浅析由动力蓄电池组替代矿用自卸卡车大功率柴油机的可行性

摘 要：在现代“单斗-卡车”露天开采工艺中，运输设备普遍使用220T级以上的矿用卡车，其动力源均为大功率进口高速柴油机。柴油机的能耗高，排放量大，零部件价格非常昂贵，每年的大修理和维护费用占卡车维护总成本的30%以上，目前亟待研发新型低耗的卡车动力源来替代柴油机，实现节能降排的目的。由动力蓄电池组构成的电能存储单元具备低耗能、低投入的特点，因此，电能存储单元的可行性研发非常必要。

关键词：矿用卡车；柴油机；动力蓄电池；可行性

1 引言

神华准能集团（以下简称准能公司）下属的黑岱沟和哈尔乌素露天煤矿都是大型露天煤矿，开采工艺均采用单斗-卡车间断工艺，年生产量均达到3000万吨。目前，两个露天煤矿所有的矿用卡车所使用的动力源均为进口柴油发动机，其零部件价格非常昂贵，每年这些柴油机的日常维护、保养及大修理费用占卡车维修总成本的30%以上；另外上述卡车运行过程中所产生的排放也相当巨大，给节能环保方面造成了较大的压力。本文通过对QSK60型柴油机以及由蓄电池组构成的电能存储单元进行成本、能力分析，研究了纯电动矿用自卸卡车柴油机的使用、维护现状，动力蓄电池的特点和发展现状，以及由动力蓄电池组替代柴油机的可行性。为研发220T级以上卡车的纯电动提供理论和技术依据。

2 矿用卡车发动机的使用和维护概况

矿用220T级卡车采用柴油发动机作为动力源，其驱动原理简单概括为：由发动机带动主发电机发电，发电机发出的交流电经变频控制后，传动卡车后轮的2台交流电动机，经轮边减速机传动卡车轮胎，最终实现卡车驱动。卡车发动机功率为2700-2900马力，电动轮最大转矩为20000-26000牛米。

准能集团两个露天煤矿共有220吨-326吨级的矿用自卸卡车134台，分为5种车型，包括SF33900卡车25台、830E卡车10台、930E卡车44台、MT4400卡车18台、MT5500卡车37台。这些卡车装配的柴油机均为进口康明斯（Cummins） QSK60型大功率高速机。截至目前，上述卡车发动机运行时间均已接近40000小时，按照每20000小时进行发动机大修理的规程，上述设备的发动机已经陆续开始第二轮大修理。

上述非公路用柴油发动机属于高耗能机型，单台发动机年消耗柴油597.71吨，2016年全年上述设备共计消耗柴油67167.023吨。

发动机平时的维护包括定期保养和零故维修两大类，其中日常保养内容包括：更换发动机润滑油，更换机油滤清器，空气滤清器及燃油滤清器，单次保养费用约1.3万元，单台卡车每年的保养次数约为20次，即：单台卡车每年保养所发生的费用为26万元，全年上述卡车保养得总费用为3484万元；另外，上述卡车发动机零故发生的费用每年约为1000万元。

发动机大修理基础更换件约30余项，大修理消耗零部件价格昂贵，每年这些柴油机的大修理费用高达1.3亿元，给正常生产带来了很大的成本压力。

3 国产大功率高速柴油机发展现状

我国在大功率高速（≥2000马力，额定转速1900rpm）柴油机领域起步晚，研发能力和技术水平与国外公司相比还有差距。国内机型与国外同类机型相比，虽然活塞排量相关无几，但是其输出功率低、经济性、可靠性较差，排放指标差。目前，国外公司除了以提高产品价格来削弱国内制造业的市场竞争力，同时还以限制提供产品的方式来限制国内自主品牌大功率高速柴油机的研发和推广，此种状况提高了国内企业的成本，严重制约了国内相关企业的良性發展。削弱国内制造业的市场竞争力，同时还以限制提供产品的方式来限制国内自主品牌大功率高速柴油机的研发和推广。

4 开发纯电动矿用自卸卡车的必要性说明

（1）由动力蓄电池组构成的电能存储动力单元的运行维护成本低，在

运行成本上较内燃机具有巨大优势，可以节约相当大地成本。

随着卡车运行时间的延长，发动机的维修量增大，大修理周期逐渐缩短，维护成本逐年不断增加。如K50发动机在使用多年后，大修理周期已由最初的20000小时降低至目前的10000小时左右。电能存储动力单元研发成功并投入使用后，发动机、发电机和电阻栅将被由蓄电池和超级电容所组成的电能存储动力单元替代，而电能存储动力单元维护成本相对发动机非常低，卡车的整体维护费用也会相应下降。

（2）进口发动机配件采购周期长，而国内高速非公路柴油机的发展尚处在初步阶段，还不能替代进口柴油机，且随着卡车运行时间的延长，发动机的修理越来越频繁，对发动机的配件采购周期要求短，进口配件的采购周期不能满足发动机频繁修理的要求。

（3）与传统矿车相比，纯电动矿车具有更高的能源利用效率，同时也具有二氧化碳减排的潜力。机动车污染排放是城市空气污染的主要来源之一，近年来全国出现多次大面积雾霾天气，机动车尾气是主要原因之一。大力推广纯电动汽车是交通领域实现低碳的最佳方案，纯电动汽车行驶过程中不产生二氧化碳，即使考虑到中国目前电力生产过程中的二氧化碳排放，纯电动汽车仍然具有13%-68%的减排能力。

5 开发纯电动矿用自卸卡车的可行性分析

5.1 电能存储动力单元

电能存储动力单元就是由电能存储单元所构成的动力源，在电动汽车的应用上主要是由动力蓄电池构成。目前，蓄电池在国内外的开发和应用上已取得了相当地发展，在大型电动车辆（如公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车）上的应用已经相当成熟。

5.2 动力蓄电池及其国内发展概况

目前，在电动汽车上应用最为广泛的蓄电池主要为锂离子电池，其正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。在电动汽车上应用最广泛的蓄电池为磷酸铁锂电池。是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，全名磷酸铁锂锂离子电池。由于它的性能特别适于作动力方面的应用，则在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池。endprint

5.2.1 磷酸铁锂动力电池的优点

（1）安全性能好。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好。电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸。

（2）使用寿命长。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。

（3）高温性能好。磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20C-+75C），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

（4）容量大。具有比普通电池（铅酸等）更大的容量。5AH-1000AH（单体）。

（5）无记忆效应。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

（6）重量轻。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

（7）环保。该电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。

5.2.2 我国动力蓄电池发展现状

从2008年以来，我国动力电池的发展取得了很大的突破，功率密度达到了3千瓦时/升，耐久性达到了一万小时。我国基本掌握了车用动力电池的关键技术，我们国家动力电池的开发，和整车开发基本同步。

从技术上来讲，我国的锂离子燃料电池关键技术指标已经达到了国外同类产品的一个先进水平，目前我们锂电池可以做到系统的比能量800-1000瓦时/千克，比功率可以做到500-100瓦/千克，循环寿命也能做到突破一千次，使用寿命大概是可以达到五年，成本大概是说可以低于每瓦时三块钱。

从产品层面来看，磷酸铁锂电池已经趋于成熟了，过往来看，我们国家供应电池支撑了产业的发展，目前在大规模示范这一块用的电池基本上都是国产。

5.3 经济可行性分析

按照上述我国动力蓄电池组发展现状来看，动力蓄电池组的运行及维护成本要元低于柴油发动机。

以220吨级自卸卡车重载单程运距为例（约3.5公里），按照上述3元/千瓦时的成本估算，纯电动自卸车的单程成本约为92元；而根据QSK60柴油发动机的平均油耗估算出的用油成本约550元。就单程运距来说，柴油机在运行成本上要远高于动力蓄电池组，几乎是后者的6倍。

另外，由动力蓄电池组构成的“电能存储动力单元”基本不需要日常维护费，而发动机大修理费和日常维护、保养费用每年约为140.00万元。这样初步估算，采用纯电动卡车较内燃式卡车运行、维护费用每年每台节约近758.00万元（内燃式单程燃油费550元*50次/天*270天+140万元维护费/台-单程电费92元*50次/天*270天）。

可见，动力蓄电池组在运行、维护成本上较柴油发动机是具有很大优势的，因此替代柴油机在经济上是可行的。

5.4 技术可行性分析

目前，我国家已经建立了比较完善的动力蓄电池产业体系，截至2015年总产量已超过100亿瓦时，关键材料、单体电池、电池系统和电池装备、检测仪器等都有了相当地的生产能力，目前在全球范围内已处于领先水平。因此，在技术上实现替代大功率柴油机也是可行的。

5.5 在矿用卡车实现蓄电池组替代发动机的可行性分析

理论上讲，由动力蓄电池组替代大型柴油发动机在经济性和技术层面上是可以实现的。但要在220T级以上卡车上实现上述替代，就不得不考虑卡车的结构、空间、运行特性、以及与原车控制系统的匹配性等方面的因素。

首先，结合卡车动力性要求、运行特性，在卡车结构和空间方面做一分析。220T级卡车的发动机额定功率为2015千瓦，按照目前的剥离生产工艺来讲，要求卡车每班运行8小时，按此运行特性计算所得卡车运行所需能量为16120千瓦*时，按照上述的動力蓄电池能量密度3千瓦*时/L估算，要达到上述动力性要求，蓄电池组的体积约为5373L（即5.37立方米），原车发动机-主发电机的安装空间约为9m？，理想状态下来看是可行的。但是，蓄电池的充放电是不可能达到100%的，尤其是在放电做功的时候，常温下一般来说放电只能放电到总容量的10%-30%，如果在零下25度的时候，充满后放电大概能放到总容量的40%左右。实际情况下，上述计算所得的5.37立方米是不够的，考虑严寒天气情况，蓄电池组的总体积至少应为8.95立方米，由此看来在安装空间上实现的可行性甚微。

其次，是与原车控制系统的匹配性问题，包括驱动系统、励磁调节系统、制动系统等多方面的匹配问题。关于这些的匹配问题，在技术层面上应该是可以实现的，目前看来只是存在两个方面的问题。其一是经济性问题，由于原车控制系统都是按照与卡车发动机相匹配所设计的，若由动力蓄电池组来实现驱动，则需要更换部分控制系统元件和电路板，相应地会有成本投入发生，由于电路板件的价格较为昂贵，因此此部分投入亦相当可观；其二，目前卡车的电气系统属于通用（GE）电气公司专利，属于其技术保密范畴，由于GE和康明斯的战略合作关系，在更新电气控制系统时能否突破此壁垒尤未可知。

综合上述分析，目前要想完全实现由动力蓄电池组替代柴油发动机仍是存在较大困难的，即在目前的220T级以上矿用自卸卡车上实现还是不可行的。

结束语

220T级以上矿用自卸卡车是大型露天煤矿剥离工艺的主力设备，提高设备的运行效率，降低设备运行、维护成本是各大露天煤矿所亘久不变的目标，而卡车柴油机的运行维护成本一直是设备维修成本中占比较大的一块，因此目前迫切的需要开发一种既经济又实用的动力源来替代柴油机，但就目前国内动力蓄电池的发展状况来讲，动力蓄电池组来实现矿用卡车的驱动仍是不太可能的。但目前我国正在加紧推进新一代动力蓄电池的研发，相信在2020-2030年间，能够研发处比能量更大的新一代动力电池，从而能够实现替代大功率柴油机的目标，达到降本增效的目的。

参考文献

[1]钱良国，郝永超，肖亚玲.锂离子等新型动力蓄电池成组应用技术和设备研究最新进展[J].机械工程学报，2009，45（2）：2-11.

[2]王喜瑜，丁军.电动汽车动力蓄电池快速充电关键技术探究[J].北京交通大学学报，1997（bf）：485-490.

[3]樊硕.试论磷酸铁锂电池特点与应用前景[J].能源与节能，2017（1）：116-118.

[4]刘正耀，杨道均，吴可.功率型快充锂离子动力电池技术发展现状[J].新材料产业，2017（4）：62-67.

作者简介：陈虎东（1982，8-），男，2004年7月毕业于内蒙古工业大学并获得工学学士学位、现在神华准能设备维修中心生产技术部从事主管工程师职务，工程师职称。endprint