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大型電動(dòng)輪礦車節(jié)能及零排放技術(shù)路線研究
2021-09-16 14:51:45· 來源：電動(dòng)學(xué)堂 作者：李勇等
文章來源：1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.中煤平朔集團(tuán)有限公司3.中國科學(xué)院電工研究所，本文將對(duì)電力傳動(dòng)技術(shù)、制動(dòng)能量回收與再生利用技術(shù)、新型車載儲(chǔ)能技術(shù)、
文章來源：1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.中煤平朔集團(tuán)有限公司3.中國科學(xué)院電工研究所，
本文將對(duì)電力傳動(dòng)技術(shù)、制動(dòng)能量回收與再生利用技術(shù)、新型車載儲(chǔ)能技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)在電動(dòng)輪礦車領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展情況進(jìn)行綜述分析，并對(duì)大型電動(dòng)輪礦車節(jié)能及零排放技術(shù)路線進(jìn)行梳理和展望。
1電動(dòng)輪礦車電力傳動(dòng)技術(shù)
1.1礦用自卸車傳動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀
礦用自卸車主要采用機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)三種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著露天礦山對(duì)大噸位運(yùn)輸效率和能力需求的不斷提升，礦用自卸車的載重逐步由30噸發(fā)展至400噸，其采用的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也各有側(cè)重，如圖1所示。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于載重70噸以下的寬體礦車，存在傳動(dòng)效率低、油耗高、壽命短（平均壽命2.5年）的缺點(diǎn)。液力機(jī)械傳動(dòng)和電力傳動(dòng)是載重70噸至400噸礦用自卸車所采用的兩條并行技術(shù)路線。目前，礦用自卸車所采用的液力機(jī)械傳動(dòng)和電力傳動(dòng)技術(shù)均代表了運(yùn)載裝備大功率傳動(dòng)技術(shù)的最高水平，相比機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)效率和牽引性能方面，均有大幅提升。
電力傳動(dòng)系統(tǒng)和液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及能量流動(dòng)示意圖如圖2所示?？梢钥吹?，電力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，牽引狀態(tài)下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，能量從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以電驅(qū)動(dòng)的方式牽引礦車運(yùn)行；制動(dòng)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，礦車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，能量從驅(qū)動(dòng)電機(jī)流向制動(dòng)電阻，并以熱能的形式消耗。電力傳動(dòng)系統(tǒng)相比液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，減少了液力變矩器、變速器、傳動(dòng)軸等機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)更為簡單，可靠性更高。
在傳動(dòng)性能方面，電力傳動(dòng)系統(tǒng)的“牽引力（轉(zhuǎn)矩）—轉(zhuǎn)速”特性更適合礦山工況。以載重150噸級(jí)的通用電氣GE150AC電力傳動(dòng)系統(tǒng)為例，其與同級(jí)別液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能對(duì)比如圖3所示。可以看到，電力傳動(dòng)系統(tǒng)能夠在低速區(qū)域發(fā)揮大轉(zhuǎn)矩特性，因而牽引性能更強(qiáng)；當(dāng)車輛工作在高速區(qū)時(shí)，電力傳動(dòng)系統(tǒng)可保持恒功率模式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無級(jí)平穩(wěn)調(diào)速，更便于復(fù)雜礦山工況下的整車控制。
在傳動(dòng)效率方面，電力傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不受坡度、載荷和車速的影響，因而可以始終工作在高效區(qū)；而液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)需要根據(jù)復(fù)雜工況變化，控制液力變矩器在鎖止和工作狀態(tài)間頻繁切換。當(dāng)變矩器工作時(shí)，液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行效率較低。
因此，盡管電力傳動(dòng)系統(tǒng)比液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)多了“機(jī)械能—電能—機(jī)械能”轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，但是在實(shí)際礦山工況下，電力傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合能量利用效率可能更高。綜上所述，大功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)力性能強(qiáng)勁、運(yùn)行效率高、便于控制等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為載重100噸以上礦用自卸車的主流方案。
1.2電力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)
結(jié)合礦山工況和現(xiàn)有電力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展電力傳動(dòng)系統(tǒng)能量優(yōu)化管理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，是電動(dòng)輪礦車節(jié)能技術(shù)的重要研究方向。典型露天礦山工況運(yùn)距約為3~5km，平均坡度7%，最大坡度12%，隨著采掘深度的不斷加深，礦車長期、頻繁地工作在長距離重載上坡、長距離下坡制動(dòng)、短時(shí)頻繁制動(dòng)、裝卸載怠速工況。重載上坡工況下，礦車普遍存在動(dòng)力不足的情況，造成發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間過載并工作在高油耗狀態(tài)；長下坡和短時(shí)頻繁制動(dòng)工況下，整車的機(jī)械能通過能耗制動(dòng)的方式消耗，造成大量能量的損失；裝卸載怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然處于工作狀態(tài)，為整車附件提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率較低。
目前，業(yè)內(nèi)對(duì)能效研究方法多基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著礦山工況的動(dòng)態(tài)變化，其能量管理效果往往欠佳。在智能網(wǎng)聯(lián)框架下，通過加裝路側(cè)感應(yīng)裝置、信號(hào)接收裝置，推動(dòng)車路互感，并借助車聯(lián)網(wǎng)、5G無線通信技術(shù)、差分定位技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)時(shí)獲取車輛的當(dāng)前地理位置和工況變化已成為可能。智能網(wǎng)聯(lián)場景下，電動(dòng)輪礦車可根據(jù)云端數(shù)據(jù)進(jìn)行全局最優(yōu)行程規(guī)劃，提升車隊(duì)的全局運(yùn)輸效率，降低燃油消耗與碳排放，如圖4所示。此外，不當(dāng)?shù)鸟{駛習(xí)慣如猛踩油門，頻發(fā)剎車會(huì)增加油耗，帶來更多的碳排放。通過智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，可根據(jù)工況動(dòng)態(tài)變化，控制電力傳動(dòng)系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，避免不當(dāng)?shù)鸟{駛行為，在車輛使用環(huán)節(jié)進(jìn)一步提升燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
1.3新型電力傳動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
電動(dòng)輪礦車主要由整車和電力傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成，其中電力傳動(dòng)系統(tǒng)是技術(shù)難度最高、產(chǎn)品附加值最大的部分，長期以來被通用電氣等外企壟斷。并且，由于長期的技術(shù)封鎖和市場壟斷，目前主流電力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品仍然采用上世紀(jì)末的方案。這使得現(xiàn)有的電動(dòng)輪礦車電力傳動(dòng)系統(tǒng)過度關(guān)注了可靠性，犧牲了燃油經(jīng)濟(jì)性。
目前，電動(dòng)輪礦車電力傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用單向功率流電路拓?fù)洌鐖D5(a)所示。單向功率流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了電動(dòng)輪礦車在復(fù)雜礦山工況下的實(shí)際運(yùn)行能耗遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。
（1）在單向功率流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，電能通過“發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)—不控整流器”變換，從發(fā)電機(jī)單向流向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的回饋電能只能通過制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗，造成大量制動(dòng)能量浪費(fèi)。
（2）在礦山實(shí)際開采運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，通常存在較長時(shí)間的裝載、駐車卸載等待時(shí)間，此時(shí)柴油發(fā)電系統(tǒng)不停機(jī)，通過機(jī)械取力的方式帶動(dòng)冷卻等附件系統(tǒng)工作。盡管駐車等待工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率較小，但是由于駐車時(shí)間較長，根據(jù)中煤平朔集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，約占礦車總運(yùn)行時(shí)間的50%，造成了額外的能量浪費(fèi)。
（3）單向功率流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與發(fā)電機(jī)功率的解耦控制，車輛電力傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率只能通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量來實(shí)現(xiàn)。在復(fù)雜礦山工況下的能量優(yōu)化管理空間較小，實(shí)際運(yùn)行中往往需要犧牲系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性以優(yōu)先滿足動(dòng)力性需求。
針對(duì)上述單向功率流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)燃油經(jīng)濟(jì)性差、碳排放高的缺點(diǎn)，北京科技大學(xué)率先提出了一種新型的“發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)—可控整流器”雙向功率流電力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示[9]。該拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與發(fā)電機(jī)功率的解耦控制，并有效提高運(yùn)行效率，降低碳排放。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)V車運(yùn)行在制動(dòng)模式時(shí)，可控制發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，制動(dòng)產(chǎn)生的電能通過雙向可控整流器，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供功率輔助，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的高效利用。北京科技大學(xué)聯(lián)合中車北京二七機(jī)車有限公司、比利時(shí)法蘭德斯清潔技術(shù)協(xié)會(huì)，對(duì)雙向功率流電力傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證，并在山西呂梁袁家村鐵礦進(jìn)行了190噸礦車節(jié)能示范運(yùn)營，測算表明坡道節(jié)油效果為7.9%，節(jié)能效果顯著。
2制動(dòng)能量回收與再生利用技術(shù)
2.1制動(dòng)能量回收與再生利用機(jī)理
電動(dòng)輪礦車屬于典型的非道路車輛，具有運(yùn)載工具和生產(chǎn)工具雙重屬性，其節(jié)能機(jī)理不僅涉及車輛自身電力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制，還與礦山工況密切相關(guān)。結(jié)合礦山工況，研究重型礦車節(jié)能機(jī)理，對(duì)提升燃油經(jīng)濟(jì)性、降低碳排放具有重要意義。
電動(dòng)輪礦車的工作過程同時(shí)也是車輛、煤炭、礦石的時(shí)空轉(zhuǎn)移過程，其運(yùn)行工況主要分為“重載上坡—空載下坡”和“空載上坡—重載下坡”兩類，分別如圖6(a)和6(b)所示。對(duì)于露天煤礦，“重載上坡—空載下坡”工況是主要運(yùn)行工況，中間少部分路段可能存在重載下坡的情況；對(duì)于露天金屬礦山，由于礦區(qū)地理因素，部分礦山存在全路段“空載上坡-重載下坡”工況。由于電動(dòng)輪礦車自重和載重通常均在百噸以上，其下坡過程中蘊(yùn)含了大量的勢能和動(dòng)能。以小松730E車型為例，其空載質(zhì)量為141噸，標(biāo)稱有效載荷為184噸，額定運(yùn)行功率1491kW。根據(jù)中煤平朔集團(tuán)礦區(qū)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，730E礦車在典型的“重載上坡-空載下坡”工況往返一次總能耗約為100.2kWh，其中制動(dòng)能耗為24.76kWh，約占礦車總能耗的24.71%。類似地，在“空載上坡-重載下坡”工況下，由于裝載質(zhì)量的因素，使得礦車整車蘊(yùn)含的勢能和動(dòng)能大幅增加，制動(dòng)能耗占礦車總能耗的比例將顯著增加。
因此，通過引入制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，并進(jìn)行再生利用，可顯著降低整車運(yùn)行油耗和碳排放，具有巨大的節(jié)能減排空間。其主要節(jié)能機(jī)理包括以下兩個(gè)方面：
（1）在下坡過程中，礦車電力傳動(dòng)系統(tǒng)工作在電制動(dòng)狀態(tài)，由于礦車自重蘊(yùn)含大量的勢能和動(dòng)能，這部分能量通過電動(dòng)輪發(fā)電的方式轉(zhuǎn)換成電能，并通過制動(dòng)能量回收與再生利用裝置存儲(chǔ)電能或回饋至電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)下坡制動(dòng)機(jī)械能的回收。
（2）在上坡過程中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作在持續(xù)過載或大功率輸出狀態(tài)，這導(dǎo)致了內(nèi)燃機(jī)燃燒不充分，燃燒效率低，碳排放增大。因此，在上坡過程，通過制動(dòng)能量回收與再生利用裝置釋放電能，或通過架線方式連接至電網(wǎng)供電，為電力傳動(dòng)系統(tǒng)提供功率輔助，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗和碳排放。此外，采用架線方式連接電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)“礦車—電網(wǎng)”和“車輛—車輛”之間的能量雙向流動(dòng)，從而進(jìn)一步提高車隊(duì)整體運(yùn)行的燃油經(jīng)濟(jì)性。
2.2礦車—電網(wǎng)交互式制動(dòng)能量回收技術(shù)
在制動(dòng)能量回收與再生利用研究方面，國內(nèi)外研究主要聚焦于車載儲(chǔ)能式和“礦車—電網(wǎng)”交互式兩大研究方向。“礦車—電網(wǎng)”能量交互技術(shù)是一種不受體積、重量、容量、功率約束的制動(dòng)能量回收技術(shù)路線，如圖7所示。該技術(shù)通過受電弓實(shí)現(xiàn)了礦車和電網(wǎng)之間的能量雙向流動(dòng)，回饋電能可以被同一牽引變電所內(nèi)的其他礦車負(fù)荷利用，也可控制能量回饋至大電網(wǎng)，可顯著提升整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，因而吸引了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)越來越多的關(guān)注。
與此同時(shí)，在重載上坡工況下，礦車普遍存在動(dòng)力不足的情況，造成發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間過載并工作在高油耗狀態(tài)，此時(shí)電網(wǎng)還可以通過受電弓為礦車提供功率輔助，從而進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。德國西門子公司、日本日立公司等對(duì)“礦車—電網(wǎng)”能量交互技術(shù)展開了研究，并開發(fā)了架線式電動(dòng)輪礦車產(chǎn)品，通過控制礦車與電網(wǎng)之間的能量交互，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)，有效提升了礦車的燃油經(jīng)濟(jì)性。但是，架線式電動(dòng)輪礦車的短板在于適用性較差，礦山道路多變、一次性投資過大、運(yùn)營安全等因素導(dǎo)致其難以適應(yīng)實(shí)際的使用需求。
2.3車載儲(chǔ)能式制動(dòng)能量回收技術(shù)
在車載儲(chǔ)能式制動(dòng)能量回收技術(shù)方面，該技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車、挖掘機(jī)、礦用電鏟等裝備中得到了廣泛應(yīng)用。在電動(dòng)輪礦車領(lǐng)域，隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，車載儲(chǔ)能式制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)日益得到重視，逐漸成為研究熱點(diǎn)。
美國GE公司、日本小松公司在美國能源部的支持下共同對(duì)電動(dòng)輪礦車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)展開了研究，通過在傳統(tǒng)電動(dòng)輪礦車上加裝鈉鎳電池系統(tǒng)，研制了世界首臺(tái)混合動(dòng)力礦車，礦山工況實(shí)際運(yùn)行綜合節(jié)油率可達(dá)15%左右，如圖8所示。
然而，該項(xiàng)目成果并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主要原因是當(dāng)時(shí)的儲(chǔ)能電池在功率密度、壽命等方面存在明顯短板，車輛全生命周期內(nèi)的燃油經(jīng)濟(jì)性提升并不明顯。澳大利亞昆士蘭大學(xué)結(jié)合露天礦山工況，對(duì)比分析了磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等應(yīng)用于電動(dòng)輪礦車制動(dòng)能量回收時(shí)的適用性，研究表明高比功率磷酸鐵鋰電池的綜合性能最佳，可實(shí)現(xiàn)約7％的綜合節(jié)油率。國內(nèi)中煤集團(tuán)、北京科技大學(xué)等國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也將制動(dòng)能量回收作為礦車節(jié)能的研究重點(diǎn)。其中，具有代表性的是中煤平朔集團(tuán)主持研發(fā)的超級(jí)電容器與電池并聯(lián)型制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，并在小松730E礦車上進(jìn)行了應(yīng)用，綜合節(jié)油率達(dá)到了10.29%。
隨著車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的介入，電動(dòng)輪礦車的能量管理問題主要聚焦于電力傳動(dòng)系統(tǒng)多種能源的功率優(yōu)化分配。此外，車載儲(chǔ)能系統(tǒng)通常受環(huán)境溫度、工況、充放電區(qū)間等因素制約，無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的100%回收，存在車載儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題。目前，北京科技大學(xué)、加拿大維多利亞大學(xué)等少數(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)混合動(dòng)力礦車的能量管理問題進(jìn)行了研究，主要涉及傳動(dòng)系統(tǒng)局部優(yōu)化和結(jié)合工況的全局優(yōu)化兩個(gè)層面。上述研究表明，通過車載儲(chǔ)能式制動(dòng)能量回收技術(shù)和能量優(yōu)化管理技術(shù)，可顯著提高電動(dòng)輪礦車的燃油經(jīng)濟(jì)性。
3新型車載儲(chǔ)能技術(shù)
3.1功率型鋰離子電池技術(shù)
在制動(dòng)能量回收技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有車載儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、電場儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能三種技術(shù)路線。
在各類車載儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池在能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、經(jīng)濟(jì)性等方面具有最優(yōu)的綜合性能，呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。
然而，電動(dòng)輪礦車兼具運(yùn)載工具和生產(chǎn)工具雙重屬性，其對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束主要是以較小的體積和重量，滿足車輛在重載上坡和空載下坡的大功率充放電需求。近年來，各類鋰離子電池材料體系在能量密度、功率密度、壽命、安全性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面發(fā)展迅速，并針對(duì)不同應(yīng)用場合的實(shí)際需求，形成了三大技術(shù)體系，分別是能量型鋰離子電池、能量功率兼顧型鋰離子電池、功率型鋰離子電池。這三類技術(shù)體系鋰離子電池比能量和比功率性能參數(shù)如圖9所示。
為有效提升電力傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能和減排效果，需要鋰離子電池具有較高能量密度的同時(shí)，具有大功率充放電能力。以小松730E車型為例，該車型滿載情況下總質(zhì)量約為325噸，其在一次典型長下坡工況下最大制動(dòng)回饋電能約為35kWh，平均制動(dòng)功率為600kW，最大制動(dòng)功率可達(dá)2MW。若加裝鋰離子電池制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，以電池系統(tǒng)總質(zhì)量小于200kg為設(shè)計(jì)約束，以回收40%的回饋電能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，電池成組后額定比能量應(yīng)大于70Wh/kg，額定比功率應(yīng)大于3kW/kg，峰值比功率應(yīng)達(dá)10kW/kg。
參照?qǐng)D9，僅功率型鋰離子電池的技術(shù)參數(shù)能夠滿足電動(dòng)輪礦車的使用需求。目前，能量型、能量功率兼顧鋰離子電池作為乘用車和商用車電動(dòng)化的終端動(dòng)力載體，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。功率型鋰離子電池由于其應(yīng)用領(lǐng)域較窄，裝機(jī)容量較小，僅在工程機(jī)械、軌道交通、軍用特種裝備等領(lǐng)域有小規(guī)模應(yīng)用，在礦用車輛領(lǐng)域仍處于前期探索階段。盡管如此，由于功率型鋰離子電池具有比功率大、安全性好、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)輪礦車節(jié)能領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。
3.2鋰離子電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能技術(shù)
露天礦山隨機(jī)復(fù)雜工況導(dǎo)致制動(dòng)過程中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率波動(dòng)巨大，瞬時(shí)峰值制動(dòng)功率可達(dá)2MW。目前，功率型鋰離子電池比功率約為5kW/kg，成組后約為3kW/kg，無法實(shí)現(xiàn)高隨機(jī)、短時(shí)、頻繁、大功率的制動(dòng)能量的全部回收。
現(xiàn)有技術(shù)水平下，僅靠高功率鋰離子電池，能實(shí)現(xiàn)約40%的回饋電能的回收，大部分制動(dòng)功率仍需要通過制動(dòng)電阻消耗。因此，如何提升車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量回收率，并降低鋰離子電池大功率充放電帶來的安全性問題，是擺在電動(dòng)輪礦車節(jié)能減排研究領(lǐng)域的又一難題。
超級(jí)電容器又稱為電化學(xué)電容器，是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型物理儲(chǔ)能裝置，其顯著的特點(diǎn)是可通過電場儲(chǔ)能的方式快速存儲(chǔ)和釋放電能，其功率密度遠(yuǎn)高于普通電池[34,35]。目前，超級(jí)電容器功率密度可達(dá)78kW/kg，是功率型鋰電池功率密度的15倍左右[34]，在大功率脈沖電源、電磁彈射、大功率機(jī)械能回收等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而，相比鋰離子電池，超級(jí)電容的能量密度依然很低（<20Wh/kg），無法長時(shí)間存儲(chǔ)大量電能。因此，采用超級(jí)電容器與鋰離子電池混合儲(chǔ)能技術(shù)，以彌補(bǔ)各自性能短板，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)兼顧高能量密度和高功率密度，是大功率車載儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的又一重要研究方向。
此外，對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，混合能量管理策略是提升能量回收率，并維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。混合能量管理策略的主要作用是在超級(jí)電容器和鋰離子電池之間實(shí)現(xiàn)功率最優(yōu)分配，以同時(shí)發(fā)揮超級(jí)電容器高功率密度和鋰離子電池高能量密度的優(yōu)點(diǎn)。中煤平朔集團(tuán)、武漢微氫新能源有限公司基于大功率雙向DC/DC串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的基于超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)輪礦車制動(dòng)能量的高效回收，能量回收率達(dá)53.5%，如圖10所示，大幅提升了傳動(dòng)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了碳排放。
總的來說，鋰離子電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能技術(shù)能夠兼顧高能量密度和高功率密度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功率在超級(jí)電容器和鋰離子電池之間的最優(yōu)分配。該技術(shù)可大幅提升制動(dòng)電能的能量回收率，進(jìn)而提升電動(dòng)輪礦車的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低碳排放，已成為電動(dòng)輪礦車制動(dòng)能量回收與再生利用技術(shù)的重要發(fā)展方向。
4氫燃料電池技術(shù)
如上文所述，電動(dòng)輪礦車電力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：
（1）化石能源燃燒發(fā)電環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)將柴油的熱能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，并通過電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
（2）電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，在驅(qū)動(dòng)模式下，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；制動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電模式，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。其中，化石能源的燃燒發(fā)電環(huán)節(jié)直接產(chǎn)生碳排放，是實(shí)現(xiàn)零排放的根本突破口。因此，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪礦車的完全零排放，在化石能源供給端，推動(dòng)以非化石能源為主的新型發(fā)電技術(shù)或儲(chǔ)能技術(shù)是關(guān)鍵。
目前，零排放技術(shù)主要可分為四種方式，即儲(chǔ)能、氫能、生物質(zhì)燃料和碳捕捉。其中，生物質(zhì)燃料和碳捕捉主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的零排放；儲(chǔ)能和氫能有望成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的主流零排放技術(shù)。在電動(dòng)輪礦車領(lǐng)域，可供選擇的各類能源的能量密度如表1所示。
可以看到，在質(zhì)量能量密度和體積能量密度方面，鋰離子電池相比柴油存在數(shù)量級(jí)的巨大差距，這意味著在同樣的空間和質(zhì)量約束下，鋰離子電池技術(shù)路線無法保證整車原有性能和運(yùn)力。因此，單純依靠鋰離子替代柴油發(fā)電機(jī)，在續(xù)航里程、充電基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)性等方面目前不具備可行性。
氫燃料電池可直接通過非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并生成清潔的最終產(chǎn)物水，與“碳中和”理念高度契合。如表1所示，在采用70MPa壓縮儲(chǔ)氫罐的情況下，氫能的質(zhì)量能量密度是柴油的2.76倍。盡管70MPa壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油的12.8%，但是由于電動(dòng)輪礦車自身體積大、整車空間布置約束較小，其較低的體積能量密度可通過增加儲(chǔ)氫罐的布置空間來克服。因此，上述優(yōu)點(diǎn)決定了氫能燃料電池在電動(dòng)輪礦車領(lǐng)域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。
在氫能獲取方面，主要有煤制氫、天然氣制氫、可再生能源制氫等技術(shù)手段，不同制氫技術(shù)的成本如表2所示。由于我國富煤缺油少氣的資源結(jié)構(gòu)，煤制氫成為當(dāng)前的主流技術(shù)路線，規(guī)模約占60%以上，綜合制氫成本約在8~12元/kg；天然氣制氫受制于能源供給格局，規(guī)模較小，成本相比煤制氫略高；可再生能源制氫是中長期技術(shù)路線，占比極小，且成本較高。在氫能運(yùn)輸環(huán)節(jié)，目前以20MPa長管拖車運(yùn)輸為主要運(yùn)輸手段，1kg氫氣100km運(yùn)輸成本約為6~10元。因此，在煤炭資源富裕的礦區(qū)，采用煤制氫技術(shù)路線具有顯著的成本優(yōu)勢，不僅可以節(jié)約巨額的氫能運(yùn)輸成本，還可實(shí)現(xiàn)氫能的就近供給與消納，形成礦山能源高效利用內(nèi)循環(huán)。
綜上所述，氫燃料電池技術(shù)路線可較好滿足電動(dòng)輪礦車對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度、不間斷運(yùn)行時(shí)間、燃料加注（充電）速度、成本等方面的性能要求。與此同時(shí)，在中長期應(yīng)用前景方面，我國的露天煤礦主要分布于蒙東、新疆等地區(qū)，上述地區(qū)也是風(fēng)、光等可再生能源豐富的地區(qū)，通過可再生能源制氫可實(shí)現(xiàn)氫能制取環(huán)節(jié)的零排放，從而實(shí)現(xiàn)氫能制取、消納全過程的零排放。因此，氫燃料電池作為一種完全零排放的發(fā)電裝置，有望取代當(dāng)前主流的“內(nèi)燃機(jī)+發(fā)電機(jī)”動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可作為電動(dòng)輪礦車實(shí)現(xiàn)完全零碳排放的中長期技術(shù)路線。
5結(jié)論
露天礦山是一個(gè)以采掘?yàn)橹行?，運(yùn)輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)，電動(dòng)輪礦車是運(yùn)輸環(huán)節(jié)的主要生產(chǎn)工具。典型的電動(dòng)輪礦車采用“柴油發(fā)電+電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)”的電力傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛動(dòng)力系統(tǒng)的唯一來源，一直存在燃油消耗巨大、碳排放高的缺點(diǎn)。在“碳達(dá)峰”、“碳中和”宏觀背景下，亟需針對(duì)電動(dòng)輪礦車開展節(jié)能減排和零排放技術(shù)研究?？偟膩碚f，電動(dòng)輪礦車從節(jié)能至全完零排放的技術(shù)路線較為清晰，具體涉及雙向功率流電力傳動(dòng)技術(shù)、制動(dòng)能量回收與再生利用技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)三個(gè)方面，如圖11所示。上述三大技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪礦車的不同方面，分別對(duì)應(yīng)不同能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，即電能轉(zhuǎn)化與高效率利用環(huán)節(jié)、機(jī)械能回收與再生利用環(huán)節(jié)、氫能替代柴油燃燒發(fā)電環(huán)節(jié)，三者相互獨(dú)立、并行發(fā)展、相互支撐，具體如下。
（1）在電能轉(zhuǎn)化與高效率利用環(huán)節(jié)，結(jié)合復(fù)雜露天礦山工況特點(diǎn)，開展電力傳動(dòng)系統(tǒng)能量優(yōu)化管理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，是電動(dòng)輪礦車節(jié)能技術(shù)的重要研究方向。在全局優(yōu)化層面，采用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)工況下的高效率運(yùn)行；在局部優(yōu)化層面，采用雙向功率流拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與發(fā)電機(jī)功率的解耦控制和制動(dòng)能量的直接利用，從而提高電力傳動(dòng)系統(tǒng)的電能利用效率，降低碳排放。
（2）在機(jī)械能回收與再生利用環(huán)節(jié)，根據(jù)電動(dòng)輪礦車在上下坡循環(huán)工況中的勢能、動(dòng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)電化學(xué)能、制動(dòng)電阻柵熱能的時(shí)空轉(zhuǎn)換規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收與再生利用。目前，功率型鋰離子電池技術(shù)、鋰離子電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能技術(shù)已日趨成熟，在電動(dòng)輪礦車制動(dòng)能量回收領(lǐng)域呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)10%左右的綜合節(jié)油率。
（3）在氫能替代柴油燃燒發(fā)電環(huán)節(jié)，采用氫燃料電池技術(shù)直接將氫燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，可避免柴油燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的碳排放，具有完全零排放、質(zhì)量能量密度高、發(fā)電效率高、產(chǎn)物清潔、空間布置靈活的優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，露天礦山所在地區(qū)煤炭資源及風(fēng)、光可再生能源豐富，可通過煤制氫、可再生能源制氫等方式就近獲取氫能源，形成礦山氫能源高效利用內(nèi)循環(huán)，是露天礦山運(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)零排放的理想解決方案和中長期技術(shù)路線。
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