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(shì)迅速占領(lǐng)了大噸位及超大噸位的礦用自卸車市場(chǎng).但是,現(xiàn)有礦用自卸車無(wú)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(wèn)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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)潔,傳動(dòng)效率及能量利用率更高,同時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)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(zhǎng),工作人員薪酬水平相對(duì)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(wèn)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(duì)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(zhǎng),在百萬(wàn)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(gòu)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(wèn)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(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重.此外,礦山作業(yè)中礦場(chǎng)開(kāi)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(lái)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(wú)法進(jìn)行能量回收

對(duì)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(shì)能或者動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,優(yōu)先對(duì)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(zhǎng)礦用自卸車的續(xù)航里程.而傳統(tǒng)燃油礦用自卸車沒(méi)有搭載蓄電池等存儲(chǔ)能量的裝置,因而無(wú)法對(duì)制動(dòng)或者下坡工況下的動(dòng)能或勢(shì)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(zhǎng),能量轉(zhuǎn)換多,利用率較低.燃油礦卡的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是首先從化石燃料的化學(xué)能通過(guò)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(guò)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(guò)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(shì)

近年來(lái),隨著礦用自卸車市場(chǎng)的大幅增長(zhǎng),市場(chǎng)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(guó)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(chǎng).如今,我國(guó)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(chǎng)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(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更短的傳動(dòng)鏈能帶來(lái)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(shì).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(guó)礦用自卸車實(shí)現(xiàn)電氣化是大勢(shì)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(chǎng)上常見(jiàn)的車載能源都存在一些缺陷而無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(lái),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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(shì).通過(guò)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(duì)車輪實(shí)施的制動(dòng)力通過(guò)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(zhǎng)礦卡續(xù)航里程,獲得更好的經(jīng)濟(jì)性.但是現(xiàn)階段對(duì)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(guò)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(zhǎng),給生產(chǎn)、生活及工程等方面帶來(lái)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(duì)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(lái),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(lái)的生產(chǎn)、安全等問(wèn)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(méi)有較好的解決方案.因此,礦用自卸車快速換電技術(shù),對(duì)礦用自卸車的運(yùn)輸安全、提高礦山產(chǎn)能和降低運(yùn)營(yíng)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(duì)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.