来源：建设机械技术与管理 文/张杰山 徐州徐工矿业机械有限公司
能源问题是关系到国家可持续发展和战略安全的重要问题，世界各国都在加紧对新能源的开发和利用，工业是能源消耗的重要领域，也是主要的污染源，因此对工业领域节能的研究具有重要意义。矿用自卸车载重高，需求的驱动功率大，采用柴油机额定功率普遍在350kW以上，甚至高达2700kW，因此在电动化过程中，需要的电池容量更大，同样对节能减排的贡献也更大。
电力驱动汽车以比内燃机汽车有更好的动力性能，电动机启动时的高扭矩和独立车轮控制的潜力为高性能汽车提供了优势，也为重型机械和采矿机械提供了经验。但也存在一定的问题，如电池的尺寸和重量、成本和储能能力等。环境压力迫使世界各国寻求化石燃料的替代品，本文总结现有技术，以及在考虑矿用自卸车电动化时需要评估的因素，为电动化矿用自卸车的可行性分析提出一定的建议。
1锂离子电池技术路线图
市场上有不同类型锂电池可供选择，例如锰酸锂电池（LMO）、镍钴铝酸锂电池（NCA）、磷酸铁锂电池（LFP）、镍钴锰锂电池（NCM）等。钴的含量一直是影响电池成本和性能的主导因素。
对锂电池主要从下面六个方面进行六性分析：
1）安全性：过度加热、过度充电或穿刺的反应。2）能量密度：电池能保持的电量。3）功率：电池释放储存能量的速率。4）寿命周期：充电周期数量，而不出现退化。5）快充能力：能够以比典型放电更高的速度充电。6）成本：追求更低的成本。
1.1锰酸锂电池（LMO）
锰酸锂电池（LMO）是最早用于汽车的锂离子电池，但目前被认为在汽车应用中是不可行的。该电池能量密度低、充电时间长，意味着电池组尺寸大、重量重、成本高，并且寿命周期短和难以维护。六性能如图1。
1.2镍钴铝酸锂电池（NCA）
镍钴铝酸锂电池被特斯拉用来证明电池电动车（BEV）在商业上是可行的。镍钴铝酸锂电池高能量密度使得家庭汽车的续航能力达到了大多数人的期望。但充电时间及安全问题要重点关注，许多早期汽车被烧毁就是由于过度充电或刺破电池引起。六性能如图2。
1.3磷酸铁锂电池（LFP）
磷酸铁锂电池优点是不含钴。钴是很昂贵和有毒的，被用来稳定典型锂电池中的镍，它增加了充电循环次数，并防止可能导致燃烧的阴极退化。因其能量密度很低，只用于能够容纳大型电池组的应用，如公共汽车。六性能如图3。
1.4镍钴锰锂电池（NCM）
镍钴锰锂电池（NCM）是近年来用于汽车的主要电池技术，已开发各种迭代产品，NCM后面的三位数字表明化学成分的相对比例，以名称为序。目前，大多数汽车使用镍钴锰锂电池523或镍钴锰锂电池622，有些则转向能量密度更高的镍钴锰锂电池712或镍钴锰锂电池822。但安全问题仍然令人担忧，被刺破或过度充电可能会燃烧。六性能如图4。
1.5锂电池选用
在电动矿用自卸车电池的选择中，从安全、经济性等方面出发，目前基本上选用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池中不含钴、镍等元素，可以降低成本以及更加安全环保，应用也比较广泛，在未来还可以进一步迭代改升级磷酸锰铁电池。
1.6电池-未来技术
在未来12-24个月内可获得的两个主要进展是基于NCMA（镍钴锰铝）和LFMP（磷酸锰铁）的电池。NCMA电池是NCM和NCA的组合，电池中钴含量的降低使成本降低，同时改善了车辆的续航能力和充电。LFMP电池是对LFP的改进，可保持低价格优势。改进后能量密度使其在大多数汽车应用中是可行的，且火灾风险低，安全性仍然很好。汽车发展战略可能提供两种选择：1）低成本的LFMP；2）NCMA用于需要增加范围的应用。
在电动自卸车的电动化应用中，如果客户能接受经常充电或要求低火灾风险，LFMP（磷酸锰铁）将是可行的。两种电池的六性能如图5。
1.7电池管理技术
高密度的能源要求使采矿业对电池驱动的机器具有挑战性。在能源回收机会极少的应用中的牵引机器，如高速平坦的牵引，将需要高容量的能源储存、频繁充电或更换电池组，由于高电压系统，客户不希望进行电池更换。因此在充电周期和休整期间对电池进行调节，最大限度地利用能量回收机会和最大限度地减少寄生需求将是至关重要的。例如卡特彼勒纯电动矿车车队，因为需要更频繁地充电，一般要配置更多的主机。
2未来电池供电的替代品
2.1架线系统
目前在许多矿区使用的是电力驱动的刚性卡车，架空电力线用于直接为电力驱动产品供电或充电，类似于火车或电车等公共交通系统使用架空线，如图6。这种架线系统可以为整个运输循环提供持续的动力，或为部分循环提供动力、同时为电池充电。
2.2氢燃料电池
氢燃料电池使用氢气来发电，氢气燃料电池的工作原理如图7。电池阳极端通入氢气，阴极通入氧气或其他氧化剂。氢气被释放到电解质中，催化剂使单个氢气分子分解成氢离子，并释放出一个自由电子。自由电子通过外部电路流向阴极，这些电子然后作为电流流经车辆动力系统。在此过程中产生的空气、水混合物被作为废气排放出去。
氢燃料电池动力汽车的布局与纯电池动力汽车相似，还包括一个大型电池组，以管理峰值需求并为能源回收提供存储。氢气储罐的设计是至关重要的，因为氢气分子能渗透到大多数材料中。氢气泄漏是非常危险的，它很难被发现，但高度易燃。收集氢气对于实现“净零排放”也是一个挑战，目前的方法生产氢气比使用柴油发动机产生更多的碳排放。可再生电力资源生产的“绿色”氢气需要从条件允许国家运输。例如，英国从澳大利亚运输“绿色”氢气。
2.3氢气内燃机（HCE）
氢气可直接在内燃机中燃烧，由于大气中的氮气，氢气内燃机会产生氮氧化物（NOx）。氢气可以用非常稀薄的混合燃料进行燃烧，从而降低产生的氮氧化物水平。此外众多的发动机部件也需要升级，此做法增加了发动机的成本，如更强的连杆，更高电压的点火线圈，更大的曲轴减震器和非铂金喷嘴的火花塞等。
氢气的收集、储存和供应链等基础设施方面存在着与之前提到的氢气燃料电池相同的问题。由于内燃机的能源效率，HCE需要更多的氢气。氢气发动机改进使得成本增加约50%，但与同样大小的柴油机相比，功率减少约50%。如果能够提高其效率，HCE可以直接取代柴油机。JCB正在大力投资这项技术，作为重型机械电动化的一个替代方案。
2.4新技术
在未来几年，可能发现一些“新”东西，使电池技术黯然失色。这种水平的技术发展目前最可能是在电池领域，而不是新的燃料发现。在产品被公开之前，即使电池和电力驱动已经过时，仍然会有一个时期需要它们来弥补化石燃料和新技术之间的差距。例如菲斯克在2017年提交固态电池设计专利后，于2018年10月宣布卡特彼勒通过其风险投资公司进行战略投资。然而在2021年初，菲斯克宣布与宁德时代达成协议，由宁德时代为其新型SUV提供电池。
3可行性分析
3.1电池可行性
由上文讨论关于锂离子电池的相关问题，目前市场上锂离子电池可以满足电动化矿用自卸车的改进需求。管理电池充电将是一个关键因素，需要对电池进行散热和充电管理，以最大限度地提高性能。电池管理技术可管理电池更好的充放电，增加电池的耐用度。在未来几年内，新电池的出现、新技术以及氢气内燃机的发展也会促进电动矿用自卸车发展。
3.2产品迭代可行性
对于“第一代”矿用自卸车，应着眼于从现有的电池技术中获得最佳的续航能力，专注于25～30吨级别的机器。对于第一代产品可在客户的工作现场使用，最大限度地提高曝光率和产品实用的潜力。相关经验表明，由于担心高电压，客户不希望拆除或更换电池组。目前大多数产品侧重于更频繁的快速充电和多车队，而不是更换电池。
对于后续的几代产品，应着眼于从现有的电池技术中获得最佳的续航能力；改进牵引力控制软件，以尽量减少车轮打滑和能量浪费。开发电池散热和充电管理软件，以便在所有环境条件和不同应用需求下最大限度地延长电池寿命。
3.3充电及安全性能可行性
在矿用自卸车应用中，工作现场到处都有电力供应是不可行的。通常只有在作业基地，通常是装料区才有电源。充电装置可固定在特定的充电地点，基于电池管理系统能够管理独立充电的电池组的电源，机器上可设置多个充电口以尽可能快的给多个电池组充电。
除电池、电池管理、电池续航等能力外，还需认真考虑矿用自卸车高压电气系统的设计。设计过程中的安全考虑对于电击和火灾风险都至关重要，需要确保机器运行期间的安全，也需要考虑服务、维修和紧急状况，如机器崩溃或火灾。
4结束语
（1）电动化矿用自卸车已经成为大的发展趋势，经过整体的可行性分析，在动力驱动方面，有单机驱动、多电机驱动的可行方案，而采用单机驱动可以利用现有的机械传动，改进更为简单、成本更低，动力驱动是确实可行的。
（2）作为纯电动的矿用自卸车，目前市场上锂离子电池是满足设计要求的，选用磷酸铁锂电池成本低、安全性能优越。LFMP电池是对LFP的改进，比LFP成本更低、能源利用率更高，在电动矿用自卸车产品迭代中可更换LFMP。电池管理技术为电池的充放电和电池的耐用性提供了技术支持。
（3）除目前市场上应用较多的锂离子电池，也可使用其他新能源代替纯电池来给电动矿用自卸车提供动力，比如氢气燃料电池、应用于火车等的推车系统、氢气内燃机等，利用氢气内燃机这些新技术替换纯电池，这是切实可行的一条新能源道路。
（4）电动矿用自卸车的动力源、动力驱动、未来技术升级都是切实可行的。并且随着新技术的出现而易于升级也是优势体现。电池及其相关新能源的快速发展，使客户对电池的选项占比越来越大，未来出现新技术能够使得产品更加简单升级重要优势。
平台声明：该文观点仅代表作者本人，氢能网系信息发布平台，我们仅提供信息存储空间服务。
发表评论 取消回复