高原隧道濕噴臺車電動化技術研究

陳國慶，江 帥，蘇 薇，盧照昕，鄭中山

（1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南 鄭州 450016；3.河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 450016）

目前我國高原山嶺隧道多采用鉆爆法施工，隧道施工設備已基本上實現(xiàn)了全機械化，但施工設備以柴油內(nèi)燃機動力為主，由于高原地區(qū)海拔高、氣溫低、氧氣含量低，造成設備出現(xiàn)工效損耗大、與人爭氧、能耗成本高等問題，電動設備采用電池和電機驅動技術，可以從根本上避免此類問題，在高原隧道施工的應用前景廣闊。

1 電動工程設備發(fā)展情況及相關政策趨勢

我國在新能源工程裝備研發(fā)應用領域投入了大量的人力和財力，工程機械電動化步入了快車道，品類和數(shù)量快速增長。國內(nèi)企業(yè)陸續(xù)推出電動化產(chǎn)品，推動了電動設備在工程施工領域的應用。柳工、徐工、中聯(lián)重科、長安重工、三一重工、山河智能等主要工程機械廠家，相繼開發(fā)生產(chǎn)了電動自卸汽車、電動挖掘機、電動裝載機、電動混凝土運輸車等工程機械。國外工程機械巨頭也紛紛布局研發(fā)新能源工程機械?？ㄌ乇死铡⑽譅栁?、小松等相繼研發(fā)了純電動裝載機、電動地下礦用卡車、電動挖掘機等。

2020 年9 月22 日第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國承諾2030 年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060 年前實現(xiàn)“碳中和”。電動化施工設備零排放、無污染，應用電動化裝備成為高原隧道建設發(fā)展的新方向和技術趨勢。2020 年12 月28 日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求（發(fā)布稿)》（以下簡稱：國四)，“國四”排放標準于2022 年12 月1 日正式實施，排放要求切換促使工程裝備電動化進入快速發(fā)展階段，電動設備開始逐步應用到工程施工領域。2021年，中國工程機械工業(yè)協(xié)會發(fā)布《工程機械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，明確了新能源工程機械為先導工程，并被作為重點發(fā)展的裝備。2023 年全國兩會上，第十四屆全國人大代表，中鐵工業(yè)總工程師、中鐵裝備副總經(jīng)理、首席專家王杜娟建議大力發(fā)展?jié)崈艟G色工程機械，讓電動化產(chǎn)品領跑世界。她同時建議，對工程機械電動化產(chǎn)品實行三年補貼政策。

2 高原隧道施工燃油設備缺點

燃油設備大量消耗隧道內(nèi)氧氣，與人爭氧，同時，排放大量有害氣體和顆粒物質(zhì)，影響空氣質(zhì)量，加劇洞內(nèi)環(huán)境惡化，影響作業(yè)人員的健康和施工作業(yè)的安全。高原氣溫低，潤滑油性能變差，發(fā)動機運行阻力大，負荷高，設備啟動困難，影響施工效率，也造成維修和維保費用增加。研究表明，海拔每升高1 000m，內(nèi)燃機動力損失約11%，如圖1 所示，若隧道洞口海拔在4 000m 以上，動力損失將超過45%。高原缺氧問題造成發(fā)動機功率降低，影響施工效率，增加設備能耗成本。

圖1 海拔高度對內(nèi)燃機動力影響

3 高原隧道施工電動設備優(yōu)勢和應用需求

3.1 電動設備綠色友好、使用成本低

電動裝備以電能直接驅動電機作業(yè)，不消耗氧氣，解決了燃油設備與人爭氧等問題，緩解了通風系統(tǒng)壓力，不產(chǎn)生有害氣體，實現(xiàn)尾氣零排放，減少了隧道內(nèi)煙塵濃度，降低了機械噪音，有效改善了隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，體現(xiàn)了“以人民為中心”和“生命至上”的建設理念。

在高原環(huán)境下電動設備比燃油設備工作效率高，維保成本少，整體使用成本低。根據(jù)調(diào)研信息，以某高原鐵路2 號隧道1#橫洞應用電動裝載機出渣為模型測算，電動裝載機使用5 年比燃油裝載機綜合成本投入低55.1 萬元（設備采購成本已納入計算），成本優(yōu)勢非常明顯，調(diào)研測算數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 裝載機使用經(jīng)濟性對比

3.2 高原隧道施工電動設備具有明確應用需求

2021 年4 月，某高原鐵路創(chuàng)新公司在成都召開了高原鐵路新能源裝備技術研討會，對新能源裝備在高原鐵路隧道施工中的運用進行了研討交流。2022 年9 月，該高原鐵路有限公司制定高原鐵路綠色智能裝備推廣指導意見，支持推廣綠色智能裝備。電動化設備零排放、無污染，應用電動化裝備成為高原隧道建設發(fā)展的新方向和技術趨勢。本文重點對高原濕噴臺車電動化技術方案進行了研究，希望能為隧道掘錨噴等專用設備電動化的研發(fā)提供參考。

4 高原隧道濕噴臺車電動化技術方案

4.1 總體方案

1）針對高原隧道海拔高、氣溫低、空氣稀薄等極端條件，結合噴漿施工特點和作業(yè)要求，進行典型工況采集，對設備適應性、可靠性、技術穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面進行研究，同時，考慮油改電后產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性，確定以某燃油版濕噴臺車為基礎，設備行走采用電機驅動替代柴油機驅動的技術方案，液壓系統(tǒng)和上裝工作裝置保持不變，基于未來智能化無人駕駛需求，選擇增加無線遙控駕駛和控制功能，設置基本性能參數(shù)如表2 所示。

表2 基本性能需求

2）總體技術方案是用電機代替原發(fā)動機，電機與驅動泵用聯(lián)軸器連接，用多合一控制器控制電機，兼顧DC/DC、高壓電源分配、快充等功能，配置動力電池系統(tǒng)（含BMS、水冷和電加熱），采用車載OBC，在車輛作業(yè)時可通過外接380V 交流電為動力電池充電，采用VCU 整車控制器對整車進行調(diào)度控制，保留原車液壓控制器，具體如圖2 和圖3 所示。

圖2 電動濕噴臺車

圖3 濕噴臺車電動化整車技術方案示意圖

4.2 關鍵技術探索

4.2.1 動力系統(tǒng)驅動電機選型

根據(jù)整機質(zhì)量、最高車速和爬坡度，測算電機功率、扭矩和轉速，基于整機動力需求，綜合考慮電機系統(tǒng)效率和電機輸出特性，對驅動電機進行匹配選型。計算公式如下

其中，PN為電動機額定功率，ηT為傳動系統(tǒng)總效率，m為整機最大質(zhì)量，f為滾動摩擦系數(shù)，Cd為風阻系數(shù)，A為迎風面積，vmax為最高車速。

通過額定功率和電機轉速可以計算出電動機額定轉矩。計算公式如下

其中，TN為電機額定轉矩，nN為電機轉速。

經(jīng)測算得出電機額定功率、額定扭矩、轉速等理論參數(shù)，結合電機系統(tǒng)效率MAP 圖綜合分析，確定電機選型參數(shù)，如表3 所示。

表3 電機選型參數(shù)

4.2.2 動力電池電芯選型方案

目前動力電池電芯主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰可供選擇，不同電芯材料在能量密度、安全性、使用壽命、成本等方面存在差異，如表4所示。

表4 動力電池電芯性能對比

鈷酸鋰能量密度高，抗過充性能差，不安全且鈷有放射性，不環(huán)保；鈷是儲量少的貴重金屬，成本高。磷酸鐵鋰能量密度高、磷和鐵儲量大、價格低，幾乎無熱失控（熱失控溫度在800℃以上），性能穩(wěn)定且安全。三元鋰能量密度高，但稀有金屬多，成本比磷酸鐵鋰高，熱失控溫度為200℃，需要多系統(tǒng)結合滿足安全性。錳酸鋰能量密度比磷酸鐵鋰略低，最大問題是在高溫度工作時易溶解且衰減快，穩(wěn)定性、安全性不及磷酸鐵鋰。鈦酸鋰壽命長，但平臺電壓和能量密度低，系統(tǒng)連接多，存在高溫脹氣問題，且成本較高。

綜上，電池電芯選用安全可靠、能量密度大、性能穩(wěn)定的磷酸鐵鋰電池?？紤]環(huán)境適用性，電池熱管理需配置加熱和冷卻系統(tǒng)，保證在環(huán)境溫度-35～45℃可正常工作。

4.2.3 電池電量方案

根據(jù)濕噴臺車電機功率和隧道內(nèi)行走距離，考慮最少留存電量，避免電池電量過放影響電池性能和使用壽命。參考電動汽車電池選型標準GB/T18386-2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，按照續(xù)航行駛20km，放電深度80%，采用等速法測算動力電池所需的容量，計算公式如下

其中，Cev為滿足續(xù)駛里程動力電池所需的容量，Va為等速測量的車速，Sev為車輛設計的純電動行駛目標里程，DOD為電池的放電深度，即電池從充滿電到最低電量的范圍，ηT為傳動系統(tǒng)總效率，ηm為驅動電機平均效率，ηbat為電池的平均放電效率，Ubat為電池的額定電壓。

根據(jù)電池容量計算得到的電池總能量，計算公式如下

其中，We為電池總能量，Cev為滿足續(xù)駛里程動力電池所需的容量，Ubat為電池的額定電壓。

經(jīng)測算分析，動力電池選型詳細參數(shù)如表5。

表5 動力電池參數(shù)

4.2.4 整車熱管理系統(tǒng)設計方案

整車熱管理系統(tǒng)設計重點是電池溫度控制和電機冷卻。電池工作溫度范圍為0～45℃，最佳的充放電溫度在20℃左右。溫度會直接影響電池性能，在超過電池工作范圍時，電池無法正常放電，也會出現(xiàn)無法充電情況。電池加熱采用內(nèi)置加熱膜加熱方案，冷卻采用循環(huán)液冷散熱器加空調(diào)制冷的設計方案，示意圖如圖4 所示。

圖4 電池熱管理系統(tǒng)設計方案

基于此方案對動力電池控制策略進行設定，如表6，當電池溫度T小于0℃需加熱，采用加熱膜技術；當T在0～35℃時，不需要加熱也不需要冷卻；當T在35～45℃時，主要靠電池散熱器散熱；當T大于45℃時，電池包散熱器輔助散熱同時，可以由空調(diào)系統(tǒng)的1 個支路提供冷卻。

表6 動力電池熱管理控制策略

電機溫度過高會導致電機限扭矩，系統(tǒng)無法正常工作。電機不需加熱，只要考慮散熱，整體方案是采用風冷加水冷的聯(lián)合冷卻形式，采用水路串聯(lián)連接方式，即冷卻水經(jīng)由冷卻系統(tǒng)后，先流經(jīng)電機驅動器，然后流入電機，最后返回冷卻系統(tǒng)，形成水循環(huán)系統(tǒng)，示意圖如圖5 所示。

圖5 電機冷卻系統(tǒng)設計方案

4.2.5 充電方案

充電采用兩種方案，滿足不同場景下補能需要，設備在噴漿泵送工作時外接380V 交流電源，采用OBC 車載充電機，在設備噴漿的同時為動力電池慢充補能，如圖6 所示。電池淺充淺放，可提升電池續(xù)航能力和使用壽命。

圖6 OBC車載充電機充電方案

設備同時配置高壓直流充電插口，在非工作時間，可同其它電動設備充電樁通用。在隧洞外設置120kW 直流快速充電樁，設備在洞外不作業(yè)時，可采用直流高壓快充模式，在電池電量剩余20%時，滿足40～50min 內(nèi)電池電量充滿。

4.3 隧道電動設備存在問題和建議

1）目前續(xù)航能力不如燃油設備，整機初期采購成本高，充電、補能方式不靈活。整機可靠性、耐久性和電池壽命仍需要進一步提高。

2）建議各研發(fā)廠家加快技術突破，提高電池能量密度，增加續(xù)航時間，降低整機價格，提供多種補能模式，如采用換電形式或便攜式移動充電樁，滿足長續(xù)航需求。

3）探索車電分離模式，電池以租代售，降低設備價格。

4）基于5G 網(wǎng)絡技術的遠程監(jiān)控及無人駕駛技術研究，提高電動設備智能化水平，在巖爆和突涌水等危險應用場景，實現(xiàn)遠程無人駕駛，滿足客戶智能化、少人化、無人化施工需求。

5 結論

近兩年國家持續(xù)加大對基礎建設投資，繼本文講到的高原鐵路之后，還有多個重大建設工程項目處于高海拔缺氧地區(qū)，純電動設備綠色節(jié)能高效，又可以有效解決與人爭氧和環(huán)境污染的問題，非常適合在高原隧道施工中應用。隨著技術的進步和設備成本的降低，高原隧道施工采用電動化設備的條件和技術越來越成熟，希望本文提出的濕噴臺車電動化方案，可以為高原隧道施工專用設備電動化研究提供參考，也為后續(xù)高原隧道建設提供一種新的思路和方案。