非公路矿用汽车节能技术分析

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摘要：首先介绍了非公路矿用汽车液力机械传动和电传动形式的特点，其次从新型燃料、混合动力、纯电驱动等方面综述了其节能技术的相关研究，然后分析了该车型储能系统和驱动电机的技术进展，并概括了通过优化控制策略提升电传动系统能量利用率的相关研究。最后总结为混合动力技术有望成为非公路矿用汽车的主要节能途径。

关键词：非公路矿用汽车；露天矿山；混合动力；能量效率；控制策略

矿业是社会经济发展的基础，合理开发利用与保护矿产资源，确保资源供给和资源安全，是实现高质量发展和高品质生活、建设美丽中国的重点之一。对于矿业行业来说，发展绿色矿业、建设绿色矿山是落实科学发展观和生态文明建设的重要举措。非公路矿用汽车作为露天矿山完成岩石土方剥离与矿石运输任务的主要装备，其工作特点为运程短、承载重，常用大型电铲或液压铲进行装载，往返于采掘点和卸矿点，其经济性指标很大程度上决定了是否能贯彻落实绿色矿山建设理念。因此，非公路矿用汽车的节能减排是当前整车制造和矿山企业面临的重要问题。

1非公路矿用汽车的传动形式

非公路矿用汽车的传动形式包括液力机械传动和电传动2种，如图1所示。液力机械传动通过液力机械自动变速器、传动轴、车桥将柴油机的动力传递给驱动轮，主要用于百吨级以下的车型。电传动矿用汽车是工程机械中行驶速度最快、技术含量最高的产品，载重量从百吨以上至400t，广泛应用于煤和铁矿石的开采运输。相比机械传动方式，电传动无需液力变矩器、变速箱和驱动桥等部件，结构简单，可以降低机械传动部件的制造成本，安装维修也更为方便，传动具有较高的响应速度。国外的电传动系统生产开发主要集中在通用电气和西门子两家企业，按照驱动电机的不同可以分为交流发电机-直流电动机的直流电传动与交流发电机-交流电动机的交流电传动类型。后者的功率密度更高，可靠性及传动效率也更有优势。电传动矿用汽车下坡制动时，整车的惯性能量（动能和势能）转换为电能并通过制动电阻栅转换成热能消耗，以此来实现车辆的制动。当车辆处于长距离下坡制动的工况时，发动机必须处于高怠速、高油耗状态才能满足牵引电机冷却、机械制动、转向等对能量的需求。开展非公路矿用汽车的节能技术研究、降低燃油消耗率、实现能量的高效利用成为目前该领域广泛关注的热点问题。

2非公路矿用汽车节能技术方案

传统的矿用汽车是以柴油发动机作为动力源。为贯彻绿色矿山的建设理念、实现非公路矿用汽车的能量高效利用，国内外研究机构和企业从新型燃料、燃油-电能混合动力、纯电驱动、氢燃料电池等方面开展了矿用汽车的节能技术研究。（1）新型燃料使用新型燃料代替传统柴油燃料是目前对矿用汽车进行节能减排改进的一个方向。液化天然气（LNG）-柴油双燃料系统技术已在卡特彼勒的793（机械传动）和小松的830E（电传动）上有所应用。2017年，由中车集团开发研制的CR240E（电传动）矿用汽车上也采用了LNG-柴油双燃料发动机技术，试验结果表明，采用该技术可以节约燃料成本，有效减少排放中的氮氧化物、煤烟和可吸入颗粒物，CO2的排放也可得到控制。LNG-柴油双燃料发动机技术对液力机械传动和电传动车型同样适用，该技术从发动机燃烧角度入手，利用燃烧控制系统实现纯燃油和双燃料混合模式间的自由切换，在柴油发动机主要转速区间（1000～1800r/min）内燃料平均替代率可达55%。但是LNG需低温低压储存，双燃油系统需要对原发动机进行复杂的软硬件改装，技术尚未成熟，改装成本高，这些因素制约了双燃料系统的发展。（2）燃油-电能混合动力乘用车的混合动力技术，尤其是燃油-电力混合动力技术高速发展，已开发出串联、并联、混联式多种驱动系统构型。混合动力技术通过利用两种能量的耦合，使车辆运行保持在高效区间。燃油-电能混合动力是目前国内外学者主要研究的一种矿用汽车节能技术方案，该方案基于电传动矿用汽车的结构形式，开展串联式混合动力矿用汽车的相关研究。矿用汽车启动与制动的频率较高，而且其自重和载重较大，从而导致制动时回馈功率较大。制动能量的吸收方案主要有制动能量能耗型和制动能量回馈型2种，如图2所示。传统的电传动车型采取制动能量能耗型方案，利用电阻栅耗散制动时产生的电能，并需要外加散热装置，造成了不必要的浪费。另一种可行的方案是制动能量回馈型，将矿用汽车制动时的能量部分回收，存储在储能系统中，用于整车牵引和冷却系统的驱动。对于非公路矿用汽车而言，其下坡过程中会产生巨大的势能，然而要全部或部分回收这些势能需要高功率密度的储能技术支持。制动能量回馈方案研究中，美国能源部开发了应用于240吨级电传动矿用汽车的先进混合动力驱动和能量管理系统。混合动力控制可以提供节能模式和性能模式。在节能模式下，传动系统最大功率输出仍然与传统的电传动系统相同，但是会减少发动机的功率输出，剩下的能量由储能系统提供。性能模式下，发动机发挥最大的功率输出，再配合储能系统的功率输出，以达到更强的动力性能。该项目按照全尺寸的电机、电池、控制器搭建试验平台开展了验证，并在小松的某款车型上进行测试。（3）纯电驱动纯电驱动技术也越来越多地被推广和应用到工程机械领域。纯电驱动的矿用汽车主要有集中式和分布式2种可行的传动构型，如图3所示。集中式构型是采用单个驱动电机和自动变速器驱动后桥，而分布式构型则是在电传动系统的基础上直接用电池为后桥的2个驱动电机提供能量。转向和举升系统可采用独立电机驱动，由VCU分配能量，与传统的传动系统相比实现了驱动与附属部件的能量解耦。集中式构型适用于小吨位的车型，可基于同吨位液力机械传动系统进行开发；分布式构型更适用于大吨位的车型，面向成熟的电动轮系统重新开发。对于纯电驱动的矿用卡车，对电池的高要求是该技术方案面临的首要问题。（4）氢燃料电池极少数的机构开展了氢燃料电池矿用汽车的研究和开发。尽管氢燃料电池不需要柴油机来驱动发电机，但仍需要配备电池实现能量的存储，故又被称为氢燃料-锂电池混合动力系统。2019年11月，由潍柴动力、中国氢能联盟、国家能源集团联合研发的200吨级氢燃料矿用汽车下线，采用了氢燃料电池-锂电池混合能源系统替代传统的柴油机发电机系统，控制系统采用降压斩波的方式，驱动电机功率达1100kW。英美资源集团(AngloAmerican)与ENGIE公司正合作开发氢动力矿用汽车，将氢燃料电池作为其动力来源。氢燃料电池方案可以提供洁净能源，但是氢气的制备、存储、运输和相关基础设施建设成为制约该方案广泛应用矿山的因素。对于部分副产氢气的矿山来说，氢燃料电池方案有望成为其矿用汽车节能技术的有效解决途径。

3储能系统与驱动电机

（1）储能系统燃油-电能混合动力、纯电驱动以及氢燃料电池3种节能方案中，都需要设置储能系统，矿用汽车特殊的运行环境和方式对该系统提出了更高的要求。目前，市场上应用的储能系统主要包括锂电池、超级电容器和液压储能器等。矿区工况复杂，载荷波动剧烈，矿用汽车既要保证满负荷运行8h左右，又要保证重载下的动力性和制动性，尤其是当矿用汽车长下坡时，可回收的制动能量巨大，这对储能装置的功率密度、循环寿命等都提出了更高的要求。一种融合了具有高能量密度的锂电池和具有高功率密度的液压储能器的方法被应用在一些工程机械上，电池储能装置保证工作时间，液压储能装置保证动态性能。复合储能系统可以将不同特点的储能元件进行组合，使它们优势互补，从而改善整体的储能效果。对于矿用汽车而言，采用高功率密度和高循环寿命的锂电池是未来主要的发展方向。（2）驱动电机主流的驱动电机主要分为以下四类：直流电机、永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机。直流电机的机械结构复杂，需要频繁维护；开关磁阻电机很容易受到转矩和径向畸变的影响，噪声和振动比较大；异步电动机优点是成本低、运行可靠、维护方便，并能承受大范围的运行温度变化，在电传动系统中用于轮边驱动电机，但其效率和功率密度相对较低；永磁同步电机的优势包括高功率密度、高效率、高功率因数和全封闭设计，在新能源乘用车上有广泛应用。未来开展适合于矿用汽车的永磁电驱系统最优集成设计，可以更好地利用其优势，且全封闭的设计更能提高电驱动矿用汽车的环境适应性。

4控制策略

文献［5］设计了大型矿车制动能量回收与利用装备的管理系统，管理系统需完成制动能量回收与利用装备的监视和控制、超级电容与蓄电池的能量管理等功能，该系统在小松730E矿车上开展了运行试验，验证了系统的可靠性和稳定性。文献［6］提出了一种双层控制结构的功率跟随控制策略，该策略基于串联混合动力系统，能有效地控制混合动力车辆运行，与传统柴油车相比节油效果提高了25.9%，实现了节能目的。文献［7］人以整车运动力学特性分析为基础，将多目标趋优应用于大型矿车中，构建了大型矿车能量回馈系统优化指标体系，通过多目标趋优控制，可以获得最高的燃油效率。文献［8］提出一种分布式驱动控制技术，根据实时工况调整控制策略，提高效率，降低能源损耗，经过测试，整车的可靠性和续航里程都得到有效提升。

5结语

本文从新型燃料、混合动力、纯电驱动和氢燃料电池四方面综述了非公路矿用汽车主要的节能解决方案。其中，油电混合动力是基于电传动矿用汽车现有的传动构型，增加电池储能系统回收下坡制动过程中产生的能量，并在系统附件消耗和其他工况中再利用，最终实现传动系统能量效率的提高。该技术与永磁电机技术和高比功率电池技术的发展，以及电传动系统控制策略的助益，相比于其他途径更有望大规模应用于非公路矿用汽车的节能，进而推进绿色矿山的建设。

参考文献：

［1］冯庆东,帅健,许葵,等.矿用汽车的国内外现状［J］.煤矿机械,2011,32(10):3-5.

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［4］刘佳骏.锂电池和超级电容复合储能系统的最优设计与控制［D］.北京:北京科技大学,2019.

［5］吴阳杰,刘健,王阳,等.大型矿车制动能量回收与利用装备管理系统［J］.电源学报，2022,20(1):149-157.

［6］苑昆,靳添絮,刘立,等.混合动力地下铲运机功率跟随控制策略［J］.机械工程学报,2017,53(16):105-111.

［7］唐伟.基于多目标趋优的大型矿车能量回馈装置控制策略研究［D］.武汉:武汉工程大学,2016.

［8］周德华.矿用铰接式重型电动铲板车控制系统研究［J］.煤矿机械,2020,41(8):42-44.

作者：康翌婷 刘智华 张文明 单位：北京科技大学机械工程学院