趙鑫鑫，李 兵，張文明

北京科技大學(xué) 北京 100083

非公路運輸車輛工作路程較短、載質(zhì)量大，是用于礦石運輸與土方剝離的一種重型自卸車，由大型電鏟或者液壓鏟進行裝載，在采集點和裝載點之間往返。隨著采礦規(guī)模不斷增加，采礦深度逐漸加大，運輸?shù)缆啡諠u陡峭，原來的鐵路運輸已經(jīng)很難滿足開采要求，大型非公路運輸車輛即迎來了發(fā)展機遇。

隨著綠色礦山概念的提出和電動汽車技術(shù)的發(fā)展，電能驅(qū)動的車輛應(yīng)用于礦山領(lǐng)域已成為礦用運輸車輛發(fā)展的方向。純電動礦用自卸車實現(xiàn)了零排放、低噪聲，有效地改善了作業(yè)環(huán)境[1]?；旌蟿恿鲃蛹夹g(shù)能夠有效改善車輛經(jīng)濟性和動力性，成熟的混合動力技術(shù)為混合動力非公路運輸車輛提供了技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的電動輪技術(shù)是通過發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，驅(qū)動電動機帶動車輛運行，在原系統(tǒng)增加動力電池即可構(gòu)成串聯(lián)混合動力系統(tǒng)。電動輪車輛一般采用異步電動機，其具有結(jié)構(gòu)堅固、體積小等優(yōu)點，此外，永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機也各具優(yōu)勢。發(fā)展氫能是尋求解決能源、資源和環(huán)境危機的有益探索。我國氫燃料電池汽車初具產(chǎn)業(yè)化條件，而且有些礦山存在副產(chǎn)氫產(chǎn)品，使得氫燃料電池非公路運輸車輛具有商業(yè)化應(yīng)用的可能。

新能源非公路運輸車輛在迅猛發(fā)展的同時也面臨著許多挑戰(zhàn)，主要集中在電池、電動機及電控系統(tǒng)：鋰離子電池短時間內(nèi)內(nèi)阻升高較小，可以實現(xiàn)快速充電，但隨著壽命的衰減，它的充電能力不斷下降；電驅(qū)動與智能技術(shù)發(fā)展也面臨許多技術(shù)難題，無人礦用汽車的發(fā)展也還處于起步階段。解決發(fā)展過程中遇到的這些難題及挑戰(zhàn)，對新能源非公路運輸車輛十分重要。

1 大功率非公路運輸車輛驅(qū)動技術(shù)

1.1 非公路運輸車輛牽引電動機技術(shù)

大功率非公路運輸車輛驅(qū)動工作原理是，利用柴油發(fā)動機驅(qū)動交流發(fā)電機，交流發(fā)電機產(chǎn)生的交流電在主控制柜內(nèi)整流成直流電，然后由逆變器轉(zhuǎn)換成交流電輸入牽引變流器，驅(qū)動車輛，其中牽引電動機多為異步電動機。常用的異步電動機高性能控制方式有兩種：矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制，由德國學(xué)者分別于1971 年與1985 年提出[2]。這兩種控制方法各有優(yōu)劣：矢量控制所需的電動機參數(shù)較多，其控制精度受電動機參數(shù)的影響較大，但是其輸出轉(zhuǎn)矩脈動較??；直接轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快，但是轉(zhuǎn)矩脈動較大[3]。

隨著對高品質(zhì)電動機的需求越來越多，對電動機的要求也越來越高，從最初的動力性能指標(biāo)發(fā)展到現(xiàn)在的集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的高效節(jié)能環(huán)保等性能要求。礦用非公路運輸車輛對驅(qū)動電動機有以下幾點要求：

（1）有較寬的調(diào)速范圍，為了適應(yīng)多工況運行的要求，驅(qū)動電動機要能提供大范圍且穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩；

（2）結(jié)構(gòu)要緊湊抗振動，功率密度大，冷卻、密封好，并且驅(qū)動電動機一般設(shè)計在高效區(qū)間工作，這樣可以使電動機更高效地運行；

（3）開發(fā)效率更高的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，使電動機在各轉(zhuǎn)速區(qū)間運行穩(wěn)定且高效可靠。

因直流電動機轉(zhuǎn)速過高會使機械換向器在高速大負載工況時表面產(chǎn)生火花，隨著控制理論、電子技術(shù)、電動機制造技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，交流異步電動機在礦用車輛中得到了廣泛應(yīng)用[4]。但異步電動機的效率和功率密度偏低，而新一代的永磁同步電動機、開關(guān)磁阻電動機具備更高的效率和功率密度。

永磁系統(tǒng)具有高效率、高功率密度的優(yōu)點，永磁電動機效率高，可長期工作在 500～900 r/min 的低速區(qū)，在低速區(qū)其效率比異步電動機高 4.0%～4.8%。此外，永磁電動機的全封閉設(shè)計更適應(yīng)礦山惡劣環(huán)境。但永磁電動機啟動力矩大、額定轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)速范圍寬、恒功區(qū)長，難以實現(xiàn)全速度范圍高效設(shè)計，且沖擊振動強、全封閉冷卻，導(dǎo)致電動機散熱條件要求高，高效和散熱難以兼顧，解決永磁電動機這些技術(shù)難題十分重要。

開關(guān)磁阻電動機運行原理利用了磁阻最小原理，其結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，且可靠性高、便于維修、效率高、溫升小。同時，開關(guān)磁阻電動機兼具交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的堅固耐用、適用于惡劣環(huán)境和直流調(diào)速系統(tǒng)可控性好的優(yōu)點，非常適合作為電傳動車輛的輪邊電動機，開關(guān)磁阻電動機目前還未在重載車輛中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 非公路運輸車輛動力電池技術(shù)

電動汽車能耗決定續(xù)航里程，降低電耗的節(jié)能技術(shù)是電動汽車未來突破的核心所在[5]。而大功率非公路運輸車輛能耗較乘用車大幅增加，由于動力電池的比能量遠低于相同質(zhì)量的化石燃料，電動車?yán)m(xù)航里程不足就成為限制電動車使用和推廣的瓶頸，對于大噸位的礦用運輸車輛尤為突出?？梢姡岣唠姵乇饶芰渴翘嵘姵匦阅艿闹匾緩?，對于提高車輛續(xù)航里程意義重大[6]。

增大整車電池容量在一定程度上可以使車輛的續(xù)航里程增加，但動力電池成本在電動車整車成本中占比較大，增加電池容量會使整車成本增加較多；而且電池質(zhì)量在電動車整車質(zhì)量占比較大，加大電池容量也會使整車質(zhì)量增加較多。對于非公路運輸電動車輛，根據(jù)使用工況和現(xiàn)場條件，從多角度、多層次研究電動車輛關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)十分必要，開發(fā)具備高比功率型和能量功率兼顧型動力電池，對推動我國新能源大功率非公路運輸車輛的發(fā)展至關(guān)重要。

2 純電動非公路運輸車輛

近年來隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，部分廠家嘗試研制純電動非公路運輸車輛。2021 年 BELAZ 繼續(xù)創(chuàng)新，在柴油機-架線供電混合動力版本上進一步發(fā)展，開發(fā)了一款零排放90 t 全電池電動 7558E 自卸車。該自卸車的動力電池由 15 個鋰離子電池模塊組成，由韓國 Enertech 制造，含有鎳錳鈷氧化物（NMC），總能量容量為 765 kW·h。最新版本的 7558E型自卸車如圖 1[7]所示。該車輛未安裝內(nèi)燃機，全部采用電池組作為動力源，車輛在坡道路段由架空線驅(qū)動，在裝載區(qū)和卸載區(qū)由電池提供動力。

圖1 BELAZ 7558E 自卸車Fig.1 BELAZ 7558E dump truck

Epiroc 公司 MT42 Battery 是一款深地采礦運輸車輛（見圖 2），100% 無化石燃料采礦巖石卡車，適用于地下采礦和民用建筑。該公司嘗試將此類大型電動卡車的電池作為一種服務(wù)進行推廣，為客戶提供了更多的靈活性。電池屬于 Epiroc 銷售公司，公司根據(jù)需要定期更換和更新電池單元，這意味著礦山不必承擔(dān)電池相關(guān)的業(yè)務(wù)，僅專注于提高產(chǎn)量即可。2020年 Epiroc 公司為加拿大某礦山提供了10 輛電動礦用專用車輛，包括4 臺 Scooptram ST14 裝載機、2 臺Boomer M2C 鉆機、2 臺 Boltec MC 螺栓鉆機和2 臺Minetruck MT42 卡車。為了滿足礦山作業(yè)需求，該礦山還將增加3 個 Epiroc 充電柜和7 個充電樁，用于電動設(shè)備的能量補充[8]。

圖2 Epiroc MT42 Battery 采礦車Fig.2 Epiroc MT42 Battery mining truck

3 混合動力非公路運輸車輛

不同于乘用車領(lǐng)域的混合動力系統(tǒng)架構(gòu)較為類似，非公路車輛的混合動力技術(shù)種類較多，除了油電混合動力技術(shù)外，還有機電飛輪儲能混合動力系統(tǒng)、液力儲能混合動力系統(tǒng)等。設(shè)計時，由于儲能部件價格較為昂貴，因此需要不斷實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，以降低成本并提高效益。混合動力傳動技術(shù)能夠有效改善車輛經(jīng)濟性和動力性，目前一些廠家嘗試將功率分流式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用到礦用車輛領(lǐng)域。該系統(tǒng)具備串聯(lián)及并聯(lián)混合動力系統(tǒng)優(yōu)點，利用行星齒輪傳動系統(tǒng)傳遞功率大、傳動平穩(wěn)性好等優(yōu)勢，通過配置電動機實現(xiàn)發(fā)動機端與車輛端的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩解耦[9-10]。采用超級電容作為儲能系統(tǒng)的混合動力非公路運輸車輛總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由整車控制系統(tǒng) Z、發(fā)動機 E、發(fā)電機 G、整流器 RE、電源管理系統(tǒng) BR、動力電源 B（電池組＋超級電容）、制動電阻柜控制器 CA、制動電阻柜 R、輪邊電動機 M、電動機控制器C 等組成。電傳動系統(tǒng)采用交-直-交的能量傳遞結(jié)構(gòu)，每個后車輪均由1 個輪邊電動機獨立驅(qū)動，以獲得良好的驅(qū)動特性[11]。美國卡特彼勒公司在2019 年獲批美國能源部非公路車輛替代能源技術(shù)項目，基于 CAT745 重載車輛，提出利用高速機電飛輪的儲能系統(tǒng)方案，較傳統(tǒng)車型預(yù)計實現(xiàn)節(jié)油17% 的效果。

圖3 混合動力礦用卡車結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hybrid power mining truck

現(xiàn)如今，電力電子器件不斷朝著復(fù)合化、模塊化等方向發(fā)展，IGBT、MCT 等被稱為第3 代電力電子器件。IGBT 是絕緣柵雙極晶體管，它兼具功率場效應(yīng)管 MOSFET 和功率晶體管 GTR 的優(yōu)點，導(dǎo)通電流密度大，門極驅(qū)動功率小，耐浪涌能力強，電流容量大，自關(guān)斷、開關(guān)頻率高，易于驅(qū)動。如今 IGBT 絕緣柵雙極晶體管器件在礦用電動輪自卸卡車變流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。大功率傳動系統(tǒng)大多采用基于霍爾效應(yīng)原理的 LEM 傳感器來完成對電壓電流的檢測。LEM 傳感器的作用與傳統(tǒng)的電流互感器相同，但它將普通互感器與霍爾器件、電子電路有機結(jié)合起來，因而既有普通互感器測量范圍寬的特點，又有電子電路反應(yīng)速度快的優(yōu)點[12]。

4 燃料電池非公路運輸車輛

質(zhì)子交換膜燃料電池是氫燃料電池電動車輛的一種有效解決方案，利用高能量密度和短加油時間來提高燃料效率和車載排放，但其較高成本和較短壽命阻礙了燃料電池電動車成為主流運輸解決方案。以燃料效率為導(dǎo)向的能源管理策略不能保證總運行成本的降低[13]。現(xiàn)在，有很多研究提高電池比能量的方法，比如研發(fā)高性能的電極活性材料，提高電解液的浸潤性以加快電子的傳輸速率，研制新型的高比能量電池等，這些都與新材料新技術(shù)難題的突破以及生產(chǎn)工藝的提升有著密切的關(guān)系。

質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為重型非公路運輸車輛提供了一種新興的清潔推進解決方案。其具有零溫室氣體排放特點，比內(nèi)燃機的能量轉(zhuǎn)換效率高1 倍，以及可立即通過再充氫燃料的量決定擴展的運行范圍。采礦通風(fēng)成本是清潔燃料電池推進系統(tǒng)的一個主要成本節(jié)約因素，此外，它還具有更高的能效[14]，這使得采礦車輛成為燃料電池電動車輛的一個合適的應(yīng)用市場。隨著技術(shù)的進步，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)在非公路采礦卡車上的成本競爭越來越激烈[15]。

2020 年，威廉姆斯高級工程公司（Williams Advanced Engineering）參與開發(fā)全球最大氫動力礦車，該項目與采礦業(yè)巨頭 Anglo American 合作，對290 t 級小松 930E 進行改裝（見圖 4[16]），配備由威廉姆斯開發(fā)的氫燃料電池模塊及 1 000 kW·h 電池組，目標(biāo)是逐步替代目前的柴油動力礦車，并實現(xiàn)到 2030年幫助 Anglo American 公司的二氧化碳排放量減少30%。新礦車計劃在南非莫加拉克韋納（Mogalakwena）的礦場進行測試。

圖4 290 t 燃料電池非公路運輸車輛Fig.4 290 t fuel cell off-road transport truck

2020 年12 月，福特斯庫金屬集團（Fortescue Metals Group）著手開發(fā)一款 240 t 非柴油運輸卡車（見圖 5[17]），將在西澳大利亞的皮爾巴拉（Pilbara）測試電池電力和燃料電池電力傳動系統(tǒng)。這款240 t 原型車的傳動系統(tǒng)將由該公司的綜合可再生能源網(wǎng)絡(luò)提供動力。該項目的第1 階段將在皮爾巴拉對原型卡車上的電池-電力動力系統(tǒng)進行操作測試，第2 階段將開發(fā)氫燃料電池動力系統(tǒng)，設(shè)計的傳動系統(tǒng)將能在下坡牽引時再生動力，計劃在皮爾巴拉的采礦業(yè)務(wù)中進行性能測試。這項合作還將包括開發(fā)一個快速充電裝置，利用 Fortescue 的皮爾巴拉能源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電力，該網(wǎng)絡(luò)將包括太陽能發(fā)電廠和大電池。該公司計劃在2040 年實現(xiàn)凈零排放。

圖5 福特斯庫金屬集團開發(fā)的 240 t 燃料電池非公路運輸車輛Fig.5 240 t fuel cell off-road transport truck with developed by Fortescue Metals Group

最近幾年我們國家也在嘗試氫能重載礦用卡車的研發(fā)。2018 年，國家能源集團的下屬準(zhǔn)能集團、氫能科技公司和北京低碳清潔能源研究院及濰柴控股集團簽署了“200 t 級以上氫能重載礦用卡車研發(fā)合作框架協(xié)議”。2020 年，山東濰柴集團把重卡和大功率的氫燃料電池作為集中目標(biāo)，開始準(zhǔn)備研發(fā)200 kW 的氫燃料電池，神華集團與山東濰柴簽訂了“350 t 的重型礦用卡車氫燃料電池的戰(zhàn)略性框架協(xié)議”。

5 新能源非公路運輸車輛技術(shù)挑戰(zhàn)

5.1 低速電動機制動技術(shù)

電驅(qū)動非公路運輸車輛同時具備電制動踏板和機械制動踏板，不同工況下兩者交替發(fā)揮作用，因此在速度控制過程中要考慮的因素更多。對于電驅(qū)動的行進設(shè)備，高速時因為驅(qū)動、制動力不足，在大坡度下坡時必須提前將速度降低到較小值，否則會導(dǎo)致速度失控，產(chǎn)生危險。由于加速和制動時間長，在遇見障礙物進行制動時必須保持足夠的反應(yīng)距離和時間，才能保證安全[18]。

永磁電驅(qū)動系統(tǒng)具有高效、高功率密度的優(yōu)點，且制動能量利用率高。制動工況下，柴油機轉(zhuǎn)速降低，噴油量減少，系統(tǒng)能效提升 3%～5%。但是，永磁電驅(qū)動系統(tǒng)還面臨一些技術(shù)難題：

（1）在高海拔（5 500 m 及以上）、工作環(huán)境溫度范圍寬（-40°～55°），搓板、泥濘、平坦等強振動復(fù)雜環(huán)境，難以實現(xiàn)永磁電驅(qū)系統(tǒng)多目標(biāo)最優(yōu)集成；

（2）任何失效工況下礦卡需在最短時間內(nèi)恢復(fù)運行，但由于永磁體的存在，只要永磁電動機轉(zhuǎn)動就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，速度越快，感應(yīng)電壓越高，永磁電動機重新投入控制越困難；

（3）整車的高動力品質(zhì)要求牽引電動機具有快速力矩響應(yīng)和精準(zhǔn)平穩(wěn)力矩輸出，這就需要穩(wěn)定的輸入電壓（中間電壓）支撐，但永磁電動機不進行勵磁控制，中間電壓無法穩(wěn)定；因此，要求永磁牽引與柴油機實現(xiàn)快速協(xié)同控制。

5.2 鋰離子電池快充技術(shù)

目前，鋰離子快充動力電池還處于小范圍應(yīng)用的階段，純電動公交車的運行由于快充模式的出現(xiàn)得到了極大便利。首先因為電池組配置容量的減少，使成本大大降低；其次，電池的體積和質(zhì)量越來越小，車輛的空間使用率和安全性得到了提高，快速充電使充電時間大幅度縮短，提高了運營收益。鋰離子電池短時間內(nèi)內(nèi)阻升高較小，可以實現(xiàn)快速充電，但隨著壽命的衰減，電池內(nèi)阻升高，充電能力不斷下降，且溫升過高會導(dǎo)致壽命加速衰減。另外，目前鋰離子動力電池大多數(shù)采用石墨負極體系，在低溫條件下快速充電容易析出活性鋰金屬，也會造成低溫快速充電時電池壽命急劇衰減，并且存在引發(fā)電池內(nèi)部短路的安全隱患[19]。

此外，快充技術(shù)要想實現(xiàn)全面推廣和應(yīng)用還需要解決許多問題，例如快充需要大電流充電，這就對局部電網(wǎng)的要求更高，快充電池的續(xù)航里程短，快充用的大功率充電樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一，兼容性的政策還沒有出臺，這些問題都限制了快充動力電池的應(yīng)用。

5.3 電驅(qū)動與智能化集成設(shè)計技術(shù)

新能源非公路運輸車輛的功率需求波動大，對制動時能量回收的能力及加速時的后備功率有很高的要求。設(shè)計時，混合動力車輛采用的發(fā)電機組與單一動力電池并聯(lián)供電的方式難以滿足車輛對峰值功率和能量的雙重需求[20-21]。電傳動系統(tǒng)中，直流母線負責(zé)為驅(qū)動電動機供電，穩(wěn)定的電壓有利于保持電動機及控制器的高效運行，在安全范圍內(nèi)提高母線電壓通常有利于獲得較高的效率。對于母線電壓的控制，目前大多是將電池直接掛在直流母線上，使母線電壓跟隨電池電壓[22]。這種方法實現(xiàn)簡單，且能夠保持電路穩(wěn)定，但會導(dǎo)致電池組反復(fù)充放電，降低電池組使用壽命，且無法得到較高的母線電壓。若要達到較高的電池電壓，需串聯(lián)很多電池單元，這必然會導(dǎo)致電池組的體積和質(zhì)量過大。

露天礦山運輸作業(yè)具有計劃性、組織性和封閉性特征，并且作業(yè)環(huán)境惡劣。采用無人駕駛技術(shù)不僅能避免和減少對駕駛?cè)藛T健康、安全的危害或威脅，而且能大幅提升效率、降低成本，更加經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保[23]。智能的非公路運輸車輛是礦山企業(yè)未來智能化系統(tǒng)的重要組成部分，車輛本身是一個非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，路徑跟蹤始終是一個難題[24]。車輛自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無人駕駛車輛控制中具有非常重要的作用，而路徑跟蹤控制是自動轉(zhuǎn)向控制中的難點，它要求無人駕駛車輛沿參考路徑穩(wěn)定無偏差行駛[25]。路徑規(guī)劃包括全局和局部路徑規(guī)劃兩種，目前，全局規(guī)劃算法的研究已經(jīng)獲得較為成熟的結(jié)果[26]，因此，解決路徑跟蹤出現(xiàn)的偏差、車輛系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性是無人駕駛車輛路徑跟蹤的主要問題[27]。目前，學(xué)者采用的跟蹤控制算法主要有PID 控制、PP 控制、前饋反饋控制、模型預(yù)測控制和模擬退火（SA）算法等[28]。新能源非公路運輸車輛設(shè)計過程中需要結(jié)合電驅(qū)動技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、車輛智能控制技術(shù)需求，實現(xiàn)智能新能源非公路運輸車輛的集成化設(shè)計。

6 結(jié)語

電力電子技術(shù)、電動機技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為新能源非公路車輛的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。新能源非公路運輸車輛采用電驅(qū)動技術(shù)、混合動力系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)技術(shù)、燃料電池技術(shù)，逐步從傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機—發(fā)電機—電動機的電動輪技術(shù)向綠色的新能源技術(shù)過渡，有效降低碳排放，需要進一步解決大功率永磁電動機控制、兼顧功率型與能量型動力電池技術(shù)、大功率氫燃料電池設(shè)計問題。此外，新能源非公路運輸車輛的電動化技術(shù)為智慧礦山建設(shè)奠定基礎(chǔ)，將推動 5G 賦能礦山行業(yè)，加速數(shù)字中國、智慧社會的建設(shè)。