淺析由動(dòng)力蓄電池組替代礦用自卸卡車大功率柴油機(jī)的可行性

摘 要：在現(xiàn)代“單斗-卡車”露天開采工藝中，運(yùn)輸設(shè)備普遍使用220T級(jí)以上的礦用卡車，其動(dòng)力源均為大功率進(jìn)口高速柴油機(jī)。柴油機(jī)的能耗高，排放量大，零部件價(jià)格非常昂貴，每年的大修理和維護(hù)費(fèi)用占卡車維護(hù)總成本的30%以上，目前亟待研發(fā)新型低耗的卡車動(dòng)力源來替代柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降排的目的。由動(dòng)力蓄電池組構(gòu)成的電能存儲(chǔ)單元具備低耗能、低投入的特點(diǎn)，因此，電能存儲(chǔ)單元的可行性研發(fā)非常必要。

關(guān)鍵詞：礦用卡車；柴油機(jī)；動(dòng)力蓄電池；可行性

1 引言

神華準(zhǔn)能集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱準(zhǔn)能公司）下屬的黑岱溝和哈爾烏素露天煤礦都是大型露天煤礦，開采工藝均采用單斗-卡車間斷工藝，年生產(chǎn)量均達(dá)到3000萬(wàn)噸。目前，兩個(gè)露天煤礦所有的礦用卡車所使用的動(dòng)力源均為進(jìn)口柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其零部件價(jià)格非常昂貴，每年這些柴油機(jī)的日常維護(hù)、保養(yǎng)及大修理費(fèi)用占卡車維修總成本的30%以上；另外上述卡車運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的排放也相當(dāng)巨大，給節(jié)能環(huán)保方面造成了較大的壓力。本文通過對(duì)QSK60型柴油機(jī)以及由蓄電池組構(gòu)成的電能存儲(chǔ)單元進(jìn)行成本、能力分析，研究了純電動(dòng)礦用自卸卡車柴油機(jī)的使用、維護(hù)現(xiàn)狀，動(dòng)力蓄電池的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，以及由動(dòng)力蓄電池組替代柴油機(jī)的可行性。為研發(fā)220T級(jí)以上卡車的純電動(dòng)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

2 礦用卡車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和維護(hù)概況

礦用220T級(jí)卡車采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單概括為：由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)變頻控制后，傳動(dòng)卡車后輪的2臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，經(jīng)輪邊減速機(jī)傳動(dòng)卡車輪胎，最終實(shí)現(xiàn)卡車驅(qū)動(dòng)?？ㄜ嚢l(fā)動(dòng)機(jī)功率為2700-2900馬力，電動(dòng)輪最大轉(zhuǎn)矩為20000-26000牛米。

準(zhǔn)能集團(tuán)兩個(gè)露天煤礦共有220噸-326噸級(jí)的礦用自卸卡車134臺(tái)，分為5種車型，包括SF33900卡車25臺(tái)、830E卡車10臺(tái)、930E卡車44臺(tái)、MT4400卡車18臺(tái)、MT5500卡車37臺(tái)。這些卡車裝配的柴油機(jī)均為進(jìn)口康明斯（Cummins） QSK60型大功率高速機(jī)。截至目前，上述卡車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間均已接近40000小時(shí)，按照每20000小時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)大修理的規(guī)程，上述設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)陸續(xù)開始第二輪大修理。

上述非公路用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)屬于高耗能機(jī)型，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)年消耗柴油597.71噸，2016年全年上述設(shè)備共計(jì)消耗柴油67167.023噸。

發(fā)動(dòng)機(jī)平時(shí)的維護(hù)包括定期保養(yǎng)和零故維修兩大類，其中日常保養(yǎng)內(nèi)容包括：更換發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，更換機(jī)油濾清器，空氣濾清器及燃油濾清器，單次保養(yǎng)費(fèi)用約1.3萬(wàn)元，單臺(tái)卡車每年的保養(yǎng)次數(shù)約為20次，即：?jiǎn)闻_(tái)卡車每年保養(yǎng)所發(fā)生的費(fèi)用為26萬(wàn)元，全年上述卡車保養(yǎng)得總費(fèi)用為3484萬(wàn)元；另外，上述卡車發(fā)動(dòng)機(jī)零故發(fā)生的費(fèi)用每年約為1000萬(wàn)元。

發(fā)動(dòng)機(jī)大修理基礎(chǔ)更換件約30余項(xiàng)，大修理消耗零部件價(jià)格昂貴，每年這些柴油機(jī)的大修理費(fèi)用高達(dá)1.3億元，給正常生產(chǎn)帶來了很大的成本壓力。

3 國(guó)產(chǎn)大功率高速柴油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在大功率高速（≥2000馬力，額定轉(zhuǎn)速1900rpm）柴油機(jī)領(lǐng)域起步晚，研發(fā)能力和技術(shù)水平與國(guó)外公司相比還有差距。國(guó)內(nèi)機(jī)型與國(guó)外同類機(jī)型相比，雖然活塞排量相關(guān)無(wú)幾，但是其輸出功率低、經(jīng)濟(jì)性、可靠性較差，排放指標(biāo)差。目前，國(guó)外公司除了以提高產(chǎn)品價(jià)格來削弱國(guó)內(nèi)制造業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)還以限制提供產(chǎn)品的方式來限制國(guó)內(nèi)自主品牌大功率高速柴油機(jī)的研發(fā)和推廣，此種狀況提高了國(guó)內(nèi)企業(yè)的成本，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的良性發(fā)展。削弱國(guó)內(nèi)制造業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)還以限制提供產(chǎn)品的方式來限制國(guó)內(nèi)自主品牌大功率高速柴油機(jī)的研發(fā)和推廣。

4 開發(fā)純電動(dòng)礦用自卸卡車的必要性說明

（1）由動(dòng)力蓄電池組構(gòu)成的電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元的運(yùn)行維護(hù)成本低，在

運(yùn)行成本上較內(nèi)燃機(jī)具有巨大優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約相當(dāng)大地成本。

隨著卡車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的維修量增大，大修理周期逐漸縮短，維護(hù)成本逐年不斷增加。如K50發(fā)動(dòng)機(jī)在使用多年后，大修理周期已由最初的20000小時(shí)降低至目前的10000小時(shí)左右。電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元研發(fā)成功并投入使用后，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電阻柵將被由蓄電池和超級(jí)電容所組成的電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元替代，而電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元維護(hù)成本相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非常低，卡車的整體維護(hù)費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)下降。

（2）進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)配件采購(gòu)周期長(zhǎng)，而國(guó)內(nèi)高速非公路柴油機(jī)的發(fā)展尚處在初步階段，還不能替代進(jìn)口柴油機(jī)，且隨著卡車運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的修理越來越頻繁，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配件采購(gòu)周期要求短，進(jìn)口配件的采購(gòu)周期不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁修理的要求。

（3）與傳統(tǒng)礦車相比，純電動(dòng)礦車具有更高的能源利用效率，同時(shí)也具有二氧化碳減排的潛力。機(jī)動(dòng)車污染排放是城市空氣污染的主要來源之一，近年來全國(guó)出現(xiàn)多次大面積霧霾天氣，機(jī)動(dòng)車尾氣是主要原因之一。大力推廣純電動(dòng)汽車是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳的最佳方案，純電動(dòng)汽車行駛過程中不產(chǎn)生二氧化碳，即使考慮到中國(guó)目前電力生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，純電動(dòng)汽車仍然具有13%-68%的減排能力。

5 開發(fā)純電動(dòng)礦用自卸卡車的可行性分析

5.1 電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元

電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元就是由電能存儲(chǔ)單元所構(gòu)成的動(dòng)力源，在電動(dòng)汽車的應(yīng)用上主要是由動(dòng)力蓄電池構(gòu)成。目前，蓄電池在國(guó)內(nèi)外的開發(fā)和應(yīng)用上已取得了相當(dāng)?shù)匕l(fā)展，在大型電動(dòng)車輛（如公交車、電動(dòng)汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動(dòng)力車）上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。

5.2 動(dòng)力蓄電池及其國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

目前，在電動(dòng)汽車上應(yīng)用最為廣泛的蓄電池主要為鋰離子電池，其正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。在電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的蓄電池為磷酸鐵鋰電池。是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，全名磷酸鐵鋰鋰離子電池。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入“動(dòng)力”兩字，即磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。endprint

5.2.1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）安全性能好。磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，外部溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好。電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸。

（2）使用壽命長(zhǎng)。長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用，可達(dá)到2000次。

（3）高溫性能好。磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣（-20C-+75C），有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

（4）容量大。具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量。5AH-1000AH（單體）。

（5）無(wú)記憶效應(yīng)?？沙潆姵卦诮?jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無(wú)須先放完再充電。

（6）重量輕。同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。

（7）環(huán)保。該電池一般被認(rèn)為是不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無(wú)毒（SGS認(rèn)證通過），無(wú)污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池證。

5.2.2 我國(guó)動(dòng)力蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀

從2008年以來，我國(guó)動(dòng)力電池的發(fā)展取得了很大的突破，功率密度達(dá)到了3千瓦時(shí)/升，耐久性達(dá)到了一萬(wàn)小時(shí)。我國(guó)基本掌握了車用動(dòng)力電池的關(guān)鍵技術(shù)，我們國(guó)家動(dòng)力電池的開發(fā)，和整車開發(fā)基本同步。

從技術(shù)上來講，我國(guó)的鋰離子燃料電池關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的一個(gè)先進(jìn)水平，目前我們鋰電池可以做到系統(tǒng)的比能量800-1000瓦時(shí)/千克，比功率可以做到500-100瓦/千克，循環(huán)壽命也能做到突破一千次，使用壽命大概是可以達(dá)到五年，成本大概是說可以低于每瓦時(shí)三塊錢。

從產(chǎn)品層面來看，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)趨于成熟了，過往來看，我們國(guó)家供應(yīng)電池支撐了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前在大規(guī)模示范這一塊用的電池基本上都是國(guó)產(chǎn)。

5.3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

按照上述我國(guó)動(dòng)力蓄電池組發(fā)展現(xiàn)狀來看，動(dòng)力蓄電池組的運(yùn)行及維護(hù)成本要元低于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

以220噸級(jí)自卸卡車重載單程運(yùn)距為例（約3.5公里），按照上述3元/千瓦時(shí)的成本估算，純電動(dòng)自卸車的單程成本約為92元；而根據(jù)QSK60柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的平均油耗估算出的用油成本約550元。就單程運(yùn)距來說，柴油機(jī)在運(yùn)行成本上要遠(yuǎn)高于動(dòng)力蓄電池組，幾乎是后者的6倍。

另外，由動(dòng)力蓄電池組構(gòu)成的“電能存儲(chǔ)動(dòng)力單元”基本不需要日常維護(hù)費(fèi)，而發(fā)動(dòng)機(jī)大修理費(fèi)和日常維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用每年約為140.00萬(wàn)元。這樣初步估算，采用純電動(dòng)卡車較內(nèi)燃式卡車運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用每年每臺(tái)節(jié)約近758.00萬(wàn)元（內(nèi)燃式單程燃油費(fèi)550元*50次/天*270天+140萬(wàn)元維護(hù)費(fèi)/臺(tái)-單程電費(fèi)92元*50次/天*270天）。

可見，動(dòng)力蓄電池組在運(yùn)行、維護(hù)成本上較柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是具有很大優(yōu)勢(shì)的，因此替代柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

5.4 技術(shù)可行性分析

目前，我國(guó)家已經(jīng)建立了比較完善的動(dòng)力蓄電池產(chǎn)業(yè)體系，截至2015年總產(chǎn)量已超過100億瓦時(shí)，關(guān)鍵材料、單體電池、電池系統(tǒng)和電池裝備、檢測(cè)儀器等都有了相當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)能力，目前在全球范圍內(nèi)已處于領(lǐng)先水平。因此，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)替代大功率柴油機(jī)也是可行的。

5.5 在礦用卡車實(shí)現(xiàn)蓄電池組替代發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性分析

理論上講，由動(dòng)力蓄電池組替代大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)層面上是可以實(shí)現(xiàn)的。但要在220T級(jí)以上卡車上實(shí)現(xiàn)上述替代，就不得不考慮卡車的結(jié)構(gòu)、空間、運(yùn)行特性、以及與原車控制系統(tǒng)的匹配性等方面的因素。

首先，結(jié)合卡車動(dòng)力性要求、運(yùn)行特性，在卡車結(jié)構(gòu)和空間方面做一分析。220T級(jí)卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為2015千瓦，按照目前的剝離生產(chǎn)工藝來講，要求卡車每班運(yùn)行8小時(shí)，按此運(yùn)行特性計(jì)算所得卡車運(yùn)行所需能量為16120千瓦*時(shí)，按照上述的動(dòng)力蓄電池能量密度3千瓦*時(shí)/L估算，要達(dá)到上述動(dòng)力性要求，蓄電池組的體積約為5373L（即5.37立方米），原車發(fā)動(dòng)機(jī)-主發(fā)電機(jī)的安裝空間約為9m？，理想狀態(tài)下來看是可行的。但是，蓄電池的充放電是不可能達(dá)到100%的，尤其是在放電做功的時(shí)候，常溫下一般來說放電只能放電到總?cè)萘康?0%-30%，如果在零下25度的時(shí)候，充滿后放電大概能放到總?cè)萘康?0%左右。實(shí)際情況下，上述計(jì)算所得的5.37立方米是不夠的，考慮嚴(yán)寒天氣情況，蓄電池組的總體積至少應(yīng)為8.95立方米，由此看來在安裝空間上實(shí)現(xiàn)的可行性甚微。

其次，是與原車控制系統(tǒng)的匹配性問題，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等多方面的匹配問題。關(guān)于這些的匹配問題，在技術(shù)層面上應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的，目前看來只是存在兩個(gè)方面的問題。其一是經(jīng)濟(jì)性問題，由于原車控制系統(tǒng)都是按照與卡車發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配所設(shè)計(jì)的，若由動(dòng)力蓄電池組來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，則需要更換部分控制系統(tǒng)元件和電路板，相應(yīng)地會(huì)有成本投入發(fā)生，由于電路板件的價(jià)格較為昂貴，因此此部分投入亦相當(dāng)可觀；其二，目前卡車的電氣系統(tǒng)屬于通用（GE）電氣公司專利，屬于其技術(shù)保密范疇，由于GE和康明斯的戰(zhàn)略合作關(guān)系，在更新電氣控制系統(tǒng)時(shí)能否突破此壁壘尤未可知。

綜合上述分析，目前要想完全實(shí)現(xiàn)由動(dòng)力蓄電池組替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍是存在較大困難的，即在目前的220T級(jí)以上礦用自卸卡車上實(shí)現(xiàn)還是不可行的。

結(jié)束語(yǔ)

220T級(jí)以上礦用自卸卡車是大型露天煤礦剝離工藝的主力設(shè)備，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，降低設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)成本是各大露天煤礦所亙久不變的目標(biāo)，而卡車柴油機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本一直是設(shè)備維修成本中占比較大的一塊，因此目前迫切的需要開發(fā)一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的動(dòng)力源來替代柴油機(jī)，但就目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力蓄電池的發(fā)展?fàn)顩r來講，動(dòng)力蓄電池組來實(shí)現(xiàn)礦用卡車的驅(qū)動(dòng)仍是不太可能的。但目前我國(guó)正在加緊推進(jìn)新一代動(dòng)力蓄電池的研發(fā)，相信在2020-2030年間，能夠研發(fā)處比能量更大的新一代動(dòng)力電池，從而能夠?qū)崿F(xiàn)替代大功率柴油機(jī)的目標(biāo)，達(dá)到降本增效的目的。

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作者簡(jiǎn)介：陳虎東（1982，8-），男，2004年7月畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)并獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位、現(xiàn)在神華準(zhǔn)能設(shè)備維修中心生產(chǎn)技術(shù)部從事主管工程師職務(wù)，工程師職稱。endprint