著作原因：1.北京科技大学机器工程学院2.中煤平朔集团有限公司3.中国科学院电工商酌所，本文将对电力传动时间、制动能量接管与再生愚弄时间、新型车载储能时间、

本文将对电力传动时间、制动能量接管与再生愚弄时间、新型车载储能时间、氢燃料电池时间正在电动轮矿车规模的商酌与行使发扬情景举行综述判辨，并对大型电动轮矿车节能及零排放时间道途举行梳理和预计。

矿用自卸车重要采用机器传动、液力机器传动、电力传动三种传动布局。跟着露天矿山对大吨位运输作用和技能需求的不时晋升，矿用自卸车的载重慢慢由30吨繁荣至400吨，其采用的传动体系布局也各有着重，如图1所示。机器传动布局众行使于载重70吨以下的宽体矿车，存正在传举动用低、油耗高、寿命短（均匀寿命2.5年）的差错。液力机器传动和电力传动是载重70吨至400吨矿用自卸车所采用的两条并行时间道途。目前，矿用自卸车所采用的液力机器传动和电力传动时间均代表了运载装置大功率传动时间的最高程度，比拟机器传动布局，正在传举动用和牵引机能方面，均有大幅晋升。

电力传动体系和液力机器传动体系布局及能量活动示妄图如图2所示。可能看到，电力传动体系布局简陋牢靠，牵引形态下，柴油煽动机策动发电机发电，能量从煽动机通报到驱动电机，以电驱动的格式牵引矿车运转；制动形态下，驱动电机职业正在发电机形态，矿车的机器能转化为电能，能量从驱动电机流向制动电阻，并以热能的局面耗费。电力传动体系比拟液力机器传动体系，裁减了液力变矩器、变速器、传动轴等机器部件，布局更为简陋，牢靠性更高。

正在传动机能方面，电力传动体系的“牵引力（转矩）—转速”特色更适合矿山工况。以载重150吨级的通用电气GE150AC电力传动体系为例，其与同级别液力机器传动体系的传动机能对照如图3所示。可能看到，电力传动体系或许正在低速区域阐扬大转矩特色，于是牵引机能更强；当车辆职业正在高速区时，电力传动体系可保留恒功率形式运转，完成无级平定调速，更便于庞杂矿山工况下的整车把握。

正在传举动用方面，电力传动体系中煽动机职业形态不受坡度、载荷和车速的影响，于是可能永远职业正在高效区；而液力机器传动体系须要遵照庞杂工况变更，把握液力变矩器正在锁止和职业形态间经常切换。当变矩器职业时，液力机器传动体系运转作用较低。

所以，假使电力传动体系比液力机器传动体系众了“机器能—电能—机器能”转换症结，然则正在实践矿山工况下，电力传动体系的归纳能量愚弄作用能够更高。综上所述，大功率电力传动体系具有布局简陋、动力机能强劲、运转作用高、便于把握等便宜，目前仍旧成为载重100吨以上矿用自卸车的主流计划。

连接矿山工况和现有电力传动体系布局特征，展开电力传动体系能量优化管束和拓扑布局优化商酌，是电动轮矿车节能时间的首要商酌倾向。规范露天矿山工况运距约为3~5km，均匀坡度7%，最大坡度12%，跟着采掘深度的不时加深，矿车永恒、经常地职业正在长间隔重载上坡、长间隔下坡制动、短时经常制动、装卸载怠速工况。重载上坡工况下，矿车集体存正在动力亏空的情景，酿成煽动机长韶华过载并职业正在高油耗形态；长下坡和短时经常制动工况下，整车的机器能通过能耗制动的格式耗费，酿成巨额能量的吃亏；装卸载怠速工况下，煽动机依旧处于职业形态，为整车附件供应动力，煽动机运转作用较低。

目前，业内对能效商酌手腕众基于履历数据，跟着矿山工况的动态变更，其能量管束效益往往欠佳。正在智能网联框架下，通过加装途侧觉得装配、信号采纳装配，鞭策车途互感，并借助车联网、5G无线通讯时间、差分定位时间的归纳行使，及时获取车辆确当前地舆处所和工况变更已成为能够。智能网联场景下，电动轮矿车可遵照云端数据举行全部最优行程筹划，晋升车队的全部运输作用，低落燃油耗费与碳排放，如图4所示。别的，欠妥的驾驶习气如猛踩油门，频发刹车会增补油耗，带来更众的碳排放。通过智能网联时间，可遵照工况动态变更，把握电力传动体系永远职业正在最优形态，避免欠妥的驾驶行动，正在车辆运用症结进一步晋升燃油经济性，完成节能减排。

电动轮矿车重要由整车和电力传动体系两个别构成，个中电力传动体系是时间难度最高、产物附加值最大的个别，永恒从此被通用电气等外企垄断。而且，因为永恒的时间封闭和市集垄断，目前主流电力传动体系产物依旧采用上世纪末的计划。这使得现有的电动轮矿车电力传动体系过分眷注了牢靠性，归天了燃油经济性。

目前，电动轮矿车电力传动体系集体采用单向功率流电途拓扑，如图5(a)所示。单向功率流电途拓扑布局决意了电动轮矿车正在庞杂矿山工况下的实践运转能耗远高于计划目标，整体呈现正在三个方面。

（1）正在单向功率流拓扑布局下，电能通过“煽动机—发电机—不控整流器”变换，从发电机单向流向驱动电机，无法完成能量的双向活动。当驱动电机职业正在电制动形态时，形成的回馈电能只可通过制动电阻以热能的局面耗费，酿成巨额制动能量糟塌。（2）正在矿山实践开采运输症结中，常常存正在较长韶华的装载、驻车卸载恭候韶华，此时柴油发电体系不休机，通过机器取力的格式策动冷却等附件体系职业。假使驻车恭候工况煽动机职业功率较小，然则因为驻车韶华较长，遵照中煤平朔集团统计，约占矿车总运转韶华的50%，酿成了格外的能量糟塌。（3）单向功率流拓扑布局无法完成煽动机功率与发电机功率的解耦把握，车辆电力传动体系的输出功率只可通过调剂煽动机的进宇量来完成。正在庞杂矿山工况下的能量优化管束空间较小，实践运转中往往须要归天体系的燃油经济性以优先知足动力性需求。

针对上述单向功率流拓扑布局燃油经济性差、碳排放高的差错，北京科技大学率先提出了一种新型的“煽动机—发电机—可控整流器”双向功率流电力传动体系布局，如图5(b)所示[9]。该拓扑可完成煽动机功率与发电机功率的解耦把握，并有用进步运转作用，低落碳排放。与此同时，当矿车运转正在制动形式时，可把握发电机职业正在电动机形态，制动形成的电能通过双向可控整流器，为煽动机供应功率辅助，从而完成制动能量的高效愚弄。北京科技大学结合中车北京二七机车有限公司、比利时法兰德斯干净时间协会，对双向功率流电力传动体系的节能效益举行了验证，并正在山西吕梁袁家村铁矿举行了190吨矿车节能树范运营，测算声明坡道节油效益为7.9%，节能效益明显。

电动轮矿车属于规范的非道途车辆，具有运载用具和坐褥用具双重属性，其节能机理不只涉及车辆本身电力传动体系拓扑布局优化及把握，还与矿山工况亲昵相干。连接矿山工况，商酌重型矿车节能机理，对晋升燃油经济性、低落碳排放具有首要意旨。

电动轮矿车的职业流程同时也是车辆、煤炭、矿石的时空转动流程，其运转工况重要分为“重载上坡—空载下坡”和“空载上坡—重载下坡”两类，分辨如图6(a)和6(b)所示。关于露天煤矿，“重载上坡—空载下坡”工况是重要运转工况，中央少个别途段能够存正在重载下坡的情景；关于露天金属矿山，因为矿区地舆要素，个别矿山存正在全途段“空载上坡-重载下坡”工况。因为电动轮矿车自重和载重常常均正在百吨以上，其下坡流程中蕴藏了巨额的势能和动能。以小松730E车型为例，其空载质料为141吨，标称有用载荷为184吨，额定运转功率1491kW。遵照中煤平朔集团矿区实践运转数据，730E矿车正在规范的“重载上坡-空载下坡”工况往返一次总能耗约为100.2kWh，个中制动能耗为24.76kWh，约占矿车总能耗的24.71%。相似地，正在“空载上坡-重载下坡”工况下，因为装载质料的要素，使得矿车整车蕴藏的势能和动能大幅增补，制动能耗占矿车总能耗的比例将明显增补。

所以，通过引入制动能量接管体系，对制动能量举行接管，并举行再生愚弄，可明显低落整车运转油耗和碳排放，具有广大的节能减排空间。其重要节能机理征求以下两个方面：（1）不才坡流程中，矿车电力传动体系职业正在电制动形态，因为矿车自重蕴藏巨额的势能和动能，这个别能量通过电动轮发电的格式转换成电能，并通过制动能量接管与再生愚弄装配存储电能或回馈至电网，从而完成下坡制动机器能的接管。（2）正在上坡流程中，柴油煽动机通常职业正在陆续过载或大功率输出形态，这导致了内燃机燃烧不饱满，燃烧作用低，碳排放增大。所以，正在上坡流程，通过制动能量接管与再生愚弄装配开释电能，或通过架线格式衔尾至电网供电，为电力传动体系供应功率辅助，可低落煽动机燃油耗费和碳排放。别的，采用架线格式衔尾电网，可完成“矿车—电网”和“车辆—车辆”之间的能量双向活动，从而进一步进步车队全部运转的燃油经济性。

正在制动能量接管与再生愚弄商酌方面，国表里商酌重要聚焦于车载储能式和“矿车—电网”交互式两大商酌倾向。“矿车—电网”能量交互时间是一种不受体积、重量、容量、功率管束的制动能量接管时间道途所示。该时间通过受电弓完成了矿车和电网之间的能量双向活动，回馈电能可能被统一牵引变电所内的其他矿车负荷愚弄，也可把握能量回馈至大电网，可明显晋升整车的动力性和燃油经济性，于是吸引了国表里商酌机构越来越众的眷注。

与此同时，正在重载上坡工况下，矿车集体存正在动力亏空的情景，酿成煽动机长韶华过载并职业正在高油耗形态，此时电网还可能通过受电弓为矿车供应功率辅助，从而进一步进步燃油经济性。德国西门子公司、日本日立公司等对“矿车—电网”能量交互时间打开了商酌，并斥地了架线式电动轮矿车产物，通过把握矿车与电网之间的能量交互，使煽动机永远职业正在高效区，有用晋升了矿车的燃油经济性。然则，架线式电动轮矿车的短板正在于实用性较差，矿山道途众变、一次性投资过大、运营安详等要素导致其难以顺应实践的运用需求。

正在车载储能式制动能量接管时间方面，该时间仍旧正在电动汽车、开采机、矿用电铲等装置中获得了平凡行使。正在电动轮矿车规模，跟着锂离子电池时间的繁荣，车载储能式制动能量接管与愚弄体系日益获得珍重，渐渐成为商酌热门。

美国GE公司、日本小松公司正在美国能源部的支撑下合伙对电动轮矿车制动能量接管体系打开了商酌，通过正在守旧电动轮矿车上加装钠镍电池体系，研制了全国首台夹杂动力矿车，矿山工况实践运转归纳节油率可达15%把握，如图8所示。

然而，该项目效率并未完成家当化，重要理由是当时的储能电池正在功率密度、寿命等方面存正在彰彰短板，车辆全性命周期内的燃油经济性晋升并不彰彰。澳大利亚昆士兰大学连接露天矿山工况，对照判辨了磷酸铁锂电池、超等电容器、飞轮储能等行使于电动轮矿车制动能量接管时的实用性，商酌声明高比功率磷酸铁锂电池的归纳机能最佳，可完成约7％的归纳节油率。国内中煤集团、北京科技大学等国内商酌机构也将制动能量接管行为矿车节能的商酌核心。个中，具有代表性的是中煤平朔集团主办研发的超等电容器与电池并联型制动能量接管体系，并正在小松730E矿车进步行了行使，归纳节油率抵达了10.29%。

跟着车载储能体系的介入，电动轮矿车的能量管束题目重要聚焦于电力传动体系众种能源的功率优化分拨。别的，车载储能体系常常受境况温度、工况、充放电区间等要素限制，无法完成制动能量的100%接管，存正在车载储能体系优化计划的题目。目前，北京科技大学、加拿大维众利亚大学等少数商酌机构对夹杂动力矿车的能量管束题目举行了商酌，重要涉及传动体系个别优化和连接工况的全部优化两个层面。上述商酌声明，通过车载储能式制动能量接管时间和能量优化管束时间，可明显进步电动轮矿车的燃油经济性。

正在制动能量接管时间规模，现有车载储能时间重要征求电化学储能、电场储能、机器储能三种时间道途。

正在百般车载储能时间中，锂离子电池正在能量密度、功率密度、轮回寿命、经济性等方面具有最优的归纳机能，显示出较好的行使前景。

然而，电动轮矿车兼具运载用具和坐褥用具双重属性，其对车载储能体系的计划管束重要是以较小的体积和重量，知足车辆正在重载上坡和空载下坡的大功率充放电需求。近年来，百般锂离子电池原料系统正在能量密度、功率密度、寿命、安详性等环节时间目标方面繁荣急速，并针对分歧行使形势的实践需求，酿成了三大时间系统，分辨是能量型锂离子电池、能量功率统筹型锂离子电池、功率型锂离子电池。这三类时间系统锂离子电池比能量和比功率机能参数如图9所示。

为有用晋升电力传动体系的节能和减排效益，须要锂离子电池具有较高能量密度的同时，具有大功率充放电技能。以小松730E车型为例，该车型满载情景下总质料约为325吨，其正在一次规范长下坡工况下最大制动回馈电能约为35kWh，均匀制动功率为600kW，最大制动功率可达2MW。若加装锂离子电池制动能量接管体系，以电池体系总质料小于200kg为计划管束，以接管40%的回馈电能为计划目的，电池成组后额定比能量应大于70Wh/kg，额定比功率应大于3kW/kg，峰值比功率应达10kW/kg。

参照图9，仅功率型锂离子电池的时间参数或许知足电动轮矿车的运用需求。目前，能量型、能量功率统筹锂离子电池行为乘用车和商用车电动化的终端动力载体，正在环球限度内仍旧进入大周围家当化阶段。功率型锂离子电池因为其行使规模较窄，装机容量较小，仅正在工程机器、轨道交通、军用特种装置等规模有小周围行使，正在矿用车辆规模仍处于前期寻求阶段。假使如斯，因为功率型锂离子电池具有比功率大、安详性好、轮回寿命长的便宜，正在电动轮矿车节能规模具有彰彰的时间上风，显示出较好的行使前景。

露天矿山随机庞杂工况导致制动流程中电驱动体系的功率震荡广大，瞬时峰值制动功率可达2MW。目前，功率型锂离子电池比功率约为5kW/kg，成组后约为3kW/kg，无法完成高随机、短时、经常、大功率的制动能量的所有接管。

现有时间程度下，仅靠高功率锂离子电池，能完成约40%的回馈电能的接管，大个别制动功率仍须要通过制动电阻耗费。所以，若何晋升车载储能体系的能量接管率，并低落锂离子电池大功率充放电带来的安详性题目，是摆正在电动轮矿车节能减排商酌规模的又一困难。

超等电容器又称为电化学电容器，是一种介于守旧电容器和二次电池之间的新型物理储能装配，其明显的特征是可通过电场储能的格式迅速存储和开释电能，其功率密度远高于一般电池[34,35]。目前，超等电容器功率密度可达78kW/kg，是功率型锂电池功率密度的15倍把握[34]，正在大功率脉冲电源、电磁弹射、大功率机器能接管等规模有空阔的行使前景。然而，比拟锂离子电池，超等电容的能量密度还是很低（<20Wh/kg），无法长韶华存储巨额电能。所以，采用超等电容器与锂离子电池夹杂储能时间，以增加各自机能短板，正在体系层面完成统筹高能量密度和高功率密度，是大功率车载储能时间繁荣的又一首要商酌倾向。

别的，关于夹杂储能体系，夹杂能量管束战术是晋升能量接管率，并支撑体系安闲运转的环节。夹杂能量管束战术的重要功用是正在超等电容器和锂离子电池之间完成功率最优分拨，以同时阐扬超等电容器高功率密度和锂离子电池高能量密度的便宜。中煤平朔集团、武汉微氢新能源有限公司基于大功率双向DC/DC串联拓扑布局，计划了一种新型的基于超等电容与蓄电池夹杂储能的制动能量接管体系，完成了电动轮矿车制动能量的高效接管，能量接管率达53.5%，如图10所示，大幅晋升了传动体系的燃油经济性，低落了碳排放。

总的来说，锂离子电池与超等电容夹杂储能时间或许统筹高能量密度和高功率密度，完成制动功率正在超等电容器和锂离子电池之间的最优分拨。该时间可大幅晋升制动电能的能量接管率，进而晋升电动轮矿车的燃油经济性，低落碳排放，已成为电动轮矿车制动能量接管与再生愚弄时间的首要繁荣倾向。

（1）化石能源燃烧发电症结，该症结将柴油的热能转化为发电机转子的旋进展械能，并通过电磁觉得道理将机器能转化为电能。

（2）电能—机器能转化症结，正在驱动形式下，通过驱动电机将电能转化为机器能；制动形式下，驱动电机职业正在发电形式，将机器能转化为电能。个中，化石能源的燃烧发电症结直接形成碳排放，是完成零排放的根底冲破口。所以，为完成电动轮矿车的完整零排放，正在化石能源需要端，鞭策以非化石能源为主的新型发电时间或储能时间是环节。

目前，零排放时间重要可分为四种格式，即储能、氢能、生物质燃料和碳搜捕。个中，生物质燃料和碳搜捕重要行使于工业规模的零排放；储能和氢能希望成为交通运输规模的主流零排放时间。正在电动轮矿车规模，可供遴选的百般能源的能量密度如表1所示。

可能看到，正在质料能量密度和体积能量密度方面，锂离子电池比拟柴油存正在数目级的广大差异，这意味着正在同样的空间和质料管束下，锂离子电池时间道途无法担保整车原有机能和运力。所以，纯洁凭借锂离子替换柴油发电机，正在续航里程、充电基本办法、经济性等方像貌前不具备可行性。

氢燃料电池可直接通过非燃烧的格式将化学能转化为电能，并天生干净的最终产品水，与“碳中和”理念高度契合。如表1所示，正在采用70MPa压缩储氢罐的情景下，氢能的质料能量密度是柴油的2.76倍。假使70MPa压缩氢气的体积能量密度仅为柴油的12.8%，然则因为电动轮矿车本身体积大、整车空间铺排管束较小，其较低的体积能量密度可通过增补储氢罐的铺排空间来降服。所以，上述便宜决意了氢能燃料电池正在电动轮矿车规模具有明显的时间上风。

正在氢能获取方面，重要有煤制氢、自然气制氢、可再生能源制氢等时间办法，分歧制氢时间的本钱如表2所示。因为我国富煤缺油少气的资源布局，煤制氢成为此刻的主流时间道途%以上，归纳制氢本钱约正在8~12元/kg；自然气制氢受制于能源需要形式，周围较小，本钱比拟煤制氢略高；可再生能源制氢是中永恒时间道途，占比极小，且本钱较高。正在氢能运输症结，目前以20MPa长管拖车运输为重要运输办法，1kg氢气100km运输本钱约为6~10元。所以，正在煤炭资源宽绰的矿区，采用煤制氢时间道途具有明显的本钱上风，不只可能节省巨额的氢能运输本钱，还可完成氢能的就近需要与消纳，酿成矿山能源高效愚弄内轮回。

综上所述，氢燃料电池时间道途可较好知足电动轮矿车对动力体系的能量密度、不间断运转韶华、燃料加注（充电）速率、本钱等方面的机能哀求。与此同时，正在中永恒行使前景方面，我国的露天煤矿重要分散于蒙东、新疆等区域，上述区域也是风、光等可再生能源足够的区域，通过可再生能源制氢可完成氢能制取症结的零排放，从而完成氢能制取、消纳全流程的零排放。所以，氢燃料电池行为一种完整零排放的发电装配，希望庖代此刻主流的“内燃机+发电机”动力体系布局，可行为电动轮矿车完成完整零碳排放的中永恒时间道途。

露天矿山是一个以采掘为中央，运输为纽带的大型坐褥体系，电动轮矿车是运输症结的重要坐褥用具。规范的电动轮矿车采用“柴油发电+电动轮驱动”的电力传动体系架构，柴油煽动机是车辆动力体系的独一原因，不断存正在燃油耗费广大、碳排放高的差错。正在“碳达峰”、“碳中和”宏观配景下，亟需针对电动轮矿车展开节能减排和零排放时间商酌。总的来说，电动轮矿车从节能至全完零排放的时间道途较为懂得，整体涉及双向功率流电力传动时间、制动能量接管与再生愚弄时间、氢燃料电池时间三个方面，如图11所示。上述三大时间行使于电动轮矿车的分歧方面，分辨对应分歧能量转换症结，即电能转化与高作用愚弄症结、机器能接管与再生愚弄症结、氢能替换柴油燃烧发电症结，三者互相独立、并行繁荣、互相支柱，整体如下。

（1）正在电能转化与高作用愚弄症结，连接庞杂露天矿山工况特征，展开电力传动体系能量优化管束和拓扑布局优化商酌，是电动轮矿车节能时间的首要商酌倾向。正在全部优化层面，采用智能网联时间，可完成电力传动体系正在动态工况下的高作用运转；正在个别优化层面，采用双向功率流拓扑，可完成煽动机功率与发电机功率的解耦把握和制动能量的直接愚弄，从而进步电力传动体系的电能愚弄作用，低落碳排放。

（2）正在机器能接管与再生愚弄症结，遵照电动轮矿车正在上下坡轮回工况中的势能、动能、储能体系电化学能、制动电阻栅热能的时空转换顺序，可完成对制动能量举行接管与再生愚弄。目前，功率型锂离子电池时间、锂离子电池与超等电容夹杂储能时间已日趋成熟，正在电动轮矿车制动能量接管规模显示出较好的行使前景，估计可完成10%把握的归纳节油率。

（3）正在氢能替换柴油燃烧发电症结，采用氢燃料电池时间直接将氢燃料的化学能转化为电能，可避免柴油燃烧反响形成的碳排放，具有完整零排放、质料能量密度高、发电作用高、产品干净、空间铺排机动的便宜。与此同时，露天矿山所正在区域煤炭资源及风、光可再生能源足够，可通过煤制氢、可再生能源制氢等格式就近获取氢能源，酿成矿山氢能源高效愚弄内轮回，是露天矿山运输症结完成零排放的理念办理计划和中永恒时间道途。