純電動(dòng)礦用卡車在露天煤礦的應(yīng)用

董志龍，劉 暢

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

我國純電動(dòng)礦用卡車研究與應(yīng)用始于2018 年，目前全國各類露天礦山共有200 余臺(tái)純電動(dòng)礦用卡車，主要核心研發(fā)單位有宇通重工、徐工重工、河南躍薪、三一重裝、濰柴集團(tuán)等設(shè)備制造廠商[1]。2019 年以來，宇通重工生產(chǎn)的純電動(dòng)礦用卡車在西藏地區(qū)多個(gè)礦區(qū)多批量交付使用，高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用成功、效果良好。動(dòng)力電池組礦用卡車的成功使用，帶來露天采礦運(yùn)輸設(shè)備的革命性變革，尤其在環(huán)保、減少碳排放方面更具優(yōu)勢(shì)[2]。內(nèi)蒙古和新疆是中國露天煤礦最集中的地區(qū)，卡車運(yùn)輸年礦巖移運(yùn)量巨大，礦用卡車均為燃油車輛。因此“以電代油”的設(shè)備換代，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)改善露天煤礦的節(jié)能減排，提高企業(yè)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力；純電動(dòng)礦用卡車能否適應(yīng)不同地域的使用工況、能否為用戶降低成本都需要測(cè)試、試用，并開展安全、性能評(píng)估及生產(chǎn)成本測(cè)算。

1 純電動(dòng)礦用卡車基本情況

1.1 純電動(dòng)礦用卡車的特性

1）能效更高。從理論上講，純電動(dòng)礦用卡車比普通內(nèi)燃機(jī)卡車具有更高的效率。當(dāng)前，內(nèi)燃機(jī)具有40%的熱效率，剩余的60%由于熱或摩擦被浪費(fèi)掉。而大多數(shù)電動(dòng)機(jī)可以將90%的能量作為動(dòng)力傳輸，相比內(nèi)燃機(jī)是1 個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

2）有利于節(jié)能減排。從能源危機(jī)和節(jié)能減排角度考慮，將傳統(tǒng)燃油卡車替換成純電動(dòng)礦用卡車的意義顯而易見。在能源轉(zhuǎn)換和減少排放的背景下，純電動(dòng)礦用卡車具有更大的發(fā)展空間[4]。

3）節(jié)省運(yùn)行成本和保養(yǎng)費(fèi)用。重型內(nèi)燃機(jī)車輛低速運(yùn)行時(shí)極為耗油，而純電動(dòng)礦用卡車可大幅降低運(yùn)行成本，同時(shí)車輛維修保養(yǎng)費(fèi)用也將大幅降低。

4）在特定區(qū)域內(nèi)使用可規(guī)避續(xù)駛里程不足的劣勢(shì)。以純電動(dòng)礦用卡車應(yīng)用于礦山這個(gè)工作場(chǎng)景來看，在該場(chǎng)景使用的重卡多為低速運(yùn)行，行駛里程有限，充電也十分便捷。

5）未來應(yīng)用范圍會(huì)更廣。純電動(dòng)礦用卡車配上先進(jìn)的電卡驅(qū)模，既可以高速行駛，又可以在需要大扭矩的低速爬坡狀態(tài)下使用，未來的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣[5-6]。

1.2 純電動(dòng)礦用卡車與燃油礦用卡車的區(qū)別

1）純電動(dòng)礦用卡車與傳統(tǒng)的燃油礦用卡車相比，最大的不同在于純電動(dòng)礦用卡車并不使用發(fā)動(dòng)機(jī)，而是使用電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)艙減少了很多部件，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣以及一系列的附加配件。

2）純電動(dòng)礦用卡車機(jī)艙內(nèi)部同樣配置了液壓冷卻系統(tǒng)，冷卻主要以電池冷卻，電機(jī)及控制器冷卻為主，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻功率較小，但需要較為精準(zhǔn)的匹配，以減少冷卻系統(tǒng)的功耗[7]。

3）純電動(dòng)礦用卡車和燃油車型相比，機(jī)艙內(nèi)部多了1 個(gè)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主要是由傳感器、控制單元以及執(zhí)行器來組成。它可以在車輛運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)控制，而且將這些信息進(jìn)行接收和決策。

2 純電動(dòng)礦用卡車試用情況

2019 年7月18 日—9 月17 日，YTK90 純電動(dòng)礦用車車在將軍戈壁二號(hào)露天煤礦（以下簡(jiǎn)稱“將二礦”）試用，單班（白班）運(yùn)行，期間測(cè)試了多種路況，包括重車下行、重車上行、平路行駛，單程運(yùn)距約2～2.5 km，提升高度33 m。試用期間，同步對(duì)1 臺(tái)狀況良好的燃油卡車進(jìn)行同步測(cè)試、對(duì)比，分析2 個(gè)月試用情況。

2.1 純電動(dòng)礦用卡車試用數(shù)據(jù)

1）充電情況。YTK90 純電動(dòng)礦用卡車在將軍戈壁二號(hào)露天煤礦自2019 年7 月18 日—9 月17 日試運(yùn)行共62 d。實(shí)際運(yùn)行60 d。YTK90 純電動(dòng)礦用卡車出勤率100%。充電次數(shù)78 次，當(dāng)天充電次數(shù)2次有18 d。根據(jù)充電情況進(jìn)行分析，YTK90 純電動(dòng)礦用卡車每分鐘充電在3.88～4.8 kW·h 之間波動(dòng)，平均每分鐘充4.50 kW·h，充電速度整體平穩(wěn)。正常生產(chǎn)情況下，剩余約15%電量時(shí)，需要停止生產(chǎn)并進(jìn)行充電，充滿電需要約100 min。

2）自卸車實(shí)際載重。為使得純電動(dòng)礦用卡車與柴油礦用卡車數(shù)據(jù)對(duì)比更加真實(shí)，對(duì)2 種車輛空、重車分別過磅，期間共抽噸8 次。結(jié)合以往運(yùn)載數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剝離物料密度為2.36 t/m3，燃油礦用卡車平均每車?yán)\(yùn)剝離物料實(shí)方量為28.2 m3，純電動(dòng)礦用卡車平均每車?yán)\(yùn)剝離物料實(shí)方量為26.6 m3。

3）耗能與運(yùn)輸成本。純電動(dòng)礦用卡車與燃油礦用卡車同步測(cè)試、運(yùn)行62 d 電價(jià)按照0.5 元/度，柴油按照6.3 元/L 計(jì)算，電動(dòng)卡車平均運(yùn)距2.145 km，燃油卡車平均運(yùn)距2.135 km，統(tǒng)計(jì)油耗、電耗、運(yùn)輸量，測(cè)算能耗情況。數(shù)據(jù)分析，純電動(dòng)礦用卡車的能耗成本優(yōu)勢(shì)明顯，約為柴油卡車的30%。純電動(dòng)卡車能耗測(cè)算表見表1，燃油卡車能耗測(cè)算表見表2。

表1 純電動(dòng)卡車能耗測(cè)算表

表2 燃油卡車能耗測(cè)算表

2.2 純電動(dòng)礦用卡車運(yùn)行過程中存在的問題

1）充電用時(shí)長。純電動(dòng)礦用卡車平均每分鐘充電4.50 kW·h，1 次充電時(shí)間約1.5 h，每日需充電3～4次，每日充電耗時(shí)4.5～6 h，充電用時(shí)長，影響工作效率的發(fā)揮。純電動(dòng)礦用卡車電池電量500 kW·h，白夜雙班作業(yè)時(shí)需要充電4 次，占用生產(chǎn)時(shí)間。每天拉運(yùn)約35 次，約為燃油礦用卡車生產(chǎn)效率的87.5%；如達(dá)到同等生產(chǎn)能力，純電動(dòng)礦用卡車數(shù)量比燃油礦用卡車多14%。

2）續(xù)航能力有限。純電動(dòng)礦用卡車電容量較小，電量低于20%時(shí)需要進(jìn)行充電，根據(jù)實(shí)際情況，白班可以利用中午吃飯時(shí)間給電動(dòng)礦用卡車充電；夜班無法滿足夜班整班運(yùn)行的需求，至少需要充電1 次。

3）缺少冬季試運(yùn)行數(shù)據(jù)。本次純電動(dòng)礦用卡車運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集期間為7—9 月，電池蓄電情況未受到氣溫影響，而實(shí)際剝離竣工日期一般為12 月，冬季氣溫最低可達(dá)－30 ℃，極其寒冷。目前缺少冬季試運(yùn)行數(shù)據(jù)，無法對(duì)純電動(dòng)礦用卡車在冬季的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

4）電池?fù)p耗情況不明。由于純電動(dòng)礦用卡車目前基本處于推廣階段，市場(chǎng)上并未大范圍使用，試用時(shí)間也較短，無法判斷電池隨使用時(shí)間增加的損耗情況，暫不知電池的壽命和更換周期。

5）車輛回收問題。根據(jù)實(shí)際情況，燃油礦用卡車使用3 年之后可以低價(jià)轉(zhuǎn)賣，而純電動(dòng)礦用卡車未普及，如果廠家無置換政策，超過規(guī)定使用年限后只能報(bào)廢。

2.3 純電動(dòng)礦用卡車應(yīng)用調(diào)研情況

純電動(dòng)礦用卡車是目前國內(nèi)礦山使用數(shù)量最多、分布最廣，技術(shù)上更為先進(jìn)、成熟。純電動(dòng)卡車在高寒高海拔地區(qū)、重車下行工況使用良好，將重車下行的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能給電池充電，各項(xiàng)性能、成本優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于燃油礦用卡車。中國的露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、山西、云南，這些區(qū)域海拔低，以深凹露天礦為主，卡車運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力依靠電池提供，需要純電動(dòng)礦用卡車具備整車售價(jià)低且電池容量大、壽命長等優(yōu)勢(shì)，才能與傳統(tǒng)燃油車相抗衡。

3 純電動(dòng)礦用卡車與燃油礦用卡車運(yùn)行成本

相較于燃油礦用卡車，純電動(dòng)礦用卡車價(jià)格昂貴，購買1 臺(tái)純電動(dòng)礦用卡車，等同于購買2.4 臺(tái)燃油礦用卡車。電動(dòng)礦用卡車原值按180 萬元/臺(tái)，折舊期按5 年，剩值按5%；燃油礦用卡車原值按75 萬元/臺(tái)，折舊期按4 年，剩值按5%?？紤]充電時(shí)間影響設(shè)備作業(yè)時(shí)間，燃油礦用卡車運(yùn)載40 車/d，電動(dòng)礦用卡車運(yùn)載35 車/d，每月運(yùn)行25 d，每年運(yùn)行9個(gè)月。電價(jià)按0.38 元/（kW·h），燃油按6.68 元/L 計(jì)算，電動(dòng)礦用卡車維修費(fèi)按5 000 元/月，燃油礦用卡車維修費(fèi)6 000 元/月?？紤]電量儲(chǔ)存降低后需要更換電池，暫估5 年更換1/2 電池組，電動(dòng)礦用卡車維修費(fèi)平均每年增加10 萬元。

通過計(jì)算2 種車的運(yùn)行成本，電動(dòng)礦用卡車運(yùn)行成本為2.92 元/m3，燃油礦用卡車運(yùn)行成本為2.69元/m3，電動(dòng)礦用卡車運(yùn)行成本略高于燃油礦用卡車，主要問題在于折舊高、維修費(fèi)用高。成本分析對(duì)比表見表3。

表3 成本分析對(duì)比表

4 結(jié)語

1）目前純電動(dòng)卡車還處于研發(fā)、試用階段，設(shè)備存在造價(jià)高、充電時(shí)間長等缺點(diǎn)，電池的壽命和更換周期需要長期使用來驗(yàn)證。

2）目前不宜大批量購置純電動(dòng)礦用卡車，同時(shí)需結(jié)合無人駕駛技術(shù)方案進(jìn)行綜合考量，否則后續(xù)無論是設(shè)備改造或引進(jìn)新設(shè)備都將帶來其他方面的技術(shù)問題，付出更大的代價(jià)。

3）為實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)礦用在露天煤礦的推廣應(yīng)用，需要純電動(dòng)礦用卡車制造商、電池供應(yīng)商繼續(xù)加大技術(shù)研發(fā)，降低整車價(jià)格，提升電池的容量和壽命。