淺析由動力蓄電池組替代礦用自卸卡車大功率柴油機的可行性

摘 要：在現代“單斗-卡車”露天開采工藝中，運輸設備普遍使用220T級以上的礦用卡車，其動力源均為大功率進口高速柴油機。柴油機的能耗高，排放量大，零部件價格非常昂貴，每年的大修理和維護費用占卡車維護總成本的30%以上，目前亟待研發新型低耗的卡車動力源來替代柴油機，實現節能降排的目的。由動力蓄電池組構成的電能存儲單元具備低耗能、低投入的特點，因此，電能存儲單元的可行性研發非常必要。

關鍵詞：礦用卡車；柴油機；動力蓄電池；可行性

1 引言

神華準能集團（以下簡稱準能公司）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，年生產量均達到3000萬噸。目前，兩個露天煤礦所有的礦用卡車所使用的動力源均為進口柴油發動機，其零部件價格非常昂貴，每年這些柴油機的日常維護、保養及大修理費用占卡車維修總成本的30%以上；另外上述卡車運行過程中所產生的排放也相當巨大，給節能環保方面造成了較大的壓力。本文通過對QSK60型柴油機以及由蓄電池組構成的電能存儲單元進行成本、能力分析，研究了純電動礦用自卸卡車柴油機的使用、維護現狀，動力蓄電池的特點和發展現狀，以及由動力蓄電池組替代柴油機的可行性。為研發220T級以上卡車的純電動提供理論和技術依據。

2 礦用卡車發動機的使用和維護概況

礦用220T級卡車采用柴油發動機作為動力源，其驅動原理簡單概括為：由發動機帶動主發電機發電，發電機發出的交流電經變頻控制后，傳動卡車后輪的2臺交流電動機，經輪邊減速機傳動卡車輪胎，最終實現卡車驅動。卡車發動機功率為2700-2900馬力，電動輪最大轉矩為20000-26000牛米。

準能集團兩個露天煤礦共有220噸-326噸級的礦用自卸卡車134臺，分為5種車型，包括SF33900卡車25臺、830E卡車10臺、930E卡車44臺、MT4400卡車18臺、MT5500卡車37臺。這些卡車裝配的柴油機均為進口康明斯（Cummins） QSK60型大功率高速機。截至目前，上述卡車發動機運行時間均已接近40000小時，按照每20000小時進行發動機大修理的規程，上述設備的發動機已經陸續開始第二輪大修理。

上述非公路用柴油發動機屬于高耗能機型，單臺發動機年消耗柴油597.71噸，2016年全年上述設備共計消耗柴油67167.023噸。

發動機平時的維護包括定期保養和零故維修兩大類，其中日常保養內容包括：更換發動機潤滑油，更換機油濾清器，空氣濾清器及燃油濾清器，單次保養費用約1.3萬元，單臺卡車每年的保養次數約為20次，即：單臺卡車每年保養所發生的費用為26萬元，全年上述卡車保養得總費用為3484萬元；另外，上述卡車發動機零故發生的費用每年約為1000萬元。

發動機大修理基礎更換件約30余項，大修理消耗零部件價格昂貴，每年這些柴油機的大修理費用高達1.3億元，給正常生產帶來了很大的成本壓力。

3 國產大功率高速柴油機發展現狀

我國在大功率高速（≥2000馬力，額定轉速1900rpm）柴油機領域起步晚，研發能力和技術水平與國外公司相比還有差距。國內機型與國外同類機型相比，雖然活塞排量相關無幾，但是其輸出功率低、經濟性、可靠性較差，排放指標差。目前，國外公司除了以提高產品價格來削弱國內制造業的市場競爭力，同時還以限制提供產品的方式來限制國內自主品牌大功率高速柴油機的研發和推廣，此種狀況提高了國內企業的成本，嚴重制約了國內相關企業的良性發展。削弱國內制造業的市場競爭力，同時還以限制提供產品的方式來限制國內自主品牌大功率高速柴油機的研發和推廣。

4 開發純電動礦用自卸卡車的必要性說明

（1）由動力蓄電池組構成的電能存儲動力單元的運行維護成本低，在

運行成本上較內燃機具有巨大優勢，可以節約相當大地成本。

隨著卡車運行時間的延長，發動機的維修量增大，大修理周期逐漸縮短，維護成本逐年不斷增加。如K50發動機在使用多年后，大修理周期已由最初的20000小時降低至目前的10000小時左右。電能存儲動力單元研發成功并投入使用后，發動機、發電機和電阻柵將被由蓄電池和超級電容所組成的電能存儲動力單元替代，而電能存儲動力單元維護成本相對發動機非常低，卡車的整體維護費用也會相應下降。

（2）進口發動機配件采購周期長，而國內高速非公路柴油機的發展尚處在初步階段，還不能替代進口柴油機，且隨著卡車運行時間的延長，發動機的修理越來越頻繁，對發動機的配件采購周期要求短，進口配件的采購周期不能滿足發動機頻繁修理的要求。

（3）與傳統礦車相比，純電動礦車具有更高的能源利用效率，同時也具有二氧化碳減排的潛力。機動車污染排放是城市空氣污染的主要來源之一，近年來全國出現多次大面積霧霾天氣，機動車尾氣是主要原因之一。大力推廣純電動汽車是交通領域實現低碳的最佳方案，純電動汽車行駛過程中不產生二氧化碳，即使考慮到中國目前電力生產過程中的二氧化碳排放，純電動汽車仍然具有13%-68%的減排能力。

5 開發純電動礦用自卸卡車的可行性分析

5.1 電能存儲動力單元

電能存儲動力單元就是由電能存儲單元所構成的動力源，在電動汽車的應用上主要是由動力蓄電池構成。目前，蓄電池在國內外的開發和應用上已取得了相當地發展，在大型電動車輛（如公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車）上的應用已經相當成熟。

5.2 動力蓄電池及其國內發展概況

目前，在電動汽車上應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。在電動汽車上應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力方面的應用，則在名稱中加入“動力”兩字，即磷酸鐵鋰動力電池。endprint

5.2.1 磷酸鐵鋰動力電池的優點

（1）安全性能好。磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好。電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸。

（2）使用壽命長。長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。

（3）高溫性能好。磷酸鐵鋰電熱峰值可達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）無記憶效應。可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。

（6）重量輕。同等規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）環保。該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲RoHS規定，為絕對的綠色環保電池證。

5.2.2 我國動力蓄電池發展現狀

從2008年以來，我國動力電池的發展取得了很大的突破，功率密度達到了3千瓦時/升，耐久性達到了一萬小時。我國基本掌握了車用動力電池的關鍵技術，我們國家動力電池的開發，和整車開發基本同步。

從技術上來講，我國的鋰離子燃料電池關鍵技術指標已經達到了國外同類產品的一個先進水平，目前我們鋰電池可以做到系統的比能量800-1000瓦時/千克，比功率可以做到500-100瓦/千克，循環壽命也能做到突破一千次，使用壽命大概是可以達到五年，成本大概是說可以低于每瓦時三塊錢。

從產品層面來看，磷酸鐵鋰電池已經趨于成熟了，過往來看，我們國家供應電池支撐了產業的發展，目前在大規模示范這一塊用的電池基本上都是國產。

5.3 經濟可行性分析

按照上述我國動力蓄電池組發展現狀來看，動力蓄電池組的運行及維護成本要元低于柴油發動機。

以220噸級自卸卡車重載單程運距為例（約3.5公里），按照上述3元/千瓦時的成本估算，純電動自卸車的單程成本約為92元；而根據QSK60柴油發動機的平均油耗估算出的用油成本約550元。就單程運距來說，柴油機在運行成本上要遠高于動力蓄電池組，幾乎是后者的6倍。

另外，由動力蓄電池組構成的“電能存儲動力單元”基本不需要日常維護費，而發動機大修理費和日常維護、保養費用每年約為140.00萬元。這樣初步估算，采用純電動卡車較內燃式卡車運行、維護費用每年每臺節約近758.00萬元（內燃式單程燃油費550元*50次/天*270天+140萬元維護費/臺-單程電費92元*50次/天*270天）。

可見，動力蓄電池組在運行、維護成本上較柴油發動機是具有很大優勢的，因此替代柴油機在經濟上是可行的。

5.4 技術可行性分析

目前，我國家已經建立了比較完善的動力蓄電池產業體系，截至2015年總產量已超過100億瓦時，關鍵材料、單體電池、電池系統和電池裝備、檢測儀器等都有了相當地的生產能力，目前在全球范圍內已處于領先水平。因此，在技術上實現替代大功率柴油機也是可行的。

5.5 在礦用卡車實現蓄電池組替代發動機的可行性分析

理論上講，由動力蓄電池組替代大型柴油發動機在經濟性和技術層面上是可以實現的。但要在220T級以上卡車上實現上述替代，就不得不考慮卡車的結構、空間、運行特性、以及與原車控制系統的匹配性等方面的因素。

首先，結合卡車動力性要求、運行特性，在卡車結構和空間方面做一分析。220T級卡車的發動機額定功率為2015千瓦，按照目前的剝離生產工藝來講，要求卡車每班運行8小時，按此運行特性計算所得卡車運行所需能量為16120千瓦*時，按照上述的動力蓄電池能量密度3千瓦*時/L估算，要達到上述動力性要求，蓄電池組的體積約為5373L（即5.37立方米），原車發動機-主發電機的安裝空間約為9m？，理想狀態下來看是可行的。但是，蓄電池的充放電是不可能達到100%的，尤其是在放電做功的時候，常溫下一般來說放電只能放電到總容量的10%-30%，如果在零下25度的時候，充滿后放電大概能放到總容量的40%左右。實際情況下，上述計算所得的5.37立方米是不夠的，考慮嚴寒天氣情況，蓄電池組的總體積至少應為8.95立方米，由此看來在安裝空間上實現的可行性甚微。

其次，是與原車控制系統的匹配性問題，包括驅動系統、勵磁調節系統、制動系統等多方面的匹配問題。關于這些的匹配問題，在技術層面上應該是可以實現的，目前看來只是存在兩個方面的問題。其一是經濟性問題，由于原車控制系統都是按照與卡車發動機相匹配所設計的，若由動力蓄電池組來實現驅動，則需要更換部分控制系統元件和電路板，相應地會有成本投入發生，由于電路板件的價格較為昂貴，因此此部分投入亦相當可觀；其二，目前卡車的電氣系統屬于通用（GE）電氣公司專利，屬于其技術保密范疇，由于GE和康明斯的戰略合作關系，在更新電氣控制系統時能否突破此壁壘尤未可知。

綜合上述分析，目前要想完全實現由動力蓄電池組替代柴油發動機仍是存在較大困難的，即在目前的220T級以上礦用自卸卡車上實現還是不可行的。

結束語

220T級以上礦用自卸卡車是大型露天煤礦剝離工藝的主力設備，提高設備的運行效率，降低設備運行、維護成本是各大露天煤礦所亙久不變的目標，而卡車柴油機的運行維護成本一直是設備維修成本中占比較大的一塊，因此目前迫切的需要開發一種既經濟又實用的動力源來替代柴油機，但就目前國內動力蓄電池的發展狀況來講，動力蓄電池組來實現礦用卡車的驅動仍是不太可能的。但目前我國正在加緊推進新一代動力蓄電池的研發，相信在2020-2030年間，能夠研發處比能量更大的新一代動力電池，從而能夠實現替代大功率柴油機的目標，達到降本增效的目的。

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作者簡介：陳虎東（1982，8-），男，2004年7月畢業于內蒙古工業大學并獲得工學學士學位、現在神華準能設備維修中心生產技術部從事主管工程師職務，工程師職稱。endprint