大型露天礦山運(yùn)輸車輛電動(dòng)化技術(shù)

齊連軍,邱增華,金斌,楊紹波*,院鵬春,董陸軍,李文磊,徐振博

(1.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.湘電重型裝備有限公司,湖南 湘潭 411101)

礦用自卸車工作環(huán)境復(fù)雜,行駛的道路條件差,路面坡度大,通常達(dá)到6%～10%.最早的礦用自卸車傳動(dòng)方式為機(jī)械傳動(dòng),經(jīng)發(fā)展改進(jìn),傳動(dòng)方式又出現(xiàn)了電傳動(dòng)(也稱電動(dòng)輪)方式. 機(jī)械傳動(dòng)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率高,使用及維護(hù)成本也高;電傳動(dòng)改進(jìn)了機(jī)械傳動(dòng)的不足,而且還具有較強(qiáng)的爬坡能力、更高的工作效率及更好的經(jīng)濟(jì)性.電動(dòng)輪礦用自卸車由于其明顯的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了大噸位及超大噸位的礦用自卸車市場.但是,現(xiàn)有礦用自卸車無論其動(dòng)力傳動(dòng)形式如何,都是采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng),存在能源消耗與環(huán)境污染等問題.

湘電集團(tuán)在2021年6月成功下線全球首臺(tái)120噸級(jí)純電動(dòng)交流傳動(dòng)礦用電動(dòng)輪自卸車,該產(chǎn)品采用寧德時(shí)代生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池,具有高比能、續(xù)航長的優(yōu)點(diǎn),充電一次可持續(xù)工作6～7 h;Elektro Dumper公司基于小松HB 605-7自卸卡車打造了一輛全新的礦卡,現(xiàn)應(yīng)用于瑞士一家采石場中,該車改進(jìn)了小松HB 605-7自卸卡車的動(dòng)力性能,搭載制動(dòng)回收技術(shù),能實(shí)現(xiàn)下坡自動(dòng)充電;湖州宏威新能源礦卡公司改裝一輛全新的純電礦卡,優(yōu)化了非公路寬體自卸車的車身結(jié)構(gòu),使得整車重量降低,同時(shí)對車輛的充電技術(shù)進(jìn)行升級(jí),可實(shí)現(xiàn)車輛快速充電,與礦山運(yùn)行節(jié)拍吻合.純電動(dòng)礦用自卸車具備制動(dòng)能量回收系統(tǒng),重載情況下頻繁的制動(dòng)產(chǎn)生大量的電動(dòng)能被存儲(chǔ)在電池內(nèi),使礦卡的續(xù)航得以延續(xù)[1].車載能源裝置是純電動(dòng)礦卡的核心部件,其性能參數(shù)很大程度地影響礦卡的動(dòng)力性能和續(xù)航等關(guān)鍵性指標(biāo).

與傳統(tǒng)燃油礦卡相比,純電動(dòng)礦用自卸車更具發(fā)展?jié)摿?其動(dòng)力傳動(dòng)路線更為簡潔,傳動(dòng)效率及能量利用率更高,同時(shí)機(jī)構(gòu)簡單、載重量大、爬坡能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)也滿足綠色發(fā)展的需求[2].

1 傳統(tǒng)燃油設(shè)備面臨的主要問題

絕大多數(shù)礦山企業(yè)為節(jié)約成本而采用傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)礦卡,但是該設(shè)備的缺陷也限制企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3].首先,機(jī)械傳動(dòng)礦用自卸車工作效率低,使用不方便,難以適應(yīng)當(dāng)今礦山生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)男枨?其次,礦山工程作業(yè)環(huán)境惡劣,作業(yè)周期長,工作人員薪酬水平相對較高,導(dǎo)致企業(yè)人力成本增加;再者,機(jī)械傳動(dòng)式礦用自卸車柴油單耗成本高,占運(yùn)輸總成本的一半左右[4].

1.1 燃油設(shè)備維修問題

礦山工程通常采用重型自卸礦卡作為運(yùn)輸設(shè)備,這對礦卡發(fā)動(dòng)機(jī)和龐大復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)要求更苛刻.一旦設(shè)備出現(xiàn)損壞,維修成本較高,其中發(fā)動(dòng)機(jī)維修工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、耗時(shí)長,在百萬噸級(jí)別的礦卡中,發(fā)動(dòng)機(jī)維修費(fèi)用占整車的20%[5-6];若重新購買整車,成本更高.此外,柴油機(jī)機(jī)械控制難度大,設(shè)備使用、維護(hù)及管理成本也大[7].

1.2 燃油礦卡能耗高、污染嚴(yán)重

隨著全球石油消耗量急劇增加,石油資源不斷減少,環(huán)境污染及溫室效應(yīng)凸顯等問題也限制了燃油礦卡的發(fā)展.在礦山作業(yè)中,大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)油耗偏高,對環(huán)境破壞嚴(yán)重.此外,礦山作業(yè)中礦場開采深度會(huì)隨著工程的進(jìn)行不斷增加,礦卡的爬坡高度也將攀升,工作難度也不斷加大,因此油耗也會(huì)急劇增加[8].高性能的工程礦卡必然帶來大量的尾氣,礦山的空氣、土壤、水源及員工的健康都將受到威脅.

1.3 燃油礦卡無法進(jìn)行能量回收

對于純電動(dòng)礦用自卸車而言,純電礦用自卸車能利用下坡或者制動(dòng)運(yùn)行工況牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī),將勢能或者動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,優(yōu)先對蓄電池充電,多余的電量將消耗到制動(dòng)電阻柵,以熱能形式釋放到空氣中.這樣的再生制動(dòng)系統(tǒng)能減少能量損耗,存儲(chǔ)的能量可延長礦用自卸車的續(xù)航里程.而傳統(tǒng)燃油礦用自卸車沒有搭載蓄電池等存儲(chǔ)能量的裝置,因而無法對制動(dòng)或者下坡工況下的動(dòng)能或勢能進(jìn)行回收.

1.4 燃油礦卡結(jié)構(gòu)復(fù)雜,效率較低

燃油礦卡動(dòng)力傳遞路線長,能量轉(zhuǎn)換多,利用率較低.燃油礦卡的能量轉(zhuǎn)換過程是首先從化石燃料的化學(xué)能通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,再利用機(jī)械系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輪的動(dòng)能.此過程中若燃料燃燒不充分將造成能源浪費(fèi),同時(shí)部分能量又通過熱能形式浪費(fèi),多一層能量轉(zhuǎn)換就又多一次能量損耗[9].

2 電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來,隨著礦用自卸車市場的大幅增長,市場需求倒逼礦山企業(yè)要不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破.在大噸位級(jí)礦用自卸車產(chǎn)業(yè)中,國際一線品牌如卡特等企業(yè)曾一度占領(lǐng)了300噸級(jí)礦用自卸車市場.如今,我國的一些民族品牌如湘電集團(tuán)等在自卸車領(lǐng)域迅速崛起,并在市場上占一席之地.礦用自卸車在工程作業(yè)中的載重量通常在百噸以上,相比機(jī)械傳動(dòng)礦用自卸車,電傳動(dòng)礦用自卸車因其元件電氣化能減少機(jī)械磨損,簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更短的傳動(dòng)鏈能帶來更高的傳動(dòng)效率和更強(qiáng)的牽引能力,使得電傳動(dòng)礦用自卸車在這方面有巨大的優(yōu)勢.電傳動(dòng)礦用自卸車在結(jié)構(gòu)、能源驅(qū)動(dòng)上的優(yōu)化可滿足企業(yè)節(jié)能、清潔、低成本的需求,因此我國礦用自卸車實(shí)現(xiàn)電氣化是大勢所趨,時(shí)代的選擇.

2.1 車載能源

車載能源裝置是純電動(dòng)礦卡的核心部件,其性能參數(shù)很大程度影響礦卡動(dòng)力性、續(xù)航等關(guān)鍵性指標(biāo).純電動(dòng)礦卡的廣泛應(yīng)用依賴于車載能源裝置的進(jìn)一步升級(jí),同時(shí)為提升客戶體驗(yàn)還要滿足快充、體積小且能量存儲(chǔ)大等要求,目前市場上常見的車載能源都存在一些缺陷而無法滿足上述全部要求.如燃料電池和蓄電池的功率不足,超級(jí)電容和超高速飛輪的能量密度不足[10]等.綜合各種車載能源裝置的優(yōu)點(diǎn)并規(guī)避其缺點(diǎn)是解決當(dāng)前車載能源裝置困境的一個(gè)突破口.現(xiàn)今的油電混合動(dòng)力技術(shù),由于混合動(dòng)力控制技術(shù)難度高,業(yè)內(nèi)鮮有企業(yè)采用混合動(dòng)力能源裝置.因此加大混合動(dòng)力能源裝置的研發(fā)與投入,實(shí)現(xiàn)車載能源安全可靠、綠色清潔、價(jià)格低廉,對礦用自卸車行業(yè)的綠色、持續(xù)、健康發(fā)展有重大意義.

2.2 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

純電動(dòng)礦卡依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)的性能與品質(zhì)直接決定礦卡的動(dòng)力性能.作為礦卡動(dòng)力部件,電機(jī)必須滿足礦卡在各種工況下的扭矩、功率、過載能力等行駛要求,同時(shí)為保證駕駛員的駕駛體驗(yàn)其噪聲也不宜過大.就現(xiàn)狀而言,電機(jī)動(dòng)力的標(biāo)定、最優(yōu)控制策略等方面還有待發(fā)展完善.近年來,電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)研究的熱門,聚焦改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu),優(yōu)化電機(jī)的調(diào)速控制,滿足礦卡各種行駛工況的要求,使電機(jī)在各種工況下達(dá)到最優(yōu)動(dòng)力與能耗的平衡.

2.3 能量管理

能量管理系統(tǒng)是一種復(fù)雜、綜合的控制性管理系統(tǒng),利用各傳感器數(shù)據(jù),檢測其溫度、充放電電壓、電流等性能狀態(tài),計(jì)算剩余電量,同時(shí)還能采集礦卡行駛工況(如車內(nèi)外溫度、車輛速度、加速度等信息),實(shí)現(xiàn)對礦卡狀況的把控以合理分配能量[11].由于車載能源裝置的能源補(bǔ)給相比傳統(tǒng)燃油礦卡還有很大差距,行駛里程一直是限制其發(fā)展的重要因素.因此,延長純電動(dòng)礦卡的續(xù)航時(shí)間和里程,提升車載能源裝置的能量利用率,減少能量浪費(fèi),是促進(jìn)礦用自卸車發(fā)展的關(guān)鍵.

2.4 再生制動(dòng)

再生制動(dòng)系統(tǒng)能減少礦卡的能源浪費(fèi)并儲(chǔ)存能量,是純電動(dòng)礦卡的特有優(yōu)勢.通過電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的快速轉(zhuǎn)換,在車輛減速或制動(dòng)時(shí),制動(dòng)力矩對車輪實(shí)施的制動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用可轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)在車載能源裝置中的電能[12].能量回收技術(shù)可提高能量的利用率,延長礦卡續(xù)航里程,獲得更好的經(jīng)濟(jì)性.但是現(xiàn)階段對能量回收技術(shù)的應(yīng)用研究還處于理論階段,因此,深入研究再生制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用很有必要.

2.5 快速充電技術(shù)

蓄電池作為純電動(dòng)礦卡的能源供給,通過充電裝置從電網(wǎng)中獲得補(bǔ)給.電動(dòng)礦卡的充電技術(shù)還存在不足,充電功率小,大容量電池的充電時(shí)間長,給生產(chǎn)、生活及工程等方面帶來很多不便.快速充電技術(shù)能極大地改善純電動(dòng)礦卡的使用體驗(yàn),市面上雖然已出現(xiàn)能在30 min左右充滿的蓄電池,但這種采取高壓、大電流的充電手段嚴(yán)重影響電池的使用壽命,且安全性較差,不利于電池行業(yè)的健康發(fā)展.因此發(fā)展快速充電技術(shù)對推動(dòng)純電動(dòng)礦卡在運(yùn)輸行業(yè)中的應(yīng)用意義重大[13].

2.6 換電技術(shù)

礦用自卸車換電就是將車載的整塊動(dòng)力電池總成快速拆卸下來,替換為滿電的動(dòng)力電池總成.換電理論的提出,徹底解決了礦用自卸車因充電帶來的生產(chǎn)、安全等問題.但是目前關(guān)于電動(dòng)汽車車載電池快速更換裝置的設(shè)計(jì)研究較少[14],理論發(fā)展還不完善,其電池總成的快速安裝拆卸還沒有較好的解決方案.因此,礦用自卸車快速換電技術(shù),對礦用自卸車的運(yùn)輸安全、提高礦山產(chǎn)能和降低運(yùn)營成本等方面有著舉足輕重的影響.

3 結(jié)論

1)純電動(dòng)礦卡相比傳統(tǒng)燃油動(dòng)力礦卡,減少了動(dòng)力傳動(dòng)環(huán)節(jié)和能量損失;同時(shí)電動(dòng)礦卡在制動(dòng)或者下坡工況時(shí),能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,對蓄電池進(jìn)行充電,從而提高車輛的續(xù)航里程;純電礦車具有環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)維成本低、智能等特點(diǎn),可真正實(shí)現(xiàn)零碳排放,是礦用自卸車發(fā)展的主流方向.

2)混合動(dòng)力能源裝置、大功率快充及換電等技術(shù)的發(fā)展是車輛電動(dòng)化走向成熟和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素,能有效促進(jìn)純電礦卡快速發(fā)展.