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大型电动轮矿车节能及零排放技术路线研究
2021-09-16 14:51:45· 来源：电动学堂 作者：李勇等
文章来源：1.北京科技大学机械工程学院2.中煤平朔集团有限公司3.中国科学院电工研究所，本文将对电力传动技术、制动能量回收与再生利用技术、新型车载储能技术、
文章来源：1.北京科技大学机械工程学院2.中煤平朔集团有限公司3.中国科学院电工研究所，
本文将对电力传动技术、制动能量回收与再生利用技术、新型车载储能技术、氢燃料电池技术在电动轮矿车领域的研究与应用进展情况进行综述分析，并对大型电动轮矿车节能及零排放技术路线进行梳理和展望。
1电动轮矿车电力传动技术
1.1矿用自卸车传动技术现状
矿用自卸车主要采用机械传动、液力机械传动、电力传动三种传动结构。随着露天矿山对大吨位运输效率和能力需求的不断提升，矿用自卸车的载重逐步由30吨发展至400吨，其采用的传动系统结构也各有侧重，如图1所示。机械传动结构多应用于载重70吨以下的宽体矿车，存在传动效率低、油耗高、寿命短（平均寿命2.5年）的缺点。液力机械传动和电力传动是载重70吨至400吨矿用自卸车所采用的两条并行技术路线。目前，矿用自卸车所采用的液力机械传动和电力传动技术均代表了运载装备大功率传动技术的最高水平，相比机械传动结构，在传动效率和牵引性能方面，均有大幅提升。
电力传动系统和液力机械传动系统结构及能量流动示意图如图2所示。可以看到，电力传动系统结构简单可靠，牵引状态下，柴油发动机带动发电机发电，能量从发动机传递到驱动电机，以电驱动的方式牵引矿车运行；制动状态下，驱动电机工作在发电机状态，矿车的机械能转化为电能，能量从驱动电机流向制动电阻，并以热能的形式消耗。电力传动系统相比液力机械传动系统，减少了液力变矩器、变速器、传动轴等机械部件，结构更为简单，可靠性更高。
在传动性能方面，电力传动系统的“牵引力（转矩）—转速”特性更适合矿山工况。以载重150吨级的通用电气GE150AC电力传动系统为例，其与同级别液力机械传动系统的传动性能对比如图3所示。可以看到，电力传动系统能够在低速区域发挥大转矩特性，因而牵引性能更强；当车辆工作在高速区时，电力传动系统可保持恒功率模式运行，实现无级平稳调速，更便于复杂矿山工况下的整车控制。
在传动效率方面，电力传动系统中发动机工作状态不受坡度、载荷和车速的影响，因而可以始终工作在高效区；而液力机械传动系统需要根据复杂工况变化，控制液力变矩器在锁止和工作状态间频繁切换。当变矩器工作时，液力机械传动系统运行效率较低。
因此，尽管电力传动系统比液力机械传动系统多了“机械能—电能—机械能”转换环节，但是在实际矿山工况下，电力传动系统的综合能量利用效率可能更高。综上所述，大功率电力传动系统具有结构简单、动力性能强劲、运行效率高、便于控制等优点，目前已经成为载重100吨以上矿用自卸车的主流方案。
1.2电力传动系统优化控制技术
结合矿山工况和现有电力传动系统结构特点，开展电力传动系统能量优化管理和拓扑结构优化研究，是电动轮矿车节能技术的重要研究方向。典型露天矿山工况运距约为3~5km，平均坡度7%，最大坡度12%，随着采掘深度的不断加深，矿车长期、频繁地工作在长距离重载上坡、长距离下坡制动、短时频繁制动、装卸载怠速工况。重载上坡工况下，矿车普遍存在动力不足的情况，造成发动机长时间过载并工作在高油耗状态；长下坡和短时频繁制动工况下，整车的机械能通过能耗制动的方式消耗，造成大量能量的损失；装卸载怠速工况下，发动机仍然处于工作状态，为整车附件提供动力，发动机运行效率较低。
目前，业内对能效研究方法多基于经验数据，随着矿山工况的动态变化，其能量管理效果往往欠佳。在智能网联框架下，通过加装路侧感应装置、信号接收装置，推动车路互感，并借助车联网、5G无线通信技术、差分定位技术的综合应用，实时获取车辆的当前地理位置和工况变化已成为可能。智能网联场景下，电动轮矿车可根据云端数据进行全局最优行程规划，提升车队的全局运输效率，降低燃油消耗与碳排放，如图4所示。此外，不当的驾驶习惯如猛踩油门，频发刹车会增加油耗，带来更多的碳排放。通过智能网联技术，可根据工况动态变化，控制电力传动系统始终工作在最优状态，避免不当的驾驶行为，在车辆使用环节进一步提升燃油经济性，实现节能减排。
1.3新型电力传动拓扑结构
电动轮矿车主要由整车和电力传动系统两部分组成，其中电力传动系统是技术难度最高、产品附加值最大的部分，长期以来被通用电气等外企垄断。并且，由于长期的技术封锁和市场垄断，目前主流电力传动系统产品仍然采用上世纪末的方案。这使得现有的电动轮矿车电力传动系统过度关注了可靠性，牺牲了燃油经济性。
目前，电动轮矿车电力传动系统普遍采用单向功率流电路拓扑，如图5(a)所示。单向功率流电路拓扑结构决定了电动轮矿车在复杂矿山工况下的实际运行能耗远高于设计指标，具体体现在三个方面。
（1）在单向功率流拓扑结构下，电能通过“发动机—发电机—不控整流器”变换，从发电机单向流向驱动电机，无法实现能量的双向流动。当驱动电机工作在电制动状态时，产生的回馈电能只能通过制动电阻以热能的形式消耗，造成大量制动能量浪费。
（2）在矿山实际开采运输环节中，通常存在较长时间的装载、驻车卸载等待时间，此时柴油发电系统不停机，通过机械取力的方式带动冷却等附件系统工作。尽管驻车等待工况发动机工作功率较小，但是由于驻车时间较长，根据中煤平朔集团统计，约占矿车总运行时间的50%，造成了额外的能量浪费。
（3）单向功率流拓扑结构无法实现发动机功率与发电机功率的解耦控制，车辆电力传动系统的输出功率只能通过调节发动机的进气量来实现。在复杂矿山工况下的能量优化管理空间较小，实际运行中往往需要牺牲系统的燃油经济性以优先满足动力性需求。
针对上述单向功率流拓扑结构燃油经济性差、碳排放高的缺点，北京科技大学率先提出了一种新型的“发动机—发电机—可控整流器”双向功率流电力传动系统结构，如图5(b)所示[9]。该拓扑可实现发动机功率与发电机功率的解耦控制，并有效提高运行效率，降低碳排放。与此同时，当矿车运行在制动模式时，可控制发电机工作在电动机状态，制动产生的电能通过双向可控整流器，为发动机提供功率辅助，从而实现制动能量的高效利用。北京科技大学联合中车北京二七机车有限公司、比利时法兰德斯清洁技术协会，对双向功率流电力传动系统的节能效果进行了验证，并在山西吕梁袁家村铁矿进行了190吨矿车节能示范运营，测算表明坡道节油效果为7.9%，节能效果显著。
2制动能量回收与再生利用技术
2.1制动能量回收与再生利用机理
电动轮矿车属于典型的非道路车辆，具有运载工具和生产工具双重属性，其节能机理不仅涉及车辆自身电力传动系统拓扑结构优化及控制，还与矿山工况密切相关。结合矿山工况，研究重型矿车节能机理，对提升燃油经济性、降低碳排放具有重要意义。
电动轮矿车的工作过程同时也是车辆、煤炭、矿石的时空转移过程，其运行工况主要分为“重载上坡—空载下坡”和“空载上坡—重载下坡”两类，分别如图6(a)和6(b)所示。对于露天煤矿，“重载上坡—空载下坡”工况是主要运行工况，中间少部分路段可能存在重载下坡的情况；对于露天金属矿山，由于矿区地理因素，部分矿山存在全路段“空载上坡-重载下坡”工况。由于电动轮矿车自重和载重通常均在百吨以上，其下坡过程中蕴含了大量的势能和动能。以小松730E车型为例，其空载质量为141吨，标称有效载荷为184吨，额定运行功率1491kW。根据中煤平朔集团矿区实际运行数据，730E矿车在典型的“重载上坡-空载下坡”工况往返一次总能耗约为100.2kWh，其中制动能耗为24.76kWh，约占矿车总能耗的24.71%。类似地，在“空载上坡-重载下坡”工况下，由于装载质量的因素，使得矿车整车蕴含的势能和动能大幅增加，制动能耗占矿车总能耗的比例将显著增加。
因此，通过引入制动能量回收系统，对制动能量进行回收，并进行再生利用，可显著降低整车运行油耗和碳排放，具有巨大的节能减排空间。其主要节能机理包括以下两个方面：
（1）在下坡过程中，矿车电力传动系统工作在电制动状态，由于矿车自重蕴含大量的势能和动能，这部分能量通过电动轮发电的方式转换成电能，并通过制动能量回收与再生利用装置存储电能或回馈至电网，从而实现下坡制动机械能的回收。
（2）在上坡过程中，柴油发动机经常工作在持续过载或大功率输出状态，这导致了内燃机燃烧不充分，燃烧效率低，碳排放增大。因此，在上坡过程，通过制动能量回收与再生利用装置释放电能，或通过架线方式连接至电网供电，为电力传动系统提供功率辅助，可降低发动机燃油消耗和碳排放。此外，采用架线方式连接电网，可实现“矿车—电网”和“车辆—车辆”之间的能量双向流动，从而进一步提高车队整体运行的燃油经济性。
2.2矿车—电网交互式制动能量回收技术
在制动能量回收与再生利用研究方面，国内外研究主要聚焦于车载储能式和“矿车—电网”交互式两大研究方向。“矿车—电网”能量交互技术是一种不受体积、重量、容量、功率约束的制动能量回收技术路线，如图7所示。该技术通过受电弓实现了矿车和电网之间的能量双向流动，回馈电能可以被同一牵引变电所内的其他矿车负荷利用，也可控制能量回馈至大电网，可显著提升整车的动力性和燃油经济性，因而吸引了国内外研究机构越来越多的关注。
与此同时，在重载上坡工况下，矿车普遍存在动力不足的情况，造成发动机长时间过载并工作在高油耗状态，此时电网还可以通过受电弓为矿车提供功率辅助，从而进一步提高燃油经济性。德国西门子公司、日本日立公司等对“矿车—电网”能量交互技术展开了研究，并开发了架线式电动轮矿车产品，通过控制矿车与电网之间的能量交互，使发动机始终工作在高效区，有效提升了矿车的燃油经济性。但是，架线式电动轮矿车的短板在于适用性较差，矿山道路多变、一次性投资过大、运营安全等因素导致其难以适应实际的使用需求。
2.3车载储能式制动能量回收技术
在车载储能式制动能量回收技术方面，该技术已经在电动汽车、挖掘机、矿用电铲等装备中得到了广泛应用。在电动轮矿车领域，随着锂离子电池技术的发展，车载储能式制动能量回收与利用系统日益得到重视，逐渐成为研究热点。
美国GE公司、日本小松公司在美国能源部的支持下共同对电动轮矿车制动能量回收系统展开了研究，通过在传统电动轮矿车上加装钠镍电池系统，研制了世界首台混合动力矿车，矿山工况实际运行综合节油率可达15%左右，如图8所示。
然而，该项目成果并未实现产业化，主要原因是当时的储能电池在功率密度、寿命等方面存在明显短板，车辆全生命周期内的燃油经济性提升并不明显。澳大利亚昆士兰大学结合露天矿山工况，对比分析了磷酸铁锂电池、超级电容器、飞轮储能等应用于电动轮矿车制动能量回收时的适用性，研究表明高比功率磷酸铁锂电池的综合性能最佳，可实现约7％的综合节油率。国内中煤集团、北京科技大学等国内研究机构也将制动能量回收作为矿车节能的研究重点。其中，具有代表性的是中煤平朔集团主持研发的超级电容器与电池并联型制动能量回收系统，并在小松730E矿车上进行了应用，综合节油率达到了10.29%。
随着车载储能系统的介入，电动轮矿车的能量管理问题主要聚焦于电力传动系统多种能源的功率优化分配。此外，车载储能系统通常受环境温度、工况、充放电区间等因素制约，无法实现制动能量的100%回收，存在车载储能系统优化设计的问题。目前，北京科技大学、加拿大维多利亚大学等少数研究机构对混合动力矿车的能量管理问题进行了研究，主要涉及传动系统局部优化和结合工况的全局优化两个层面。上述研究表明，通过车载储能式制动能量回收技术和能量优化管理技术，可显著提高电动轮矿车的燃油经济性。
3新型车载储能技术
3.1功率型锂离子电池技术
在制动能量回收技术领域，现有车载储能技术主要包括电化学储能、电场储能、机械储能三种技术路线。
在各类车载储能技术中，锂离子电池在能量密度、功率密度、循环寿命、经济性等方面具有最优的综合性能，呈现出较好的应用前景。
然而，电动轮矿车兼具运载工具和生产工具双重属性，其对车载储能系统的设计约束主要是以较小的体积和重量，满足车辆在重载上坡和空载下坡的大功率充放电需求。近年来，各类锂离子电池材料体系在能量密度、功率密度、寿命、安全性等关键技术指标方面发展迅速，并针对不同应用场合的实际需求，形成了三大技术体系，分别是能量型锂离子电池、能量功率兼顾型锂离子电池、功率型锂离子电池。这三类技术体系锂离子电池比能量和比功率性能参数如图9所示。
为有效提升电力传动系统的节能和减排效果，需要锂离子电池具有较高能量密度的同时，具有大功率充放电能力。以小松730E车型为例，该车型满载情况下总质量约为325吨，其在一次典型长下坡工况下最大制动回馈电能约为35kWh，平均制动功率为600kW，最大制动功率可达2MW。若加装锂离子电池制动能量回收系统，以电池系统总质量小于200kg为设计约束，以回收40%的回馈电能为设计目标，电池成组后额定比能量应大于70Wh/kg，额定比功率应大于3kW/kg，峰值比功率应达10kW/kg。
参照图9，仅功率型锂离子电池的技术参数能够满足电动轮矿车的使用需求。目前，能量型、能量功率兼顾锂离子电池作为乘用车和商用车电动化的终端动力载体，在全球范围内已经进入大规模产业化阶段。功率型锂离子电池由于其应用领域较窄，装机容量较小，仅在工程机械、轨道交通、军用特种装备等领域有小规模应用，在矿用车辆领域仍处于前期探索阶段。尽管如此，由于功率型锂离子电池具有比功率大、安全性好、循环寿命长的优点，在电动轮矿车节能领域具有明显的技术优势，呈现出较好的应用前景。
3.2锂离子电池与超级电容混合储能技术
露天矿山随机复杂工况导致制动过程中电驱动系统的功率波动巨大，瞬时峰值制动功率可达2MW。目前，功率型锂离子电池比功率约为5kW/kg，成组后约为3kW/kg，无法实现高随机、短时、频繁、大功率的制动能量的全部回收。
现有技术水平下，仅靠高功率锂离子电池，能实现约40%的回馈电能的回收，大部分制动功率仍需要通过制动电阻消耗。因此，如何提升车载储能系统的能量回收率，并降低锂离子电池大功率充放电带来的安全性问题，是摆在电动轮矿车节能减排研究领域的又一难题。
超级电容器又称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型物理储能装置，其显著的特点是可通过电场储能的方式快速存储和释放电能，其功率密度远高于普通电池[34,35]。目前，超级电容器功率密度可达78kW/kg，是功率型锂电池功率密度的15倍左右[34]，在大功率脉冲电源、电磁弹射、大功率机械能回收等领域有广阔的应用前景。然而，相比锂离子电池，超级电容的能量密度依然很低（<20Wh/kg），无法长时间存储大量电能。因此，采用超级电容器与锂离子电池混合储能技术，以弥补各自性能短板，在系统层面实现兼顾高能量密度和高功率密度，是大功率车载储能技术发展的又一重要研究方向。
此外，对于混合储能系统，混合能量管理策略是提升能量回收率，并维持系统稳定运行的关键。混合能量管理策略的主要作用是在超级电容器和锂离子电池之间实现功率最优分配，以同时发挥超级电容器高功率密度和锂离子电池高能量密度的优点。中煤平朔集团、武汉微氢新能源有限公司基于大功率双向DC/DC串联拓扑结构，设计了一种新型的基于超级电容与蓄电池混合储能的制动能量回收系统，实现了电动轮矿车制动能量的高效回收，能量回收率达53.5%，如图10所示，大幅提升了传动系统的燃油经济性，降低了碳排放。
总的来说，锂离子电池与超级电容混合储能技术能够兼顾高能量密度和高功率密度，实现制动功率在超级电容器和锂离子电池之间的最优分配。该技术可大幅提升制动电能的能量回收率，进而提升电动轮矿车的燃油经济性，降低碳排放，已成为电动轮矿车制动能量回收与再生利用技术的重要发展方向。
4氢燃料电池技术
如上文所述，电动轮矿车电力传动系统的能量转化主要包括两个环节：
（1）化石能源燃烧发电环节，该环节将柴油的热能转化为发电机转子的旋转机械能，并通过电磁感应原理将机械能转化为电能。
（2）电能—机械能转化环节，在驱动模式下，通过驱动电机将电能转化为机械能；制动模式下，驱动电机工作在发电模式，将机械能转化为电能。其中，化石能源的燃烧发电环节直接产生碳排放，是实现零排放的根本突破口。因此，为实现电动轮矿车的完全零排放，在化石能源供给端，推动以非化石能源为主的新型发电技术或储能技术是关键。
目前，零排放技术主要可分为四种方式，即储能、氢能、生物质燃料和碳捕捉。其中，生物质燃料和碳捕捉主要应用于工业领域的零排放；储能和氢能有望成为交通运输领域的主流零排放技术。在电动轮矿车领域，可供选择的各类能源的能量密度如表1所示。
可以看到，在质量能量密度和体积能量密度方面，锂离子电池相比柴油存在数量级的巨大差距，这意味着在同样的空间和质量约束下，锂离子电池技术路线无法保证整车原有性能和运力。因此，单纯依靠锂离子替代柴油发电机，在续航里程、充电基础设施、经济性等方面目前不具备可行性。
氢燃料电池可直接通过非燃烧的方式将化学能转化为电能，并生成清洁的最终产物水，与“碳中和”理念高度契合。如表1所示，在采用70MPa压缩储氢罐的情况下，氢能的质量能量密度是柴油的2.76倍。尽管70MPa压缩氢气的体积能量密度仅为柴油的12.8%，但是由于电动轮矿车自身体积大、整车空间布置约束较小，其较低的体积能量密度可通过增加储氢罐的布置空间来克服。因此，上述优点决定了氢能燃料电池在电动轮矿车领域具有显著的技术优势。
在氢能获取方面，主要有煤制氢、天然气制氢、可再生能源制氢等技术手段，不同制氢技术的成本如表2所示。由于我国富煤缺油少气的资源结构，煤制氢成为当前的主流技术路线，规模约占60%以上，综合制氢成本约在8~12元/kg；天然气制氢受制于能源供给格局，规模较小，成本相比煤制氢略高；可再生能源制氢是中长期技术路线，占比极小，且成本较高。在氢能运输环节，目前以20MPa长管拖车运输为主要运输手段，1kg氢气100km运输成本约为6~10元。因此，在煤炭资源富裕的矿区，采用煤制氢技术路线具有显著的成本优势，不仅可以节约巨额的氢能运输成本，还可实现氢能的就近供给与消纳，形成矿山能源高效利用内循环。
综上所述，氢燃料电池技术路线可较好满足电动轮矿车对动力系统的能量密度、不间断运行时间、燃料加注（充电）速度、成本等方面的性能要求。与此同时，在中长期应用前景方面，我国的露天煤矿主要分布于蒙东、新疆等地区，上述地区也是风、光等可再生能源丰富的地区，通过可再生能源制氢可实现氢能制取环节的零排放，从而实现氢能制取、消纳全过程的零排放。因此，氢燃料电池作为一种完全零排放的发电装置，有望取代当前主流的“内燃机+发电机”动力系统结构，可作为电动轮矿车实现完全零碳排放的中长期技术路线。
5结论
露天矿山是一个以采掘为中心，运输为纽带的大型生产系统，电动轮矿车是运输环节的主要生产工具。典型的电动轮矿车采用“柴油发电+电动轮驱动”的电力传动系统架构，柴油发动机是车辆动力系统的唯一来源，一直存在燃油消耗巨大、碳排放高的缺点。在“碳达峰”、“碳中和”宏观背景下，亟需针对电动轮矿车开展节能减排和零排放技术研究。总的来说，电动轮矿车从节能至全完零排放的技术路线较为清晰，具体涉及双向功率流电力传动技术、制动能量回收与再生利用技术、氢燃料电池技术三个方面，如图11所示。上述三大技术应用于电动轮矿车的不同方面，分别对应不同能量转换环节，即电能转化与高效率利用环节、机械能回收与再生利用环节、氢能替代柴油燃烧发电环节，三者相互独立、并行发展、相互支撑，具体如下。
（1）在电能转化与高效率利用环节，结合复杂露天矿山工况特点，开展电力传动系统能量优化管理和拓扑结构优化研究，是电动轮矿车节能技术的重要研究方向。在全局优化层面，采用智能网联技术，可实现电力传动系统在动态工况下的高效率运行；在局部优化层面，采用双向功率流拓扑，可实现发动机功率与发电机功率的解耦控制和制动能量的直接利用，从而提高电力传动系统的电能利用效率，降低碳排放。
（2）在机械能回收与再生利用环节，根据电动轮矿车在上下坡循环工况中的势能、动能、储能系统电化学能、制动电阻栅热能的时空转换规律，可实现对制动能量进行回收与再生利用。目前，功率型锂离子电池技术、锂离子电池与超级电容混合储能技术已日趋成熟，在电动轮矿车制动能量回收领域呈现出较好的应用前景，预计可实现10%左右的综合节油率。
（3）在氢能替代柴油燃烧发电环节，采用氢燃料电池技术直接将氢燃料的化学能转化为电能，可避免柴油燃烧反应产生的碳排放，具有完全零排放、质量能量密度高、发电效率高、产物清洁、空间布置灵活的优点。与此同时，露天矿山所在地区煤炭资源及风、光可再生能源丰富，可通过煤制氢、可再生能源制氢等方式就近获取氢能源，形成矿山氢能源高效利用内循环，是露天矿山运输环节实现零排放的理想解决方案和中长期技术路线。
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