泵/马达、液压蓄能器和溢流阀等构成液压再生系统，与发动机一起形成双动力驱动系统。在装载机制动时，变速器与布置在其后面的离合器断开，液压泵/马达工作于泵工况，回收车辆的制动能量，并将其存储于高压蓄能器中；在装载机启动时，液压泵/马达工作于马达工况，利用回收的能量为装载机提供辅助牵引功率，实现能量的再次利用；在装载机铲掘时，液压泵/马达工作于马达工况，为装载机提供辅助功率，有效抑制发动机失速现象，以保证发动机工作于最佳燃油经济区，减少液压工作系统的溢流损失。
目前，油液混合动力的功率密度大，能量密度小，主要适用于中、重型工程机械。对于频繁启动、制动、装载、卸载的装载机而言，油液混合动力和超级电容油电混合动力具有更明显的节能优势。对这两种混合动力装载机，一些工程机械主机企业都已进行了相关的研究。
混合动力装载机的研究现状
为了提高下一代工程机械产品的竞争力和市场占有率，世界各大工程机械主机厂纷纷开展了装载机等工程机械产品的混合动力技术研究。
国外研究现状
早在2003 年，日立建机研制出世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机，这是混合动力系统在装载机上的首次运用。但该机型相关的技术资料较少，也没有真正投入批量生产。
2007 年，沃尔沃提出了一种称作Gryphin 概念的装载机，这是沃尔沃公司预计在2020 年启动的项目。该装载机将取消传统的变速器和传动轴，采用轮内电机驱动车轮，这将使Gryphin 装载机工作起来更安静。
2008 年3 月，沃尔沃在美国拉斯维加斯国际工程机械展Conexpo 2008 上推出了L220F Hybrid 型混合动力轮式装载机样机，并于2009 年推向市场。该样机是在原有机型L220F 的基础上增加混合动力系统设计而成的。L220F Hybrid 装载机采用了前传动装置单轴转矩组合的并联式混合动力电驱动系统。这一结构也可以称为轻度混合动力电驱动系统，因此，沃尔沃将其称为“温和”型混合动力机型。协助柴油机工作的电力系统在机器的常规作业中不运转，与柴油机串联的电动机只在柴油机工作效率较低的低转速运转时协助工作。在车辆启动时，电动-发电机快速启动发动机，如果需要，电动机会给柴油发动机一个辅助动力，可以使其在较低的转速下快速启动车辆；在装载机铲掘或突然加速等对动力有突增需求工况时，电动-发电机将作为电动机工作，在功率和转矩上给发动机一个辅助动力，使其在较低的发动机转速下得到较大的动力。为了降低燃油消耗和排放，装载机停机一定时间后，发动机会自动降到能够维持动力的最低发动机转速。蓄电池系统为灯光、空调等其他电气系统提供动力，可以供电1 h 以上。装载机正常工作期间在没有影响动力的前提下，如果电池需要，电动-发电机可以作为发电机使用，给蓄电池系统充电。与标准机型相比，L220F Hybrid 可以节约10%的燃料。
不同于沃尔沃推出的使用电池来储存装载机制动和卸料时浪费的能量的混合动力装载机，老牌日本工程机械制造商川崎在2011 年3 月的美国CONEXPO－CON/AGG 2011 工程机械博览会上推出了一款新型的65ZV-2 型混合动力装载机。该装载机设计的由行星齿轮、马达和发电机构成的“HYTCs”结构有效地解决了一般装载机采用液力变矩器作为动力输出转换结构所造成的大能量损失问题。65ZV-2 型装载机使用电容器储存电能，这样可使电能的储存和释放更加有“爆发力”，从而使装载机的工作更加有效。除了节省能量而外，“HYTCs”系统还可以将装载机制动时的能量收集起来，在装载机工作的时候，作为发动机的补充动力释放出来。基于上述技术，川崎65ZV-2型混合动力装载机可比同级别普通装载机节省燃油35%以上。
美国约翰·迪尔（John Deere）也在CONEXPOCON/AGG 2011 上展示了其将于2012 年开始销售的644K 型和将于2013 年启动的944K 型油电混合动力轮式装载机样机。944K 型混合动力装载机的行走系统采用电驱动，它具有独立的车轮驱动控制系统。发动机驱动两个发电机，发电机将动力传递给安装在每个车轮上的电动机。这种驱动控制方式，不仅可以提供良好的驱动性能，而且降低了燃油消耗和轮胎磨损，并提高了动力传动系统的耐用性。644K 型混合动力装载机与约翰·迪尔公司生产的传统轮式装载机稍有不同，其在发动机后面布置了一个用以驱动变速器输入轴的发电机/马达。据约翰·迪尔公司的产品负责人称，与传统轮式装载机相比，644K 型混合动力装载机的燃油经济性将有望提高20%，944K 型有望提高30%左右。
国内研究现状
国内的装载机行业目前局势鲜明，从图1 可以看出，柳工、龙工、临工等几个大型企业几乎占据了国内装载机的大部分市场。在混合动力工程机械研发方面，这些骨干企业也不甘落后，纷纷推出了自己的混合动力产品。
作为中国民族工业的骄傲，柳工是代表中国工程机械实力的领军企业之一。2010 年，柳工在bauma China 2010 上展出了中国首台混合动力CLG862- HYBRID 型装载机。该机利用柴油机和先进的超级电容、ISG 电机共同为装载机提供动力，可实现高、低负荷工况下的转矩合成及平均化，在相同工况下，至少可节油10.5%左右。
徐工集团在bauma China 2010 上也展出了其液压混合动力ZL50GS 型装载机，其动力源为柴油机和并联式液压蓄能器。ZL50GS 型混合动力装载机可高效地回收装载机的制动动能和重物势能，制动能量回收率最高可达75%。所回收的能量用于为车辆的启动、加速和铲掘过程提供辅助功率。
从上述研究现状不难看出，混合动力模式将是工程机械行业节能减排产品的主要发展方向，其节能效果显著。目前世界主要工程机械制造企业都在致力于混合动力工程机械产品的研究，有的处于样机研制阶段，有的虽然已经小批量推向市场，但仍处于测试试用阶段。因此，无论是在国外还是在国内，当前混合动力工程机械的研究都还处于起步阶段。
混合动力装载机当前存在的主要问题
（1）能量管理控制问题。混合动力工程机械的节能控制途径虽然与混合动力汽车类似，即从优化能量分配，制动能量回收，合理匹配动力系统参数等方面入手，但它又不同于混合动力汽车，其特有的工作周期、负载特性和作业方式，使混合动力驱动原理和方法呈现出多样性和复杂性。作为一个典型的多动力源过约束输入与多目标控制系统，混合动力工程机械的能量管理控制十分复杂，如何优化管理能量的流动及合理分配各动力元件的功率，将对内燃机的燃油经济性及整个混合动力系统的动力特性有着重要的影响。
（2）协同控制问题。对混合动力工程机械动力源与负载的全局功率优化以及各动力驱动元件间局部优化的协同控制问题也是功率流控制与管理的难点。
（3）质量和可靠性问题。混合动力系统的关键部件如电动-发电机、储能装置等在功率需求、可靠性、耐久性等方面较汽车用部件都有着更高的要求。现有的产品不一定能适应工程机械负载多变的工况，需要针对装载机的机型特点开发适用的产品。
（4）高成本问题。混合动力技术的采用使得装载机的成本大幅增加，这让普通用户难以接受。同时，高成本也给企业进行混合动力机型的市场推广带来了不小的困难。
（5）混合动力装置质量问题。混合动力装置质量大，在节能的同时也增加了整机的质量，这对于吨位较大的大型工程机械影响较小，但对小吨位装载机的节能降耗则具有较大的影响。
混合动力装载机的发展趋势
全球范围内的节能减排需求以及排放标准的提高对工程机械的生产、销售和出口提出了更高的要求。混合动力技术的使用，使得装载机可以有效地降低能源需求和环境污染，这既有利于节能环保，又有利于广大用户降低使用成本，因此，具有巨大的社会和经济效益。
针对当前混合动力技术研究中存在的主要问题，混合动力装载机将呈现如下发展趋势：
（1）切实解决好混合动力系统的能量管理与协同控制问题，以便有效实现节能减排。
（2）重点研制对成本影响较大的发电机、电动机、高能蓄能器等，以降低产品成本，增强与传统装载机的市场竞争力。
（3）开展混合动力装载机的轻量化研究，以减轻整机质量。
（4）开展复合储能系统的研究。前已述及混合动力的两种动力混合方式：油电和油液混合。但目前单一的能量存储单元很难满足混合动力工程机械对高功率密度和高能量密度的要求，因此复合能量存储装置（采用蓄电池/超级电容、蓄电池/液压蓄能器、燃料电池/超级电容等形式）将成为今后储能系统发展的主要方向。
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