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摘要：首先介紹了非公路礦用汽車液力機械傳動和電傳動形式的特點，其次從新型燃料、混合動力、純電驅動等方面綜述了其節能技術的相關研究，然后分析了該車型儲能系統和驅動電機的技術進展，并概括了通過優化控制策略提升電傳動系統能量利用率的相關研究。最后總結為混合動力技術有望成為非公路礦用汽車的主要節能途徑。

關鍵詞：非公路礦用汽車；露天礦山；混合動力；能量效率；控制策略

礦業是社會經濟發展的基礎，合理開發利用與保護礦產資源，確保資源供給和資源安全，是實現高質量發展和高品質生活、建設美麗中國的重點之一。對于礦業行業來說，發展綠色礦業、建設綠色礦山是落實科學發展觀和生態文明建設的重要舉措。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輸任務的主要裝備，其工作特點為運程短、承載重，常用大型電鏟或液壓鏟進行裝載，往返于采掘點和卸礦點，其經濟性指標很大程度上決定了是否能貫徹落實綠色礦山建設理念。因此，非公路礦用汽車的節能減排是當前整車制造和礦山企業面臨的重要問題。

1非公路礦用汽車的傳動形式

非公路礦用汽車的傳動形式包括液力機械傳動和電傳動2種，如圖1所示。液力機械傳動通過液力機械自動變速器、傳動軸、車橋將柴油機的動力傳遞給驅動輪，主要用于百噸級以下的車型。電傳動礦用汽車是工程機械中行駛速度最快、技術含量最高的產品，載重量從百噸以上至400t，廣泛應用于煤和鐵礦石的開采運輸。相比機械傳動方式，電傳動無需液力變矩器、變速箱和驅動橋等部件，結構簡單，可以降低機械傳動部件的制造成本，安裝維修也更為方便，傳動具有較高的響應速度。國外的電傳動系統生產開發主要集中在通用電氣和西門子兩家企業，按照驅動電機的不同可以分為交流發電機-直流電動機的直流電傳動與交流發電機-交流電動機的交流電傳動類型。后者的功率密度更高，可靠性及傳動效率也更有優勢。電傳動礦用汽車下坡制動時，整車的慣性能量（動能和勢能）轉換為電能并通過制動電阻柵轉換成熱能消耗，以此來實現車輛的制動。當車輛處于長距離下坡制動的工況時，發動機必須處于高怠速、高油耗狀態才能滿足牽引電機冷卻、機械制動、轉向等對能量的需求。開展非公路礦用汽車的節能技術研究、降低燃油消耗率、實現能量的高效利用成為目前該領域廣泛關注的熱點問題。

2非公路礦用汽車節能技術方案

傳統的礦用汽車是以柴油發動機作為動力源。為貫徹綠色礦山的建設理念、實現非公路礦用汽車的能量高效利用，國內外研究機構和企業從新型燃料、燃油-電能混合動力、純電驅動、氫燃料電池等方面開展了礦用汽車的節能技術研究。（1）新型燃料使用新型燃料代替傳統柴油燃料是目前對礦用汽車進行節能減排改進的一個方向。液化天然氣（LNG）-柴油雙燃料系統技術已在卡特彼勒的793（機械傳動）和小松的830E（電傳動）上有所應用。2017年，由中車集團開發研制的CR240E（電傳動）礦用汽車上也采用了LNG-柴油雙燃料發動機技術，試驗結果表明，采用該技術可以節約燃料成本，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-柴油雙燃料發動機技術對液力機械傳動和電傳動車型同樣適用，該技術從發動機燃燒角度入手，利用燃燒控制系統實現純燃油和雙燃料混合模式間的自由切換，在柴油發動機主要轉速區間（1000～1800r/min）內燃料平均替代率可達55%。但是LNG需低溫低壓儲存，雙燃油系統需要對原發動機進行復雜的軟硬件改裝，技術尚未成熟，改裝成本高，這些因素制約了雙燃料系統的發展。（2）燃油-電能混合動力乘用車的混合動力技術，尤其是燃油-電力混合動力技術高速發展，已開發出串聯、并聯、混聯式多種驅動系統構型。混合動力技術通過利用兩種能量的耦合，使車輛運行保持在高效區間。燃油-電能混合動力是目前國內外學者主要研究的一種礦用汽車節能技術方案，該方案基于電傳動礦用汽車的結構形式，開展串聯式混合動力礦用汽車的相關研究。礦用汽車啟動與制動的頻率較高，而且其自重和載重較大，從而導致制動時回饋功率較大。制動能量的吸收方案主要有制動能量能耗型和制動能量回饋型2種，如圖2所示。傳統的電傳動車型采取制動能量能耗型方案，利用電阻柵耗散制動時產生的電能，并需要外加散熱裝置，造成了不必要的浪費。另一種可行的方案是制動能量回饋型，將礦用汽車制動時的能量部分回收，存儲在儲能系統中，用于整車牽引和冷卻系統的驅動。對于非公路礦用汽車而言，其下坡過程中會產生巨大的勢能，然而要全部或部分回收這些勢能需要高功率密度的儲能技術支持。制動能量回饋方案研究中，美國能源部開發了應用于240噸級電傳動礦用汽車的先進混合動力驅動和能量管理系統。混合動力控制可以提供節能模式和性能模式。在節能模式下，傳動系統最大功率輸出仍然與傳統的電傳動系統相同，但是會減少發動機的功率輸出，剩下的能量由儲能系統提供。性能模式下，發動機發揮最大的功率輸出，再配合儲能系統的功率輸出，以達到更強的動力性能。該項目按照全尺寸的電機、電池、控制器搭建試驗平臺開展了驗證，并在小松的某款車型上進行測試。（3）純電驅動純電驅動技術也越來越多地被推廣和應用到工程機械領域。純電驅動的礦用汽車主要有集中式和分布式2種可行的傳動構型，如圖3所示。集中式構型是采用單個驅動電機和自動變速器驅動后橋，而分布式構型則是在電傳動系統的基礎上直接用電池為后橋的2個驅動電機提供能量。轉向和舉升系統可采用獨立電機驅動，由VCU分配能量，與傳統的傳動系統相比實現了驅動與附屬部件的能量解耦。集中式構型適用于小噸位的車型，可基于同噸位液力機械傳動系統進行開發；分布式構型更適用于大噸位的車型，面向成熟的電動輪系統重新開發。對于純電驅動的礦用卡車，對電池的高要求是該技術方案面臨的首要問題。（4）氫燃料電池極少數的機構開展了氫燃料電池礦用汽車的研究和開發。盡管氫燃料電池不需要柴油機來驅動發電機，但仍需要配備電池實現能量的存儲，故又被稱為氫燃料-鋰電池混合動力系統。2019年11月，由濰柴動力、中國氫能聯盟、國家能源集團聯合研發的200噸級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替代傳統的柴油機發電機系統，控制系統采用降壓斬波的方式，驅動電機功率達1100kW。英美資源集團(AngloAmerican)與ENGIE公司正合作開發氫動力礦用汽車，將氫燃料電池作為其動力來源。氫燃料電池方案可以提供潔凈能源，但是氫氣的制備、存儲、運輸和相關基礎設施建設成為制約該方案廣泛應用礦山的因素。對于部分副產氫氣的礦山來說，氫燃料電池方案有望成為其礦用汽車節能技術的有效解決途徑。

3儲能系統與驅動電機

（1）儲能系統燃油-電能混合動力、純電驅動以及氫燃料電池3種節能方案中，都需要設置儲能系統，礦用汽車特殊的運行環境和方式對該系統提出了更高的要求。目前，市場上應用的儲能系統主要包括鋰電池、超級電容器和液壓儲能器等。礦區工況復雜，載荷波動劇烈，礦用汽車既要保證滿負荷運行8h左右，又要保證重載下的動力性和制動性，尤其是當礦用汽車長下坡時，可回收的制動能量巨大，這對儲能裝置的功率密度、循環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能器的方法被應用在一些工程機械上，電池儲能裝置保證工作時間，液壓儲能裝置保證動態性能。復合儲能系統可以將不同特點的儲能元件進行組合，使它們優勢互補，從而改善整體的儲能效果。對于礦用汽車而言，采用高功率密度和高循環壽命的鋰電池是未來主要的發展方向。（2）驅動電機主流的驅動電機主要分為以下四類：直流電機、永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機。直流電機的機械結構復雜，需要頻繁維護；開關磁阻電機很容易受到轉矩和徑向畸變的影響，噪聲和振動比較大；異步電動機優點是成本低、運行可靠、維護方便，并能承受大范圍的運行溫度變化，在電傳動系統中用于輪邊驅動電機，但其效率和功率密度相對較低；永磁同步電機的優勢包括高功率密度、高效率、高功率因數和全封閉設計，在新能源乘用車上有廣泛應用。未來開展適合于礦用汽車的永磁電驅系統最優集成設計，可以更好地利用其優勢，且全封閉的設計更能提高電驅動礦用汽車的環境適應性。

4控制策略

文獻［5］設計了大型礦車制動能量回收與利用裝備的管理系統，管理系統需完成制動能量回收與利用裝備的監視和控制、超級電容與蓄電池的能量管理等功能，該系統在小松730E礦車上開展了運行試驗，驗證了系統的可靠性和穩定性。文獻［6］提出了一種雙層控制結構的功率跟隨控制策略，該策略基于串聯混合動力系統，能有效地控制混合動力車輛運行，與傳統柴油車相比節油效果提高了25.9%，實現了節能目的。文獻［7］人以整車運動力學特性分析為基礎，將多目標趨優應用于大型礦車中，構建了大型礦車能量回饋系統優化指標體系，通過多目標趨優控制，可以獲得最高的燃油效率。文獻［8］提出一種分布式驅動控制技術，根據實時工況調整控制策略，提高效率，降低能源損耗，經過測試，整車的可靠性和續航里程都得到有效提升。

5結語

本文從新型燃料、混合動力、純電驅動和氫燃料電池四方面綜述了非公路礦用汽車主要的節能解決方案。其中，油電混合動力是基于電傳動礦用汽車現有的傳動構型，增加電池儲能系統回收下坡制動過程中產生的能量，并在系統附件消耗和其他工況中再利用，最終實現傳動系統能量效率的提高。該技術與永磁電機技術和高比功率電池技術的發展，以及電傳動系統控制策略的助益，相比于其他途徑更有望大規模應用于非公路礦用汽車的節能，進而推進綠色礦山的建設。

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［7］唐偉.基于多目標趨優的大型礦車能量回饋裝置控制策略研究［D］.武漢:武漢工程大學,2016.

［8］周德華.礦用鉸接式重型電動鏟板車控制系統研究［J］.煤礦機械,2020,41(8):42-44.

作者：康翌婷 劉智華 張文明 單位：北京科技大學機械工程學院