基于實際行駛工況的電動礦卡能耗經濟性分析

王卓周, 姚錫斌, 付 澤, 彭 倩

(1.福建宏大時代新能源科技有限公司, 福建 廈門 361000; 2.廈門理工學院機械與汽車工程學院, 福建 廈門 361024)

1 前言

2018年,國家相關部委提出了礦山行業全面實施有序綠色開采和綠色運輸模式。以徐工重工、宇通重工、北奔重汽等為代表的企業已成功研制電動礦卡并得到了廣泛運營,礦卡電動化已成為重要發展趨勢[1]。礦山機械通常以封閉環境、短距離、大坡度行駛為主,電動礦卡在下坡過程中,車輛及載運質量的重力勢能轉化為動能,通過制動能量回收功能將能量儲存起來。再生制動也稱反饋制動,是一種使用在電動車輛上的制動技術。在制動時把車輛的動能轉化及儲存起來,而不是變成無用的熱。制動過程中,電機作為發電機產生制動扭矩以及電流,電流經逆變器、高壓配電單元等附件向動力電池充電,最終實現制動能量的回收,對行駛經濟性的提高具有重要意義。

針對電動礦卡在礦山上的應用,一些學者做了大量研究。董志龍[2]針對電動礦卡在露天煤礦的應用,分析了純電動礦用卡車試生產數據及其運行過程中存在問題,并與燃油卡車進行優劣比較,但未對礦卡行駛工況進行分析。Javier Valenzuela Cruzat針對一個完整的下坡-上坡卡車循環工況,開發了一個綜合電動機械模型,該模型能夠確定動力系統、牽引和緩沖系統的所有相關變量,但與真實循環工況相關信號存在誤差。楊超[3]基于TR50礦用卡車“油改電”技術研發,在銅曼露天采場上尋找純電動礦用卡車可控成本中相關變量的最優參數范圍,使電動礦卡更好的發揮性能優勢,但數據未涉及多種工況。Lindgren Lars以瑞典北部Aitik銅礦5個代表典型作業的驅動循環對仿真模型進行測試,研究表明,在合理的假設條件下,電池-電動操作比柴油-電動操作便宜得多,但是在一定假設條件下進行仿真,缺乏真實場景驗證。Yan Qing-dong提出的預測能量管理策略能夠對電力需求起到至關重要的預測作用,進一步降低了混合動力電動礦車的油耗,但未對純電動礦卡能耗進行分析。李鵬[4]通過夏日哈木鎳鈷礦山對新能源及純電動礦卡的應用,證明了高寒高海拔地區礦山生產是可行的,但未對能耗進行分析。Huawei Zhang通過與同類柴油發動機動力汽車進行對比,評價純電動礦用自卸車能耗減排潛力。研究表明,純電動礦用自卸車能有效降低能耗和排放,但未對電動礦卡制動能量回收進行分析[5]。

綜上所述,當前研究主要針對電動礦卡應用在礦場中的可行性進行了探討,所研究的行駛工況較單一,并沒有針對行駛工況聚類,也未探討不同路段的經濟性差異。電動礦卡實際行駛時工況變化頻繁,在不同工況下能耗差異較大,因此針對以上問題,對某重載純電動礦卡的行駛數據進行采集。對行駛工況進行聚類分析,通過數據挖掘的方法,將電動礦卡與燃油礦卡的燃料成本進行對比,評估礦卡電動化對降低運營成本的積極意義。

2 礦卡行駛工況采集

2.1 礦卡工況采集流程

本研究所處地點為某露天礦山,該礦山采用大型卡車進行運輸,采礦工藝主要包括開采、爆破、破碎和排渣,主要使用的設備包括大型卡車、挖掘機、裝載機、爆破車等。數據來源為該礦山已投放使用的重載礦卡在2021—2022年內的實際運行數據,采集的周期時長和頻率均按照GB/T 32960.3—2016文件中要求進行數據采集,其中包括采集頻次不能低于1次/秒。本研究實時數據采集頻率為1Hz,符合國家標準文件的采集要求,能夠為本研究提供高質量、詳實的數據。數據通過車載數據采集設備獲取,該設備由車載診斷系統(OBD)接口供電。當礦卡啟動后,OBD通過CAN總線獲取車輛行駛數據,同時通過全球定位系統(GPS)獲取位置數據,通過無線網絡傳輸到數據監控平臺。參照GB/T 32960—2016將得到的車輛相關數據進行數據處理,最終得到可利用的數據。電動礦卡具體數據采集流程如圖1所示。

電動汽車SOC是指電動汽車動力電池剩余容量與總容量之比,即電池剩余可用電量,公式為

(1)

式中,Qremain電池中剩余的電池電荷容量;Qdischarge為最近一次充滿電后電池中已經放掉的電荷量。

2.2 采集車輛

車輛具體參數見表1,本次研究采用同一企業生產、額定載重量同為6 000 kg的兩款礦卡,其中一款為電動礦卡,一款為燃油礦卡。

表1 測試車輛主要參數

2.3 電動礦卡經濟數學模型

為準確分析電動礦卡經濟特性,需要了解影響電動礦卡能耗的相關因素,因此對電動礦卡的能耗構成進行分析。

電動礦卡行駛模型如圖2所示。礦卡從A到B的過程中,通過電驅動系統輸出動力,用于克服車輛的行駛阻力做功及附件能耗。在整個電傳動系統動力輸出的過程中,存在以下的能耗:電池充放電損耗、電機充放電能耗、傳動機構損耗。電池所消耗的能量E總可以分解為牽引力做功E牽引和附件能耗E附件,而牽引力做功耗能可分為汽車行駛過程中動能變化ΔE動能、重力勢能變化ΔE重力勢能、克服道路滾動阻力耗能E滾阻、克服坡度阻力耗能E坡阻、克服行駛過程中風阻耗能E風阻和傳動系統能量損耗E傳動損耗。

圖2 電動礦卡行駛模型

E總=E牽引+E附件

(2)

E牽引=ΔE動能+ΔE重力勢能+E滾阻+E坡阻+E風阻+E傳動損耗

(3)

1) 行駛阻力

Fr=Ff+Fw+Fi+Fj

(4)

式中:Fr——行駛阻力;

Ff——行駛時的滾動阻力;

Fw——行駛時的空氣阻力;

Fi——行駛時的坡道阻力;

Fj——行駛時的加速阻力

Ff=Gμcosθ

(5)

(6)

Fi=Gsinθ

(7)

(8)

以上G為作用于礦卡上的重力,G=mg,m為車輛質量,g為重力加速度,μ為滾動摩擦系數,θ為坡度角,CD為空氣阻力系數,A為迎風面積,Va為行駛速度。通過計算,知滾動阻力與坡道阻力為阻力的最主要組成,滾阻占比份額很高,平路狀態下,空載滾阻能耗占比97%以上;滿載滾阻能耗占比99%以上。由此可以看出礦卡車輛的行駛阻力主要取決于車輛質量,滾阻摩擦系數以及坡度。

2) 單位里程能耗e與單位質量比能耗e0

e=E/S=FS/S=F=P/v

(9)

e0=e/m=F/m=F/(m1+m2)=F/m1/(1+m2/m1)

(10)

其中E為總能耗,S為行駛距離,F為阻力;m為總質量,m1是車輛自重,m2為載運質量。車輛自重m1約為34 t,m2額定質量為60 t。根據監測,m2的變化范圍主要在55～75 t,平均約65 t。根據以上數學模型來看,單位質量比能耗e0主要取決于阻力大小、整車質量、載質比。

3)經濟性評價指標

往返凈能耗表示礦卡完成一次運輸任務所消耗的能量,用往返結束時SOC與開始時SOC的差值表示。

E往返凈能耗=E上坡+E下坡=E往返總-E往返回收

(11)

往返制動能量回收率[12]用來評價礦卡制動回收能力,其定義為

(12)

3 礦卡運載特征聚類分析

根據GPS信息中的海拔高度和車輛SOC變化幅度、載重量,獲得車輛行駛工況。通過觀測得到車輛呈現往返運輸特征,主要往返于采掘工作面和破碎口、鏟裝工作面和排土場之間,其中破碎口和排土場位于較高海拔地段,采掘工作面和鏟裝工作面位于較低海拔地段。礦卡運行工況可分為四類,分別是:重載上-重載下、重載上-空載下、空載上-重載下、小坡段來回。其中,前三類為連續長坡行駛,海拔高度差通常在200 m以上,第四類小坡段來回為短距離作業,海拔高度差通常在50 m以內。

圖3所示為電動礦卡的典型行駛工況組合示意圖,圖中A為典型空載上坡-重載下坡行駛工況,B處為典型重載上坡-重載下坡行駛工況,C處為重載上坡-空載下坡行駛工況,D處為小坡段行駛工況。相對來說,長坡段下坡過程中,由于海拔高度差形成的勢能通過車輛制動回收可獲得較可觀的能量;坡道較短時,可回收程度較低。本研究以長坡段作為主要研究對象。

圖3 礦卡典型工況組合

圖4為長坡度重載上-重載下、重載上-空載下、空載上-重載下等工況在各地區的占比情況。本研究過程共采集了3 850個完整的片段,根據以上4種常見工況進行統計,其中空載上-重載下約占64%,重載上-重載下約占25%;以上兩種工況占比89%,即大多數情況下,礦卡在下坡過程中可回收比較可觀的能量。

圖4 各行駛工況占比

3.1 不同工況的能耗分析

1)空載上-重載下

空載上-重載下為占比最高的行駛工況,也是能量回收率最高的工況。根據周期統計,該工況主要往返于350～572 m,350～584 m,350～620 m路段,海拔高度差通常為222～270 m。空載上坡時,SOC降低范圍為14.4%～18.6%,平均消耗能量為15.5%;滿載下坡時,SOC上升范圍為6%～12.4%,平均回收能量約為9.5%;往返凈能耗約為6%。以上工況下,制動能量回收量與外部充電量的比例約為1∶0.631,即往返制動能量回收率平均為61.3%。

圖5所示為空載上-重載下的典型案例,其中圖5(a)為能量回收率較高的案例,此時該路段為350～584 m,海拔高度差為234 m,上坡消耗能量約13.2%～14.8%,下坡回收能量約10.8%～11.2%,往返凈能耗約為2.4%～3.6%,往返制動能量回收率約為75.7%～81.8%。

圖5 空載上-重載下工況

圖5(b)為能量回收率較低的案例,該路段為350～584 m,海拔高度差約為234 m,上坡消耗能量約15%～17.6%,下坡回收能量約6.4%～7.6%;往返凈能耗約8.6%～10%。往返制動能量回收率約為42.7%～43.2%。

2) 重載上-重載下

重載上-重載下為占比排名第二的行駛工況。根據周期統計,該工況通常往返于350～572 m,350～584 m,350～620 m路段,海拔高度差通常為222～270 m之間。根據統計,重載上坡時,SOC降低范圍為29%～38%,平均消耗能量為31.2%;重載下坡時,SOC上升范圍為6%～11.4%,平均回收能量為8.6%。往返凈能耗約為22.6%。以上工況下,制動能量回收量與外部充電量的比例為1∶2.628,即往返制動能量回收率平均為27.6%。

圖6所示為典型的重載上-重載下工況案例,此時該路段為350～584 m及350～620 m,海拔高度差為234～270 m。重載上坡時,消耗能量為27.4%～33%;重載下坡時,回收能量為6.4%～8.6%。往返凈能耗約為21%～24.4%,往返制動能量回收率約為23.4～26.1%。

圖6 重載上-重載下工況案例

3)重載上-空載下

重載上-空載下占比相對較少,相對來說經濟性最差。根據周期統計,重載上坡平均消耗能量為30.6%,空載下坡平均回收能量約為2.6%,往返凈能耗約為28%。以上工況下,制動能量回收與外部充電的比例為1∶10.769,即平均往返制動能量回收率平均為8.5%。

圖7所示為典型的重載上-重載下工況案例,此時該路段為350～584 m,海拔高度差為234 m。重載上坡時,消耗能量為30.8%;重載下坡時,回收能量為2%。往返凈能耗約為28.8%。此工況下,制動能量回收量與外部充電量的比例為1∶14.4,即往返制動能量回收率為6.5%。

圖7 重載上-重載下工況案例

4)小坡段工況

圖8所示為典型的小坡段工況。根據周期統計,小坡段上坡平均消耗能量為4.4%,空載下坡平均回收能量約為0.8%,往返凈能耗約為3.6%。以上工況下,制動能量回收量與外部充電量的比例為1∶4.5,即往返制動能量回收率平均為18.2%。各工況回收占比見表2。

表2 各工況下制動能量回收占比

圖8 小坡段工況案例

如表2所示,在礦山的幾類工況中,空載上-重載下經濟性最好,制動能量回收程度很高;而重載上-空載下,小坡段工況經濟性較差,制動能量回收占比很低,主要依靠外部充電。

3.2 電動礦卡與燃油礦卡周期經濟性對比

以電動礦卡與燃油礦卡在相同工況下進行經濟性對比。其中,對空載上-重載下,重載上-重載下,重載上-空載下的經濟性數據進行統計。以上3種工況,電動礦卡單回合耗電平均為19 kW·h、71 kW·h、88.2 kW·h;平均外部能耗2.9 kW·h/km、11 kW·h/km、13.7 kW·h/km。燃油礦卡單回合油耗平均為10.6 L、16.85 L、12.5 L,平均公里油耗為3.08 L/km、6.45 L/km、4.62 L/km。

電動礦卡、燃油礦卡經濟性如圖9、圖10所示。

圖9 電動礦卡往返經濟性

圖10 燃油礦卡往返經濟性

綜上來看,空載上-重載下均為能耗最低的工況。重載上-重載下工況中,對于電動礦卡,重載下可回收較高的能量;然而對于燃油礦卡,不僅無法回收能量,還存在較大的能量損耗。

圖11所示為電動礦卡與燃油礦卡在不同工況行駛時的花費情況,電價與油價按近期平均價格進行計算。

圖11 油電經濟性對比

(1)空載上坡-重載下坡時:電動礦卡往返耗電約為19 kW·h,每公里約為2.9 kW·h,電價0.86元/kW·h,折算每公里花費約為2.494元。燃油礦卡往返耗油約為10.6 L,每公里約為3.08 L,油價7.5元/L,折算每公里花費約為23.1元。綜合節省能耗成本約為89%。

(2)重載上坡-重載下坡時:電動礦卡往返耗電約為71 kW·h,每公里約為11 kW·h,電價0.86元/kW·h,折算每公里花費約為9.46元。燃油礦卡往返耗油約為16.85 L,每公里約為6.45 L,油價7.5元/L,折算每公里花費約為48.375元。綜合節省能耗成本約為80%。

(3)重載上坡-空載下坡時:電動礦卡往返耗電約為88.2 kW·h,每公里耗電13.7,電價0.86元/kW·h,折算每公里花費約為11.782元。燃油礦卡往返耗油約為12.5 L,每公里約為4.62 L,油價7.5元/L,折算每公里花費約為34.65元。綜合節省能耗成本約為66%。

(4)在整個周期內,電動礦卡平均每公里5.56 kW·h,電價0.86元/kW·h,折算每公里花費約為4.781 6元。燃油礦卡每公里約為3.82 L,油價7.5元/L,折算每公里花費約為28.65元。綜合節省能耗成本約為83%。

4 結論

通過礦卡在不同行駛工況的行駛工況采集以及經濟性分析,可形成以下結論:

(1)礦卡行駛工況呈現顯著的來回往返特性,通過聚類分析,礦卡的回合工況可分為:空載上-重載下、重載上-重載下、重載上-空載下、小坡段四種行駛工況。

(2)在長坡行駛工況中,空載上-重載下約占64%,重載上-重載下約占25%,以上兩種工況占比89%,即大多數工況下,電動礦卡可實現較理想的制動能量回收。

(3)空載上-重載下、重載上-重載下、重載上-空載下、小坡段四種工況制動能量回收平均占比可達61.3%、27.6%、8.5%、18.2%。

(4)相比燃油礦卡,電動礦卡在整個周期內能有效降低燃料成本約83%。