非公路礦用汽車節(jié)能技術(shù)分析

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摘要：首先介紹了非公路礦用汽車液力機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)形式的特點(diǎn)，其次從新型燃料、混合動(dòng)力、純電驅(qū)動(dòng)等方面綜述了其節(jié)能技術(shù)的相關(guān)研究，然后分析了該車型儲(chǔ)能系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)展，并概括了通過優(yōu)化控制策略提升電傳動(dòng)系統(tǒng)能量利用率的相關(guān)研究。最后總結(jié)為混合動(dòng)力技術(shù)有望成為非公路礦用汽車的主要節(jié)能途徑。

關(guān)鍵詞：非公路礦用汽車；露天礦山；混合動(dòng)力；能量效率；控制策略

礦業(yè)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，合理開發(fā)利用與保護(hù)礦產(chǎn)資源，確保資源供給和資源安全，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高品質(zhì)生活、建設(shè)美麗中國的重點(diǎn)之一。對(duì)于礦業(yè)行業(yè)來說，發(fā)展綠色礦業(yè)、建設(shè)綠色礦山是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀和生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。非公路礦用汽車作為露天礦山完成巖石土方剝離與礦石運(yùn)輸任務(wù)的主要裝備，其工作特點(diǎn)為運(yùn)程短、承載重，常用大型電鏟或液壓鏟進(jìn)行裝載，往返于采掘點(diǎn)和卸礦點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)很大程度上決定了是否能貫徹落實(shí)綠色礦山建設(shè)理念。因此，非公路礦用汽車的節(jié)能減排是當(dāng)前整車制造和礦山企業(yè)面臨的重要問題。

1非公路礦用汽車的傳動(dòng)形式

非公路礦用汽車的傳動(dòng)形式包括液力機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)2種，如圖1所示。液力機(jī)械傳動(dòng)通過液力機(jī)械自動(dòng)變速器、傳動(dòng)軸、車橋?qū)⒉裼蜋C(jī)的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，主要用于百噸級(jí)以下的車型。電傳動(dòng)礦用汽車是工程機(jī)械中行駛速度最快、技術(shù)含量最高的產(chǎn)品，載重量從百噸以上至400t，廣泛應(yīng)用于煤和鐵礦石的開采運(yùn)輸。相比機(jī)械傳動(dòng)方式，電傳動(dòng)無需液力變矩器、變速箱和驅(qū)動(dòng)橋等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以降低機(jī)械傳動(dòng)部件的制造成本，安裝維修也更為方便，傳動(dòng)具有較高的響應(yīng)速度。國外的電傳動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)開發(fā)主要集中在通用電氣和西門子兩家企業(yè)，按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不同可以分為交流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)的直流電傳動(dòng)與交流發(fā)電機(jī)-交流電動(dòng)機(jī)的交流電傳動(dòng)類型。后者的功率密度更高，可靠性及傳動(dòng)效率也更有優(yōu)勢(shì)。電傳動(dòng)礦用汽車下坡制動(dòng)時(shí)，整車的慣性能量（動(dòng)能和勢(shì)能）轉(zhuǎn)換為電能并通過制動(dòng)電阻柵轉(zhuǎn)換成熱能消耗，以此來實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。當(dāng)車輛處于長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)的工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須處于高怠速、高油耗狀態(tài)才能滿足牽引電機(jī)冷卻、機(jī)械制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等對(duì)能量的需求。開展非公路礦用汽車的節(jié)能技術(shù)研究、降低燃油消耗率、實(shí)現(xiàn)能量的高效利用成為目前該領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

2非公路礦用汽車節(jié)能技術(shù)方案

傳統(tǒng)的礦用汽車是以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。為貫徹綠色礦山的建設(shè)理念、實(shí)現(xiàn)非公路礦用汽車的能量高效利用，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)從新型燃料、燃油-電能混合動(dòng)力、純電驅(qū)動(dòng)、氫燃料電池等方面開展了礦用汽車的節(jié)能技術(shù)研究。（1）新型燃料使用新型燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油燃料是目前對(duì)礦用汽車進(jìn)行節(jié)能減排改進(jìn)的一個(gè)方向。液化天然氣（LNG）-柴油雙燃料系統(tǒng)技術(shù)已在卡特彼勒的793（機(jī)械傳動(dòng)）和小松的830E（電傳動(dòng)）上有所應(yīng)用。2017年，由中車集團(tuán)開發(fā)研制的CR240E（電傳動(dòng)）礦用汽車上也采用了LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該技術(shù)可以節(jié)約燃料成本，有效減少排放中的氮氧化物、煤煙和可吸入顆粒物，CO2的排放也可得到控制。LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)液力機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)車型同樣適用，該技術(shù)從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒角度入手，利用燃燒控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)純?nèi)加秃碗p燃料混合模式間的自由切換，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要轉(zhuǎn)速區(qū)間（1000～1800r/min）內(nèi)燃料平均替代率可達(dá)55%。但是LNG需低溫低壓儲(chǔ)存，雙燃油系統(tǒng)需要對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的軟硬件改裝，技術(shù)尚未成熟，改裝成本高，這些因素制約了雙燃料系統(tǒng)的發(fā)展。（2）燃油-電能混合動(dòng)力乘用車的混合動(dòng)力技術(shù)，尤其是燃油-電力混合動(dòng)力技術(shù)高速發(fā)展，已開發(fā)出串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)式多種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型。混合動(dòng)力技術(shù)通過利用兩種能量的耦合，使車輛運(yùn)行保持在高效區(qū)間。燃油-電能混合動(dòng)力是目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究的一種礦用汽車節(jié)能技術(shù)方案，該方案基于電傳動(dòng)礦用汽車的結(jié)構(gòu)形式，開展串聯(lián)式混合動(dòng)力礦用汽車的相關(guān)研究。礦用汽車啟動(dòng)與制動(dòng)的頻率較高，而且其自重和載重較大，從而導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)回饋功率較大。制動(dòng)能量的吸收方案主要有制動(dòng)能量能耗型和制動(dòng)能量回饋型2種，如圖2所示。傳統(tǒng)的電傳動(dòng)車型采取制動(dòng)能量能耗型方案，利用電阻柵耗散制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，并需要外加散熱裝置，造成了不必要的浪費(fèi)。另一種可行的方案是制動(dòng)能量回饋型，將礦用汽車制動(dòng)時(shí)的能量部分回收，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，用于整車牽引和冷卻系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于非公路礦用汽車而言，其下坡過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的勢(shì)能，然而要全部或部分回收這些勢(shì)能需要高功率密度的儲(chǔ)能技術(shù)支持。制動(dòng)能量回饋方案研究中，美國能源部開發(fā)了應(yīng)用于240噸級(jí)電傳動(dòng)礦用汽車的先進(jìn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和能量管理系統(tǒng)。混合動(dòng)力控制可以提供節(jié)能模式和性能模式。在節(jié)能模式下，傳動(dòng)系統(tǒng)最大功率輸出仍然與傳統(tǒng)的電傳動(dòng)系統(tǒng)相同，但是會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，剩下的能量由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。性能模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大的功率輸出，再配合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出，以達(dá)到更強(qiáng)的動(dòng)力性能。該項(xiàng)目按照全尺寸的電機(jī)、電池、控制器搭建試驗(yàn)平臺(tái)開展了驗(yàn)證，并在小松的某款車型上進(jìn)行測(cè)試。（3）純電驅(qū)動(dòng)純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)也越來越多地被推廣和應(yīng)用到工程機(jī)械領(lǐng)域。純電驅(qū)動(dòng)的礦用汽車主要有集中式和分布式2種可行的傳動(dòng)構(gòu)型，如圖3所示。集中式構(gòu)型是采用單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和自動(dòng)變速器驅(qū)動(dòng)后橋，而分布式構(gòu)型則是在電傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上直接用電池為后橋的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。轉(zhuǎn)向和舉升系統(tǒng)可采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由VCU分配能量，與傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)相比實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)與附屬部件的能量解耦。集中式構(gòu)型適用于小噸位的車型，可基于同噸位液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)；分布式構(gòu)型更適用于大噸位的車型，面向成熟的電動(dòng)輪系統(tǒng)重新開發(fā)。對(duì)于純電驅(qū)動(dòng)的礦用卡車，對(duì)電池的高要求是該技術(shù)方案面臨的首要問題。（4）氫燃料電池極少數(shù)的機(jī)構(gòu)開展了氫燃料電池礦用汽車的研究和開發(fā)。盡管氫燃料電池不需要柴油機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，但仍需要配備電池實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，故又被稱為氫燃料-鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。2019年11月，由濰柴動(dòng)力、中國氫能聯(lián)盟、國家能源集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)的200噸級(jí)氫燃料礦用汽車下線，采用了氫燃料電池-鋰電池混合能源系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用降壓斬波的方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率達(dá)1100kW。英美資源集團(tuán)(AngloAmerican)與ENGIE公司正合作開發(fā)氫動(dòng)力礦用汽車，將氫燃料電池作為其動(dòng)力來源。氫燃料電池方案可以提供潔凈能源，但是氫氣的制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為制約該方案廣泛應(yīng)用礦山的因素。對(duì)于部分副產(chǎn)氫氣的礦山來說，氫燃料電池方案有望成為其礦用汽車節(jié)能技術(shù)的有效解決途徑。

3儲(chǔ)能系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)燃油-電能混合動(dòng)力、純電驅(qū)動(dòng)以及氫燃料電池3種節(jié)能方案中，都需要設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)，礦用汽車特殊的運(yùn)行環(huán)境和方式對(duì)該系統(tǒng)提出了更高的要求。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括鋰電池、超級(jí)電容器和液壓儲(chǔ)能器等。礦區(qū)工況復(fù)雜，載荷波動(dòng)劇烈，礦用汽車既要保證滿負(fù)荷運(yùn)行8h左右，又要保證重載下的動(dòng)力性和制動(dòng)性，尤其是當(dāng)?shù)V用汽車長(zhǎng)下坡時(shí)，可回收的制動(dòng)能量巨大，這對(duì)儲(chǔ)能裝置的功率密度、循環(huán)壽命等都提出了更高的要求。一種融合了具有高能量密度的鋰電池和具有高功率密度的液壓儲(chǔ)能器的方法被應(yīng)用在一些工程機(jī)械上，電池儲(chǔ)能裝置保證工作時(shí)間，液壓儲(chǔ)能裝置保證動(dòng)態(tài)性能。復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將不同特點(diǎn)的儲(chǔ)能元件進(jìn)行組合，使它們優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而改善整體的儲(chǔ)能效果。對(duì)于礦用汽車而言，采用高功率密度和高循環(huán)壽命的鋰電池是未來主要的發(fā)展方向。（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)主流的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為以下四類：直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。直流電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要頻繁維護(hù)；開關(guān)磁阻電機(jī)很容易受到轉(zhuǎn)矩和徑向畸變的影響，噪聲和振動(dòng)比較大；異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是成本低、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，并能承受大范圍的運(yùn)行溫度變化，在電傳動(dòng)系統(tǒng)中用于輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但其效率和功率密度相對(duì)較低；永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)包括高功率密度、高效率、高功率因數(shù)和全封閉設(shè)計(jì)，在新能源乘用車上有廣泛應(yīng)用。未來開展適合于礦用汽車的永磁電驅(qū)系統(tǒng)最優(yōu)集成設(shè)計(jì)，可以更好地利用其優(yōu)勢(shì)，且全封閉的設(shè)計(jì)更能提高電驅(qū)動(dòng)礦用汽車的環(huán)境適應(yīng)性。

4控制策略

文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了大型礦車制動(dòng)能量回收與利用裝備的管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)需完成制動(dòng)能量回收與利用裝備的監(jiān)視和控制、超級(jí)電容與蓄電池的能量管理等功能，該系統(tǒng)在小松730E礦車上開展了運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［6］提出了一種雙層控制結(jié)構(gòu)的功率跟隨控制策略，該策略基于串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，能有效地控制混合動(dòng)力車輛運(yùn)行，與傳統(tǒng)柴油車相比節(jié)油效果提高了25.9%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。文獻(xiàn)［7］人以整車運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性分析為基礎(chǔ)，將多目標(biāo)趨優(yōu)應(yīng)用于大型礦車中，構(gòu)建了大型礦車能量回饋系統(tǒng)優(yōu)化指標(biāo)體系，通過多目標(biāo)趨優(yōu)控制，可以獲得最高的燃油效率。文獻(xiàn)［8］提出一種分布式驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)工況調(diào)整控制策略，提高效率，降低能源損耗，經(jīng)過測(cè)試，整車的可靠性和續(xù)航里程都得到有效提升。

5結(jié)語

本文從新型燃料、混合動(dòng)力、純電驅(qū)動(dòng)和氫燃料電池四方面綜述了非公路礦用汽車主要的節(jié)能解決方案。其中，油電混合動(dòng)力是基于電傳動(dòng)礦用汽車現(xiàn)有的傳動(dòng)構(gòu)型，增加電池儲(chǔ)能系統(tǒng)回收下坡制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量，并在系統(tǒng)附件消耗和其他工況中再利用，最終實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)能量效率的提高。該技術(shù)與永磁電機(jī)技術(shù)和高比功率電池技術(shù)的發(fā)展，以及電傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略的助益，相比于其他途徑更有望大規(guī)模應(yīng)用于非公路礦用汽車的節(jié)能，進(jìn)而推進(jìn)綠色礦山的建設(shè)。

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作者：康翌婷 劉智華 張文明 單位：北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院