基于實(shí)際行駛工況的電動(dòng)礦卡能耗經(jīng)濟(jì)性分析

王卓周, 姚錫斌, 付 澤, 彭 倩

(1.福建宏大時(shí)代新能源科技有限公司, 福建 廈門 361000; 2.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福建 廈門 361024)

1 前言

2018年,國(guó)家相關(guān)部委提出了礦山行業(yè)全面實(shí)施有序綠色開(kāi)采和綠色運(yùn)輸模式。以徐工重工、宇通重工、北奔重汽等為代表的企業(yè)已成功研制電動(dòng)礦卡并得到了廣泛運(yùn)營(yíng),礦卡電動(dòng)化已成為重要發(fā)展趨勢(shì)[1]。礦山機(jī)械通常以封閉環(huán)境、短距離、大坡度行駛為主,電動(dòng)礦卡在下坡過(guò)程中,車輛及載運(yùn)質(zhì)量的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,通過(guò)制動(dòng)能量回收功能將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。再生制動(dòng)也稱反饋制動(dòng),是一種使用在電動(dòng)車輛上的制動(dòng)技術(shù)。在制動(dòng)時(shí)把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存起來(lái),而不是變成無(wú)用的熱。制動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)扭矩以及電流,電流經(jīng)逆變器、高壓配電單元等附件向動(dòng)力電池充電,最終實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收,對(duì)行駛經(jīng)濟(jì)性的提高具有重要意義。

針對(duì)電動(dòng)礦卡在礦山上的應(yīng)用,一些學(xué)者做了大量研究。董志龍[2]針對(duì)電動(dòng)礦卡在露天煤礦的應(yīng)用,分析了純電動(dòng)礦用卡車試生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題,并與燃油卡車進(jìn)行優(yōu)劣比較,但未對(duì)礦卡行駛工況進(jìn)行分析。Javier Valenzuela Cruzat針對(duì)一個(gè)完整的下坡-上坡卡車循環(huán)工況,開(kāi)發(fā)了一個(gè)綜合電動(dòng)機(jī)械模型,該模型能夠確定動(dòng)力系統(tǒng)、牽引和緩沖系統(tǒng)的所有相關(guān)變量,但與真實(shí)循環(huán)工況相關(guān)信號(hào)存在誤差。楊超[3]基于TR50礦用卡車“油改電”技術(shù)研發(fā),在銅曼露天采場(chǎng)上尋找純電動(dòng)礦用卡車可控成本中相關(guān)變量的最優(yōu)參數(shù)范圍,使電動(dòng)礦卡更好的發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì),但數(shù)據(jù)未涉及多種工況。Lindgren Lars以瑞典北部Aitik銅礦5個(gè)代表典型作業(yè)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)對(duì)仿真模型進(jìn)行測(cè)試,研究表明,在合理的假設(shè)條件下,電池-電動(dòng)操作比柴油-電動(dòng)操作便宜得多,但是在一定假設(shè)條件下進(jìn)行仿真,缺乏真實(shí)場(chǎng)景驗(yàn)證。Yan Qing-dong提出的預(yù)測(cè)能量管理策略能夠?qū)﹄娏π枨笃鸬街陵P(guān)重要的預(yù)測(cè)作用,進(jìn)一步降低了混合動(dòng)力電動(dòng)礦車的油耗,但未對(duì)純電動(dòng)礦卡能耗進(jìn)行分析。李鵬[4]通過(guò)夏日哈木鎳鈷礦山對(duì)新能源及純電動(dòng)礦卡的應(yīng)用,證明了高寒高海拔地區(qū)礦山生產(chǎn)是可行的,但未對(duì)能耗進(jìn)行分析。Huawei Zhang通過(guò)與同類柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)純電動(dòng)礦用自卸車能耗減排潛力。研究表明,純電動(dòng)礦用自卸車能有效降低能耗和排放,但未對(duì)電動(dòng)礦卡制動(dòng)能量回收進(jìn)行分析[5]。

綜上所述,當(dāng)前研究主要針對(duì)電動(dòng)礦卡應(yīng)用在礦場(chǎng)中的可行性進(jìn)行了探討,所研究的行駛工況較單一,并沒(méi)有針對(duì)行駛工況聚類,也未探討不同路段的經(jīng)濟(jì)性差異。電動(dòng)礦卡實(shí)際行駛時(shí)工況變化頻繁,在不同工況下能耗差異較大,因此針對(duì)以上問(wèn)題,對(duì)某重載純電動(dòng)礦卡的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。對(duì)行駛工況進(jìn)行聚類分析,通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘的方法,將電動(dòng)礦卡與燃油礦卡的燃料成本進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估礦卡電動(dòng)化對(duì)降低運(yùn)營(yíng)成本的積極意義。

2 礦卡行駛工況采集

2.1 礦卡工況采集流程

本研究所處地點(diǎn)為某露天礦山,該礦山采用大型卡車進(jìn)行運(yùn)輸,采礦工藝主要包括開(kāi)采、爆破、破碎和排渣,主要使用的設(shè)備包括大型卡車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、爆破車等。數(shù)據(jù)來(lái)源為該礦山已投放使用的重載礦卡在2021—2022年內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),采集的周期時(shí)長(zhǎng)和頻率均按照GB/T 32960.3—2016文件中要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其中包括采集頻次不能低于1次/秒。本研究實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件的采集要求,能夠?yàn)楸狙芯刻峁└哔|(zhì)量、詳實(shí)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)車載數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取,該設(shè)備由車載診斷系統(tǒng)(OBD)接口供電。當(dāng)?shù)V卡啟動(dòng)后,OBD通過(guò)CAN總線獲取車輛行駛數(shù)據(jù),同時(shí)通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取位置數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。參照GB/T 32960—2016將得到的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終得到可利用的數(shù)據(jù)。電動(dòng)礦卡具體數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

電動(dòng)汽車SOC是指電動(dòng)汽車動(dòng)力電池剩余容量與總?cè)萘恐?即電池剩余可用電量,公式為

(1)

式中,Qremain電池中剩余的電池電荷容量;Qdischarge為最近一次充滿電后電池中已經(jīng)放掉的電荷量。

2.2 采集車輛

車輛具體參數(shù)見(jiàn)表1,本次研究采用同一企業(yè)生產(chǎn)、額定載重量同為6 000 kg的兩款礦卡,其中一款為電動(dòng)礦卡,一款為燃油礦卡。

表1 測(cè)試車輛主要參數(shù)

2.3 電動(dòng)礦卡經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型

為準(zhǔn)確分析電動(dòng)礦卡經(jīng)濟(jì)特性,需要了解影響電動(dòng)礦卡能耗的相關(guān)因素,因此對(duì)電動(dòng)礦卡的能耗構(gòu)成進(jìn)行分析。

電動(dòng)礦卡行駛模型如圖2所示。礦卡從A到B的過(guò)程中,通過(guò)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出動(dòng)力,用于克服車輛的行駛阻力做功及附件能耗。在整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力輸出的過(guò)程中,存在以下的能耗:電池充放電損耗、電機(jī)充放電能耗、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗。電池所消耗的能量E總可以分解為牽引力做功E牽引和附件能耗E附件,而牽引力做功耗能可分為汽車行駛過(guò)程中動(dòng)能變化ΔE動(dòng)能、重力勢(shì)能變化ΔE重力勢(shì)能、克服道路滾動(dòng)阻力耗能E滾阻、克服坡度阻力耗能E坡阻、克服行駛過(guò)程中風(fēng)阻耗能E風(fēng)阻和傳動(dòng)系統(tǒng)能量損耗E傳動(dòng)損耗。

圖2 電動(dòng)礦卡行駛模型

E總=E牽引+E附件

(2)

E牽引=ΔE動(dòng)能+ΔE重力勢(shì)能+E滾阻+E坡阻+E風(fēng)阻+E傳動(dòng)損耗

(3)

1) 行駛阻力

Fr=Ff+Fw+Fi+Fj

(4)

式中:Fr——行駛阻力;

Ff——行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力;

Fw——行駛時(shí)的空氣阻力;

Fi——行駛時(shí)的坡道阻力;

Fj——行駛時(shí)的加速阻力

Ff=Gμcosθ

(5)

(6)

Fi=Gsinθ

(7)

(8)

以上G為作用于礦卡上的重力,G=mg,m為車輛質(zhì)量,g為重力加速度,μ為滾動(dòng)摩擦系數(shù),θ為坡度角,CD為空氣阻力系數(shù),A為迎風(fēng)面積,Va為行駛速度。通過(guò)計(jì)算,知滾動(dòng)阻力與坡道阻力為阻力的最主要組成,滾阻占比份額很高,平路狀態(tài)下,空載滾阻能耗占比97%以上;滿載滾阻能耗占比99%以上。由此可以看出礦卡車輛的行駛阻力主要取決于車輛質(zhì)量,滾阻摩擦系數(shù)以及坡度。

2) 單位里程能耗e與單位質(zhì)量比能耗e0

e=E/S=FS/S=F=P/v

(9)

e0=e/m=F/m=F/(m1+m2)=F/m1/(1+m2/m1)

(10)

其中E為總能耗,S為行駛距離,F為阻力;m為總質(zhì)量,m1是車輛自重,m2為載運(yùn)質(zhì)量。車輛自重m1約為34 t,m2額定質(zhì)量為60 t。根據(jù)監(jiān)測(cè),m2的變化范圍主要在55～75 t,平均約65 t。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型來(lái)看,單位質(zhì)量比能耗e0主要取決于阻力大小、整車質(zhì)量、載質(zhì)比。

3)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

往返凈能耗表示礦卡完成一次運(yùn)輸任務(wù)所消耗的能量,用往返結(jié)束時(shí)SOC與開(kāi)始時(shí)SOC的差值表示。

E往返凈能耗=E上坡+E下坡=E往返總-E往返回收

(11)

往返制動(dòng)能量回收率[12]用來(lái)評(píng)價(jià)礦卡制動(dòng)回收能力,其定義為

(12)

3 礦卡運(yùn)載特征聚類分析

根據(jù)GPS信息中的海拔高度和車輛SOC變化幅度、載重量,獲得車輛行駛工況。通過(guò)觀測(cè)得到車輛呈現(xiàn)往返運(yùn)輸特征,主要往返于采掘工作面和破碎口、鏟裝工作面和排土場(chǎng)之間,其中破碎口和排土場(chǎng)位于較高海拔地段,采掘工作面和鏟裝工作面位于較低海拔地段。礦卡運(yùn)行工況可分為四類,分別是:重載上-重載下、重載上-空載下、空載上-重載下、小坡段來(lái)回。其中,前三類為連續(xù)長(zhǎng)坡行駛,海拔高度差通常在200 m以上,第四類小坡段來(lái)回為短距離作業(yè),海拔高度差通常在50 m以內(nèi)。

圖3所示為電動(dòng)礦卡的典型行駛工況組合示意圖,圖中A為典型空載上坡-重載下坡行駛工況,B處為典型重載上坡-重載下坡行駛工況,C處為重載上坡-空載下坡行駛工況,D處為小坡段行駛工況。相對(duì)來(lái)說(shuō),長(zhǎng)坡段下坡過(guò)程中,由于海拔高度差形成的勢(shì)能通過(guò)車輛制動(dòng)回收可獲得較可觀的能量;坡道較短時(shí),可回收程度較低。本研究以長(zhǎng)坡段作為主要研究對(duì)象。

圖3 礦卡典型工況組合

圖4為長(zhǎng)坡度重載上-重載下、重載上-空載下、空載上-重載下等工況在各地區(qū)的占比情況。本研究過(guò)程共采集了3 850個(gè)完整的片段,根據(jù)以上4種常見(jiàn)工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中空載上-重載下約占64%,重載上-重載下約占25%;以上兩種工況占比89%,即大多數(shù)情況下,礦卡在下坡過(guò)程中可回收比較可觀的能量。

圖4 各行駛工況占比

3.1 不同工況的能耗分析

1)空載上-重載下

空載上-重載下為占比最高的行駛工況,也是能量回收率最高的工況。根據(jù)周期統(tǒng)計(jì),該工況主要往返于350～572 m,350～584 m,350～620 m路段,海拔高度差通常為222～270 m?？蛰d上坡時(shí),SOC降低范圍為14.4%～18.6%,平均消耗能量為15.5%;滿載下坡時(shí),SOC上升范圍為6%～12.4%,平均回收能量約為9.5%;往返凈能耗約為6%。以上工況下,制動(dòng)能量回收量與外部充電量的比例約為1∶0.631,即往返制動(dòng)能量回收率平均為61.3%。

圖5所示為空載上-重載下的典型案例,其中圖5(a)為能量回收率較高的案例,此時(shí)該路段為350～584 m,海拔高度差為234 m,上坡消耗能量約13.2%～14.8%,下坡回收能量約10.8%～11.2%,往返凈能耗約為2.4%～3.6%,往返制動(dòng)能量回收率約為75.7%～81.8%。

圖5 空載上-重載下工況

圖5(b)為能量回收率較低的案例,該路段為350～584 m,海拔高度差約為234 m,上坡消耗能量約15%～17.6%,下坡回收能量約6.4%～7.6%;往返凈能耗約8.6%～10%。往返制動(dòng)能量回收率約為42.7%～43.2%。

2) 重載上-重載下

重載上-重載下為占比排名第二的行駛工況。根據(jù)周期統(tǒng)計(jì),該工況通常往返于350～572 m,350～584 m,350～620 m路段,海拔高度差通常為222～270 m之間。根據(jù)統(tǒng)計(jì),重載上坡時(shí),SOC降低范圍為29%～38%,平均消耗能量為31.2%;重載下坡時(shí),SOC上升范圍為6%～11.4%,平均回收能量為8.6%。往返凈能耗約為22.6%。以上工況下,制動(dòng)能量回收量與外部充電量的比例為1∶2.628,即往返制動(dòng)能量回收率平均為27.6%。

圖6所示為典型的重載上-重載下工況案例,此時(shí)該路段為350～584 m及350～620 m,海拔高度差為234～270 m。重載上坡時(shí),消耗能量為27.4%～33%;重載下坡時(shí),回收能量為6.4%～8.6%。往返凈能耗約為21%～24.4%,往返制動(dòng)能量回收率約為23.4～26.1%。

圖6 重載上-重載下工況案例

3)重載上-空載下

重載上-空載下占比相對(duì)較少,相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性最差。根據(jù)周期統(tǒng)計(jì),重載上坡平均消耗能量為30.6%,空載下坡平均回收能量約為2.6%,往返凈能耗約為28%。以上工況下,制動(dòng)能量回收與外部充電的比例為1∶10.769,即平均往返制動(dòng)能量回收率平均為8.5%。

圖7所示為典型的重載上-重載下工況案例,此時(shí)該路段為350～584 m,海拔高度差為234 m。重載上坡時(shí),消耗能量為30.8%;重載下坡時(shí),回收能量為2%。往返凈能耗約為28.8%。此工況下,制動(dòng)能量回收量與外部充電量的比例為1∶14.4,即往返制動(dòng)能量回收率為6.5%。

圖7 重載上-重載下工況案例

4)小坡段工況

圖8所示為典型的小坡段工況。根據(jù)周期統(tǒng)計(jì),小坡段上坡平均消耗能量為4.4%,空載下坡平均回收能量約為0.8%,往返凈能耗約為3.6%。以上工況下,制動(dòng)能量回收量與外部充電量的比例為1∶4.5,即往返制動(dòng)能量回收率平均為18.2%。各工況回收占比見(jiàn)表2。

表2 各工況下制動(dòng)能量回收占比

圖8 小坡段工況案例

如表2所示,在礦山的幾類工況中,空載上-重載下經(jīng)濟(jì)性最好,制動(dòng)能量回收程度很高;而重載上-空載下,小坡段工況經(jīng)濟(jì)性較差,制動(dòng)能量回收占比很低,主要依靠外部充電。

3.2 電動(dòng)礦卡與燃油礦卡周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

以電動(dòng)礦卡與燃油礦卡在相同工況下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。其中,對(duì)空載上-重載下,重載上-重載下,重載上-空載下的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以上3種工況,電動(dòng)礦卡單回合耗電平均為19 kW·h、71 kW·h、88.2 kW·h;平均外部能耗2.9 kW·h/km、11 kW·h/km、13.7 kW·h/km。燃油礦卡單回合油耗平均為10.6 L、16.85 L、12.5 L,平均公里油耗為3.08 L/km、6.45 L/km、4.62 L/km。

電動(dòng)礦卡、燃油礦卡經(jīng)濟(jì)性如圖9、圖10所示。

圖9 電動(dòng)礦卡往返經(jīng)濟(jì)性

圖10 燃油礦卡往返經(jīng)濟(jì)性

綜上來(lái)看,空載上-重載下均為能耗最低的工況。重載上-重載下工況中,對(duì)于電動(dòng)礦卡,重載下可回收較高的能量;然而對(duì)于燃油礦卡,不僅無(wú)法回收能量,還存在較大的能量損耗。

圖11所示為電動(dòng)礦卡與燃油礦卡在不同工況行駛時(shí)的花費(fèi)情況,電價(jià)與油價(jià)按近期平均價(jià)格進(jìn)行計(jì)算。

圖11 油電經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

(1)空載上坡-重載下坡時(shí):電動(dòng)礦卡往返耗電約為19 kW·h,每公里約為2.9 kW·h,電價(jià)0.86元/kW·h,折算每公里花費(fèi)約為2.494元。燃油礦卡往返耗油約為10.6 L,每公里約為3.08 L,油價(jià)7.5元/L,折算每公里花費(fèi)約為23.1元。綜合節(jié)省能耗成本約為89%。

(2)重載上坡-重載下坡時(shí):電動(dòng)礦卡往返耗電約為71 kW·h,每公里約為11 kW·h,電價(jià)0.86元/kW·h,折算每公里花費(fèi)約為9.46元。燃油礦卡往返耗油約為16.85 L,每公里約為6.45 L,油價(jià)7.5元/L,折算每公里花費(fèi)約為48.375元。綜合節(jié)省能耗成本約為80%。

(3)重載上坡-空載下坡時(shí):電動(dòng)礦卡往返耗電約為88.2 kW·h,每公里耗電13.7,電價(jià)0.86元/kW·h,折算每公里花費(fèi)約為11.782元。燃油礦卡往返耗油約為12.5 L,每公里約為4.62 L,油價(jià)7.5元/L,折算每公里花費(fèi)約為34.65元。綜合節(jié)省能耗成本約為66%。

(4)在整個(gè)周期內(nèi),電動(dòng)礦卡平均每公里5.56 kW·h,電價(jià)0.86元/kW·h,折算每公里花費(fèi)約為4.781 6元。燃油礦卡每公里約為3.82 L,油價(jià)7.5元/L,折算每公里花費(fèi)約為28.65元。綜合節(jié)省能耗成本約為83%。

4 結(jié)論

通過(guò)礦卡在不同行駛工況的行駛工況采集以及經(jīng)濟(jì)性分析,可形成以下結(jié)論:

(1)礦卡行駛工況呈現(xiàn)顯著的來(lái)回往返特性,通過(guò)聚類分析,礦卡的回合工況可分為:空載上-重載下、重載上-重載下、重載上-空載下、小坡段四種行駛工況。

(2)在長(zhǎng)坡行駛工況中,空載上-重載下約占64%,重載上-重載下約占25%,以上兩種工況占比89%,即大多數(shù)工況下,電動(dòng)礦卡可實(shí)現(xiàn)較理想的制動(dòng)能量回收。

(3)空載上-重載下、重載上-重載下、重載上-空載下、小坡段四種工況制動(dòng)能量回收平均占比可達(dá)61.3%、27.6%、8.5%、18.2%。

(4)相比燃油礦卡,電動(dòng)礦卡在整個(gè)周期內(nèi)能有效降低燃料成本約83%。