大约三年前，当公路柴油价格飙升至每加仑4美元以上时，越野汽车制造商开始采取创新解决方案，包括土方机械的混合动力技术和先进的动力系统。一些制造商在这项技术上取得了成功，而另一些制造商则从未超过原型阶段，或由于柴油价格开始快速下降而暂时搁置了他们的解决方案——在撰写本文时，公路柴油价格约为2.31美元。那么，在燃料价格相对较低的情况下，混合动力和先进动力系统技术的价格溢价高达20%，这是否合理呢?
答案实际上取决于技术及其应用。卡特彼勒中型拖拉机产品首席工程师Wes Holm表示:“最终，我们的客户希望以更低的投入成本更快地完成工作，从而赚更多的钱。“因此，你必须权衡先进动力系统提供的使用期、生产率、循环时间、燃油效率、操作便捷性、维护成本和排放要求的重要性。随着熟练操作人员越来越少，操作的便捷性也不应被忽视。”
许多混合动力车所能提供的性能提升，已经开始超过实际节省的燃油。小松美国公司负责跟踪产品的高级产品经理Kurt Moncini表示:“我们预计人们对混合动力技术的态度将开始发生完全不同的变化。他说:“研究使用哪种混合动力技术非常重要。将能量返还给整个系统的系统，而不仅仅是摆动电路，提供的性能将成为更大的好处，节省燃料将成为蛋糕上的糖霜。”
Moncini解释说，评估混合动力汽车的投资回报率取决于价格、利用率、性能和节油。评估需要的不仅仅是节省燃料，因为燃料本身可能会产生误导。一台20- 30吨的挖掘机通常燃烧3.5到7.5加仑每小时，这取决于使用和应用。如果你有一个高载重系数的应用，在7千瓦时可以节省20%的燃料，那就是节省1千瓦时。按照目前的柴油成本，再乘以8小时的工作时间，仅节省的燃料就很难实现投资回报率。
当你考虑到潜在的生产力优势时，情况就变得清晰多了。Moncini断言:“从我们在HB215LC-1中使用的电动摆动驱动/发电机/超级电容技术以及我们未来车型的发展方向来看，这项技术最终提供的不仅仅是更好的燃油效率。”“它给我们带来了性能和节能。”
约翰迪尔644K混合动力轮式装载机的定价溢价约为7%，与传统的液力变矩器相比。虽然混合动力汽车平均可以减少25%的燃油消耗，但这只是一部分原因。John Deere Construction & Forestry的约翰•切斯特曼(John Chesterman)表示:“客户已经明确表示，他们不能再雇佣运营商了。”“他们有了‘司机’。混合动力技术使技术不熟练的操作员更容易更高效地操作轮式装载机。
回收浪费的能量
挖掘机是混合动力技术的天然目标，因为有大量的能源浪费在制动上部结构上。
小松是第一个向美国市场推出混合动力挖掘机的公司。Moncini说:“我们有一个电力驱动的秋千，在减速时为超级电容器充电，并在需要时为秋千收集储存的能量。”“发动机和液压泵之间的发电机/电机可以从超级电容获取能量，为整个液压系统提供额外的动力，以提高性能。超级电容所捕获的能量有助于提高发动机的功率，以满足所有功能。”
小松美国公司挖掘机产品营销经理Justin Latin表示:“将捕获的能量输入到液压系统，可以提供高达60马力的额外功率，这是非常重要的，特别是对于较小的四缸发动机而言。”
Moncini说:“在HB215LC-1上，我们实际上使用了一个更小的发动机，并使用存储的电能来补充液压系统的总输入功率。“这与高性能混合动力汽车采用的方法相同。他们使用电动机为传统的机械传动系统增加动力，以获得更好的性能。”
这体现在机器的响应中。“我对HB215LC-1最初的感觉是，这是一台非常活泼或时髦的机器，”Moncini回忆道。
展望未来，随着技术的进步，混合动力技术肯定有机会推广到更大的车型上。Moncini指出:“今天，如果你看看小型的机器，也就是我们的混合动力机器，它们的年使用量更低，耗油量更少。”当您转向消耗更多燃料和具有更高利用率的大型机器时，情况可能会变得更加有利于混合动力。小松计划今年晚些时候在美国推出一款更大的混合动力挖掘机。”
小松欧洲公司推出了其HB365LC-3 36吨混合动力挖掘机在bauma 2016展出节省20%的燃油。HB365LC-3采用与PC360LC-11相同的SAA6D114E-6发动机(202千瓦/271马力)，由小松公司的混合动力系统提供高达53千瓦的额外电力．
在制动过程中产生的动能被转换成电能，通过逆变器发送，并由小松超级电容器捕获。当在工作负载条件下加速时，捕获的能量被快速释放，用于上层结构旋转，并根据混合动力控制器的命令辅助发动机。混合动力技术储存的备用动力代表了额外的马力，可以通过支持发动机来最大限度地提高机器性能，或者用于摆动动力。
应用的类型也会对挖掘机混合动力技术的经济性产生影响。Moncini说:“如果你看看典型的挖掘机应用，当挖掘机摆动超过90度时，混合动力系统就会发挥作用。“在传统的土方工作中，如果你要摆动90-180度，这不是一种非常有效的运土方式。你希望温度在45度到90度之间。”通常，具有较大重复摆动周期的地面操作对混合模型最有利。
卡特彼勒在2013年推出其液压混合动力挖掘机之前，花了数年时间开发和测试电动和液压混合动力技术。该公司表示，电动混合动力方案需要对不熟悉的电子设备和电池存储系统进行专门的技术培训。相比之下，液压混合动力部件对标准机器来说是熟悉的，并且易于维护。
卡特彼勒挖掘机产品应用专家Brian Stellbrink表示:“我们推出液压混合动力挖掘机的主要原因是，它可以降低客户的拥有成本和运营成本，同时保持与标准336挖掘机相同的高产量水平。
他指出，336混合动力车具有承包商可以想到的“节约、优化和重复利用”三个要素。它使用高效泵节省燃料。卡特彼勒的自适应控制系统(ACS)阀门优化了性能，这是一个“大脑”，可以在您需要的时候将能量输送到您需要的地方。它通过使用蓄能器回收和再利用浪费的摆动能量。
Stellbrink表示:“考虑到挖掘机在高产量应用中通常每15秒就会停止和摆动一次，这是节省能源的重要机会。”“但任何应用程序(包括公用事业应用程序)的客户都将受益于‘保存’和‘优化’元素。”
Stellbrink表示，归根结底，卡特彼勒的液压混合动力挖掘机比其他混合动力技术更简单，成本更低，因此可以在更短的时间内收回前期成本。
他说:“无论是燃油价格高还是低，你都可以省钱，因为我们的液压混合动力挖掘机比我们的标准型号少消耗20%的燃油。”“我们为承包商提供了一个计算器，让他们自己看看多快能获得投资回报。”
结合静压和机械驱动
新的传动系统技术充分利用了静压传动和机械传动的优势和效率。
利勃海尔美国产品专家Nick Rogers表示:“利勃海尔XPower装载机采用动力分流传动，结合了两条驱动路径:用于加速和长距离行驶的机械路径，以及用于装载和换挡的流体静压路径。“通过集成变速器，我们能够最大限度地利用每一滴燃料。”
由柴油机提供的动力通过行星齿轮箱分流到一个静压分支和一个机械分支。然后将两个分支再次组合，以获得完整的性能。在操作过程中，两个分支之间的比例是可变的。对比测试表明，XPower轮式装载机所需的燃料比传统驱动轮式装载机少30%。
卡特彼勒为966和972轮式装载机增加了无级变速器(CVT)，结合了机械和静压系统。XE版本的966M和972M装载机与当前系列相比，燃油消耗提高了25%，与上一代机器相比，提高了35%以上。
CVT用液压泵和马达(变矩器)取代了传统传动系统的变矩器，从而实现了发动机转速和机器转速之间平稳、连续的比率变化。动力通过CVT以平行的机械路径传输，很像动力换挡变速器。它通过一系列行星齿轮组与变换器动力相结合。传输操作是自动化的，对操作员是透明的。
卡特彼勒中型和大型装载机市场顾问Lucas Sardenberg表示:“节省燃油的主要原因有两个。“首先，新变速器取代了动力系统中的变矩器。变矩器的效率非常低，特别是在循环的挖掘部分。如果你只关注挖掘周期，XE的燃油效益比传统变速器高达50%。
他继续说道:“其次，与常规动力系统相比，新技术可以使发动机以更低的转速运行。“除了降低发动机转速外，卡特彼勒还匹配了液压系统，以在较低的发动机转速下提供完整的执行速度，因此整个系统协同工作，在保持客户所需生产力的同时，实现效率最大化。”
机器在减速时的动量——例如，当接近卡车或料斗时——也被用来为工具和风扇提供动力，进一步降低燃料消耗。
计算CVT的投资回报率很复杂，因为它取决于应用、每年的运行小时数以及XE技术所取代的机器型号。Sardenberg说:“如果每年使用时间少于1500小时，节省0.5加仑/小时的燃油，那么投资回报将超过4年。”然而，如果每年能节约3000小时，节省1.5-2.0加仑/小时的燃油，那么投资回报可以在2年内完成。”
他补充说:“强调与正在更换的设备的比较是很重要的。不止一个客户用x替换了更大的机器，因此由于节省了燃料，回报真的很短。另一个需要考虑的重要一点是，XE技术除了燃油之外，还可以带来其他好处，操作简单(只有两个踏板)是运营商注意到的主要优点，此外还具有爬坡和减速能力。”
电力驱动优化功率频带
某些机器，比如卡特彼勒D7E柴油电动推土机以及约翰迪尔644K混合动力和944K混合动力轮式装载机，都受益于转向电动驱动。因为柴油发动机基本上相当于发电机，所以它可以优化到以设定的速度运行。以恒定速度运行的发动机比那些不断在rpm范围内上下搜索以产生动力的发动机寿命要长得多。
约翰迪尔644K和944K混合动力装载机使用混合电力驱动，这导致更容易操作。传统的液力变矩器装备轮式装载机需要操作人员执行平衡动作。切斯特曼解释说:“发动机的转速实际上控制着机器的推力。“当(操作人员)踩下油门时，他们基本上是在告诉发动机加速，但与此同时，发动机的速度与液压系统的速度成正比。当我从典型的1200转/分钟提高到1800转/分钟时，我的液压速度提高了33%。”
填充一个桶需要协调所有的输入。切斯特曼说:“在一个典型的水桶装载过程中，大约有一半的水桶装满了水。”这需要在不失控的情况下完成。“如果操作人员不能有效地将铲斗推入堆中，那么他将很难利用臂架和铲斗将物料滚入堆中。这是一个优秀的操作员应该具备的技能。”
电力驱动极大地简化了对操作人员的要求。切斯特曼说:“我们可以用固态电子设备极快地控制这些电动机。”“这使我们能够控制机器在逆转过程中转换的流畅性。”它还允许车轮电机快速切换，从为车轮提供动力到回收能量，并将动力放回系统。
电动轮毂电机控制牵引力和防滑，同时发动机始终以恒定速度运行，始终提供全液压动力。切斯特曼说:“使用我们的混合动力技术，速度与推力无关。“电动马达的最大好处之一是它们基本上在接近零速度时具有最大扭矩。对于技术水平较低的操作员来说，他们不需要在发动机转速、功率范围和液压系统之间保持平衡。他们只需要踩下踏板。”
另外，加载器在加载时效率更高。考虑到当常规644K装载铲斗时，发动机处于满载额定扭矩。切斯特曼说:“在最高的工作周期中，它以最大的燃料输送速度装载燃料桶。”“在混合动力版本中，发动机的负载约为25%。这又回到了电力驱动系统的高效率，与动力换挡式变矩器相比，在低负载下产生非常强的推力。”
卡特彼勒表示，与D7R系列II相比，D7E推土机每加仑燃料将移动更多的材料，燃烧最多可减少20%的燃料，提高10%的生产率，并降低10%的寿命运行成本。
D7E的电动传动系统在低速时产生高扭矩。由于没有摩擦离合器、传动轴或传送带，整体零件更少，它能更有效地将发动机动力传输到地面。没有齿轮，动力系统的效率就没有峰值和低谷。在整个运行范围内，连续可变电力驱动是高效的。
霍尔姆说:“节省燃料是最容易衡量回报的方法，而更高的燃料价格可以更快地实现回报。”“我们估计，自从D7E推出以来，全球客户已经节省了超过900万加仑的柴油。因此，如果你看到2.6美元的柴油，这将为客户带来超过2300万美元的利润。”
影响整体投资回报率的因素包括应用、材料、作业现场的环境要求、操作技术等。“我们有一些客户报告说，他们用旧机器做相同的工作消耗了一半的燃料。不管每加仑汽油的价格如何，这都是一笔可观的回报。”
他继续说:“每加仑燃料最多可以多运输35%的材料。“这台机器操作简单，所以即使没有经验的操作员也能达到更高的生产率。这一切都意味着每天有更多的房屋垫，每周有更多的道路里程，更多的垃圾被搬到垃圾填埋场，以及更精确的工作。”
