趙鑫鑫，李 兵，張文明

北京科技大學(xué) 北京 100083

非公路運(yùn)輸車輛工作路程較短、載質(zhì)量大，是用于礦石運(yùn)輸與土方剝離的一種重型自卸車，由大型電鏟或者液壓鏟進(jìn)行裝載，在采集點(diǎn)和裝載點(diǎn)之間往返。隨著采礦規(guī)模不斷增加，采礦深度逐漸加大，運(yùn)輸?shù)缆啡諠u陡峭，原來(lái)的鐵路運(yùn)輸已經(jīng)很難滿足開(kāi)采要求，大型非公路運(yùn)輸車輛即迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。

隨著綠色礦山概念的提出和電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電能驅(qū)動(dòng)的車輛應(yīng)用于礦山領(lǐng)域已成為礦用運(yùn)輸車輛發(fā)展的方向。純電動(dòng)礦用自卸車實(shí)現(xiàn)了零排放、低噪聲，有效地改善了作業(yè)環(huán)境[1]?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)技術(shù)能夠有效改善車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，成熟的混合動(dòng)力技術(shù)為混合動(dòng)力非公路運(yùn)輸車輛提供了技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的電動(dòng)輪技術(shù)是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車輛運(yùn)行，在原系統(tǒng)增加動(dòng)力電池即可構(gòu)成串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。電動(dòng)輪車輛一般采用異步電動(dòng)機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小等優(yōu)點(diǎn)，此外，永磁電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也各具優(yōu)勢(shì)。發(fā)展氫能是尋求解決能源、資源和環(huán)境危機(jī)的有益探索。我國(guó)氫燃料電池汽車初具產(chǎn)業(yè)化條件，而且有些礦山存在副產(chǎn)氫產(chǎn)品，使得氫燃料電池非公路運(yùn)輸車輛具有商業(yè)化應(yīng)用的可能。

新能源非公路運(yùn)輸車輛在迅猛發(fā)展的同時(shí)也面臨著許多挑戰(zhàn)，主要集中在電池、電動(dòng)機(jī)及電控系統(tǒng)：鋰離子電池短時(shí)間內(nèi)內(nèi)阻升高較小，可以實(shí)現(xiàn)快速充電，但隨著壽命的衰減，它的充電能力不斷下降；電驅(qū)動(dòng)與智能技術(shù)發(fā)展也面臨許多技術(shù)難題，無(wú)人礦用汽車的發(fā)展也還處于起步階段。解決發(fā)展過(guò)程中遇到的這些難題及挑戰(zhàn)，對(duì)新能源非公路運(yùn)輸車輛十分重要。

1 大功率非公路運(yùn)輸車輛驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1.1 非公路運(yùn)輸車輛牽引電動(dòng)機(jī)技術(shù)

大功率非公路運(yùn)輸車輛驅(qū)動(dòng)工作原理是，利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電在主控制柜內(nèi)整流成直流電，然后由逆變器轉(zhuǎn)換成交流電輸入牽引變流器，驅(qū)動(dòng)車輛，其中牽引電動(dòng)機(jī)多為異步電動(dòng)機(jī)。常用的異步電動(dòng)機(jī)高性能控制方式有兩種：矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制，由德國(guó)學(xué)者分別于1971 年與1985 年提出[2]。這兩種控制方法各有優(yōu)劣：矢量控制所需的電動(dòng)機(jī)參數(shù)較多，其控制精度受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，但是其輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較??；直接轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大[3]。

隨著對(duì)高品質(zhì)電動(dòng)機(jī)的需求越來(lái)越多，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高，從最初的動(dòng)力性能指標(biāo)發(fā)展到現(xiàn)在的集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的高效節(jié)能環(huán)保等性能要求。礦用非公路運(yùn)輸車輛對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有以下幾點(diǎn)要求：

（1）有較寬的調(diào)速范圍，為了適應(yīng)多工況運(yùn)行的要求，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要能提供大范圍且穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩；

（2）結(jié)構(gòu)要緊湊抗振動(dòng)，功率密度大，冷卻、密封好，并且驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一般設(shè)計(jì)在高效區(qū)間工作，這樣可以使電動(dòng)機(jī)更高效地運(yùn)行；

（3）開(kāi)發(fā)效率更高的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行穩(wěn)定且高效可靠。

因直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)使機(jī)械換向器在高速大負(fù)載工況時(shí)表面產(chǎn)生火花，隨著控制理論、電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)在礦用車輛中得到了廣泛應(yīng)用[4]。但異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度偏低，而新一代的永磁同步電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具備更高的效率和功率密度。

永磁系統(tǒng)具有高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，永磁電動(dòng)機(jī)效率高，可長(zhǎng)期工作在 500～900 r/min 的低速區(qū)，在低速區(qū)其效率比異步電動(dòng)機(jī)高 4.0%～4.8%。此外，永磁電動(dòng)機(jī)的全封閉設(shè)計(jì)更適應(yīng)礦山惡劣環(huán)境。但永磁電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩大、額定轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)速范圍寬、恒功區(qū)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)全速度范圍高效設(shè)計(jì)，且沖擊振動(dòng)強(qiáng)、全封閉冷卻，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)散熱條件要求高，高效和散熱難以兼顧，解決永磁電動(dòng)機(jī)這些技術(shù)難題十分重要。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理利用了磁阻最小原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，且可靠性高、便于維修、效率高、溫升小。同時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)兼具交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的堅(jiān)固耐用、適用于惡劣環(huán)境和直流調(diào)速系統(tǒng)可控性好的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為電傳動(dòng)車輛的輪邊電動(dòng)機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)目前還未在重載車輛中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 非公路運(yùn)輸車輛動(dòng)力電池技術(shù)

電動(dòng)汽車能耗決定續(xù)航里程，降低電耗的節(jié)能技術(shù)是電動(dòng)汽車未來(lái)突破的核心所在[5]。而大功率非公路運(yùn)輸車輛能耗較乘用車大幅增加，由于動(dòng)力電池的比能量遠(yuǎn)低于相同質(zhì)量的化石燃料，電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程不足就成為限制電動(dòng)車使用和推廣的瓶頸，對(duì)于大噸位的礦用運(yùn)輸車輛尤為突出?？梢?jiàn)，提高電池比能量是提升電池性能的重要途徑，對(duì)于提高車輛續(xù)航里程意義重大[6]。

增大整車電池容量在一定程度上可以使車輛的續(xù)航里程增加，但動(dòng)力電池成本在電動(dòng)車整車成本中占比較大，增加電池容量會(huì)使整車成本增加較多；而且電池質(zhì)量在電動(dòng)車整車質(zhì)量占比較大，加大電池容量也會(huì)使整車質(zhì)量增加較多。對(duì)于非公路運(yùn)輸電動(dòng)車輛，根據(jù)使用工況和現(xiàn)場(chǎng)條件，從多角度、多層次研究電動(dòng)車輛關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)十分必要，開(kāi)發(fā)具備高比功率型和能量功率兼顧型動(dòng)力電池，對(duì)推動(dòng)我國(guó)新能源大功率非公路運(yùn)輸車輛的發(fā)展至關(guān)重要。

2 純電動(dòng)非公路運(yùn)輸車輛

近年來(lái)隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，部分廠家嘗試研制純電動(dòng)非公路運(yùn)輸車輛。2021 年 BELAZ 繼續(xù)創(chuàng)新，在柴油機(jī)-架線供電混合動(dòng)力版本上進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)發(fā)了一款零排放90 t 全電池電動(dòng) 7558E 自卸車。該自卸車的動(dòng)力電池由 15 個(gè)鋰離子電池模塊組成，由韓國(guó) Enertech 制造，含有鎳錳鈷氧化物（NMC），總能量容量為 765 kW·h。最新版本的 7558E型自卸車如圖 1[7]所示。該車輛未安裝內(nèi)燃機(jī)，全部采用電池組作為動(dòng)力源，車輛在坡道路段由架空線驅(qū)動(dòng)，在裝載區(qū)和卸載區(qū)由電池提供動(dòng)力。

圖1 BELAZ 7558E 自卸車Fig.1 BELAZ 7558E dump truck

Epiroc 公司 MT42 Battery 是一款深地采礦運(yùn)輸車輛（見(jiàn)圖 2），100% 無(wú)化石燃料采礦巖石卡車，適用于地下采礦和民用建筑。該公司嘗試將此類大型電動(dòng)卡車的電池作為一種服務(wù)進(jìn)行推廣，為客戶提供了更多的靈活性。電池屬于 Epiroc 銷售公司，公司根據(jù)需要定期更換和更新電池單元，這意味著礦山不必承擔(dān)電池相關(guān)的業(yè)務(wù)，僅專注于提高產(chǎn)量即可。2020年 Epiroc 公司為加拿大某礦山提供了10 輛電動(dòng)礦用專用車輛，包括4 臺(tái) Scooptram ST14 裝載機(jī)、2 臺(tái)Boomer M2C 鉆機(jī)、2 臺(tái) Boltec MC 螺栓鉆機(jī)和2 臺(tái)Minetruck MT42 卡車。為了滿足礦山作業(yè)需求，該礦山還將增加3 個(gè) Epiroc 充電柜和7 個(gè)充電樁，用于電動(dòng)設(shè)備的能量補(bǔ)充[8]。

圖2 Epiroc MT42 Battery 采礦車Fig.2 Epiroc MT42 Battery mining truck

3 混合動(dòng)力非公路運(yùn)輸車輛

不同于乘用車領(lǐng)域的混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)較為類似，非公路車輛的混合動(dòng)力技術(shù)種類較多，除了油電混合動(dòng)力技術(shù)外，還有機(jī)電飛輪儲(chǔ)能混合動(dòng)力系統(tǒng)、液力儲(chǔ)能混合動(dòng)力系統(tǒng)等。設(shè)計(jì)時(shí)，由于儲(chǔ)能部件價(jià)格較為昂貴，因此需要不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，以降低成本并提高效益?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)技術(shù)能夠有效改善車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，目前一些廠家嘗試將功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用到礦用車輛領(lǐng)域。該系統(tǒng)具備串聯(lián)及并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，利用行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞功率大、傳動(dòng)平穩(wěn)性好等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)配置電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)端與車輛端的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩解耦[9-10]。采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力非公路運(yùn)輸車輛總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由整車控制系統(tǒng) Z、發(fā)動(dòng)機(jī) E、發(fā)電機(jī) G、整流器 RE、電源管理系統(tǒng) BR、動(dòng)力電源 B（電池組＋超級(jí)電容）、制動(dòng)電阻柜控制器 CA、制動(dòng)電阻柜 R、輪邊電動(dòng)機(jī) M、電動(dòng)機(jī)控制器C 等組成。電傳動(dòng)系統(tǒng)采用交-直-交的能量傳遞結(jié)構(gòu)，每個(gè)后車輪均由1 個(gè)輪邊電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，以獲得良好的驅(qū)動(dòng)特性[11]。美國(guó)卡特彼勒公司在2019 年獲批美國(guó)能源部非公路車輛替代能源技術(shù)項(xiàng)目，基于 CAT745 重載車輛，提出利用高速機(jī)電飛輪的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案，較傳統(tǒng)車型預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)油17% 的效果。

圖3 混合動(dòng)力礦用卡車結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hybrid power mining truck

現(xiàn)如今，電力電子器件不斷朝著復(fù)合化、模塊化等方向發(fā)展，IGBT、MCT 等被稱為第3 代電力電子器件。IGBT 是絕緣柵雙極晶體管，它兼具功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 和功率晶體管 GTR 的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)通電流密度大，門極驅(qū)動(dòng)功率小，耐浪涌能力強(qiáng)，電流容量大，自關(guān)斷、開(kāi)關(guān)頻率高，易于驅(qū)動(dòng)。如今 IGBT 絕緣柵雙極晶體管器件在礦用電動(dòng)輪自卸卡車變流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。大功率傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用基于霍爾效應(yīng)原理的 LEM 傳感器來(lái)完成對(duì)電壓電流的檢測(cè)。LEM 傳感器的作用與傳統(tǒng)的電流互感器相同，但它將普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)結(jié)合起來(lái)，因而既有普通互感器測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，又有電子電路反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[12]。

4 燃料電池非公路運(yùn)輸車輛

質(zhì)子交換膜燃料電池是氫燃料電池電動(dòng)車輛的一種有效解決方案，利用高能量密度和短加油時(shí)間來(lái)提高燃料效率和車載排放，但其較高成本和較短壽命阻礙了燃料電池電動(dòng)車成為主流運(yùn)輸解決方案。以燃料效率為導(dǎo)向的能源管理策略不能保證總運(yùn)行成本的降低[13]?，F(xiàn)在，有很多研究提高電池比能量的方法，比如研發(fā)高性能的電極活性材料，提高電解液的浸潤(rùn)性以加快電子的傳輸速率，研制新型的高比能量電池等，這些都與新材料新技術(shù)難題的突破以及生產(chǎn)工藝的提升有著密切的關(guān)系。

質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為重型非公路運(yùn)輸車輛提供了一種新興的清潔推進(jìn)解決方案。其具有零溫室氣體排放特點(diǎn)，比內(nèi)燃機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率高1 倍，以及可立即通過(guò)再充氫燃料的量決定擴(kuò)展的運(yùn)行范圍。采礦通風(fēng)成本是清潔燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)主要成本節(jié)約因素，此外，它還具有更高的能效[14]，這使得采礦車輛成為燃料電池電動(dòng)車輛的一個(gè)合適的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)在非公路采礦卡車上的成本競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈[15]。

2020 年，威廉姆斯高級(jí)工程公司（Williams Advanced Engineering）參與開(kāi)發(fā)全球最大氫動(dòng)力礦車，該項(xiàng)目與采礦業(yè)巨頭 Anglo American 合作，對(duì)290 t 級(jí)小松 930E 進(jìn)行改裝（見(jiàn)圖 4[16]），配備由威廉姆斯開(kāi)發(fā)的氫燃料電池模塊及 1 000 kW·h 電池組，目標(biāo)是逐步替代目前的柴油動(dòng)力礦車，并實(shí)現(xiàn)到 2030年幫助 Anglo American 公司的二氧化碳排放量減少30%。新礦車計(jì)劃在南非莫加拉克韋納（Mogalakwena）的礦場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

圖4 290 t 燃料電池非公路運(yùn)輸車輛Fig.4 290 t fuel cell off-road transport truck

2020 年12 月，福特斯庫(kù)金屬集團(tuán)（Fortescue Metals Group）著手開(kāi)發(fā)一款 240 t 非柴油運(yùn)輸卡車（見(jiàn)圖 5[17]），將在西澳大利亞的皮爾巴拉（Pilbara）測(cè)試電池電力和燃料電池電力傳動(dòng)系統(tǒng)。這款240 t 原型車的傳動(dòng)系統(tǒng)將由該公司的綜合可再生能源網(wǎng)絡(luò)提供動(dòng)力。該項(xiàng)目的第1 階段將在皮爾巴拉對(duì)原型卡車上的電池-電力動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行操作測(cè)試，第2 階段將開(kāi)發(fā)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)將能在下坡?tīng)恳龝r(shí)再生動(dòng)力，計(jì)劃在皮爾巴拉的采礦業(yè)務(wù)中進(jìn)行性能測(cè)試。這項(xiàng)合作還將包括開(kāi)發(fā)一個(gè)快速充電裝置，利用 Fortescue 的皮爾巴拉能源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電力，該網(wǎng)絡(luò)將包括太陽(yáng)能發(fā)電廠和大電池。該公司計(jì)劃在2040 年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

圖5 福特斯庫(kù)金屬集團(tuán)開(kāi)發(fā)的 240 t 燃料電池非公路運(yùn)輸車輛Fig.5 240 t fuel cell off-road transport truck with developed by Fortescue Metals Group

最近幾年我們國(guó)家也在嘗試氫能重載礦用卡車的研發(fā)。2018 年，國(guó)家能源集團(tuán)的下屬準(zhǔn)能集團(tuán)、氫能科技公司和北京低碳清潔能源研究院及濰柴控股集團(tuán)簽署了“200 t 級(jí)以上氫能重載礦用卡車研發(fā)合作框架協(xié)議”。2020 年，山東濰柴集團(tuán)把重卡和大功率的氫燃料電池作為集中目標(biāo)，開(kāi)始準(zhǔn)備研發(fā)200 kW 的氫燃料電池，神華集團(tuán)與山東濰柴簽訂了“350 t 的重型礦用卡車氫燃料電池的戰(zhàn)略性框架協(xié)議”。

5 新能源非公路運(yùn)輸車輛技術(shù)挑戰(zhàn)

5.1 低速電動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)

電驅(qū)動(dòng)非公路運(yùn)輸車輛同時(shí)具備電制動(dòng)踏板和機(jī)械制動(dòng)踏板，不同工況下兩者交替發(fā)揮作用，因此在速度控制過(guò)程中要考慮的因素更多。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的行進(jìn)設(shè)備，高速時(shí)因?yàn)轵?qū)動(dòng)、制動(dòng)力不足，在大坡度下坡時(shí)必須提前將速度降低到較小值，否則會(huì)導(dǎo)致速度失控，產(chǎn)生危險(xiǎn)。由于加速和制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，在遇見(jiàn)障礙物進(jìn)行制動(dòng)時(shí)必須保持足夠的反應(yīng)距離和時(shí)間，才能保證安全[18]。

永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高效、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，且制動(dòng)能量利用率高。制動(dòng)工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低，噴油量減少，系統(tǒng)能效提升 3%～5%。但是，永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還面臨一些技術(shù)難題：

（1）在高海拔（5 500 m 及以上）、工作環(huán)境溫度范圍寬（-40°～55°），搓板、泥濘、平坦等強(qiáng)振動(dòng)復(fù)雜環(huán)境，難以實(shí)現(xiàn)永磁電驅(qū)系統(tǒng)多目標(biāo)最優(yōu)集成；

（2）任何失效工況下礦卡需在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行，但由于永磁體的存在，只要永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，速度越快，感應(yīng)電壓越高，永磁電動(dòng)機(jī)重新投入控制越困難；

（3）整車的高動(dòng)力品質(zhì)要求牽引電動(dòng)機(jī)具有快速力矩響應(yīng)和精準(zhǔn)平穩(wěn)力矩輸出，這就需要穩(wěn)定的輸入電壓（中間電壓）支撐，但永磁電動(dòng)機(jī)不進(jìn)行勵(lì)磁控制，中間電壓無(wú)法穩(wěn)定；因此，要求永磁牽引與柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)快速協(xié)同控制。

5.2 鋰離子電池快充技術(shù)

目前，鋰離子快充動(dòng)力電池還處于小范圍應(yīng)用的階段，純電動(dòng)公交車的運(yùn)行由于快充模式的出現(xiàn)得到了極大便利。首先因?yàn)殡姵亟M配置容量的減少，使成本大大降低；其次，電池的體積和質(zhì)量越來(lái)越小，車輛的空間使用率和安全性得到了提高，快速充電使充電時(shí)間大幅度縮短，提高了運(yùn)營(yíng)收益。鋰離子電池短時(shí)間內(nèi)內(nèi)阻升高較小，可以實(shí)現(xiàn)快速充電，但隨著壽命的衰減，電池內(nèi)阻升高，充電能力不斷下降，且溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致壽命加速衰減。另外，目前鋰離子動(dòng)力電池大多數(shù)采用石墨負(fù)極體系，在低溫條件下快速充電容易析出活性鋰金屬，也會(huì)造成低溫快速充電時(shí)電池壽命急劇衰減，并且存在引發(fā)電池內(nèi)部短路的安全隱患[19]。

此外，快充技術(shù)要想實(shí)現(xiàn)全面推廣和應(yīng)用還需要解決許多問(wèn)題，例如快充需要大電流充電，這就對(duì)局部電網(wǎng)的要求更高，快充電池的續(xù)航里程短，快充用的大功率充電樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還沒(méi)有統(tǒng)一，兼容性的政策還沒(méi)有出臺(tái)，這些問(wèn)題都限制了快充動(dòng)力電池的應(yīng)用。

5.3 電驅(qū)動(dòng)與智能化集成設(shè)計(jì)技術(shù)

新能源非公路運(yùn)輸車輛的功率需求波動(dòng)大，對(duì)制動(dòng)時(shí)能量回收的能力及加速時(shí)的后備功率有很高的要求。設(shè)計(jì)時(shí)，混合動(dòng)力車輛采用的發(fā)電機(jī)組與單一動(dòng)力電池并聯(lián)供電的方式難以滿足車輛對(duì)峰值功率和能量的雙重需求[20-21]。電傳動(dòng)系統(tǒng)中，直流母線負(fù)責(zé)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電，穩(wěn)定的電壓有利于保持電動(dòng)機(jī)及控制器的高效運(yùn)行，在安全范圍內(nèi)提高母線電壓通常有利于獲得較高的效率。對(duì)于母線電壓的控制，目前大多是將電池直接掛在直流母線上，使母線電壓跟隨電池電壓[22]。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且能夠保持電路穩(wěn)定，但會(huì)導(dǎo)致電池組反復(fù)充放電，降低電池組使用壽命，且無(wú)法得到較高的母線電壓。若要達(dá)到較高的電池電壓，需串聯(lián)很多電池單元，這必然會(huì)導(dǎo)致電池組的體積和質(zhì)量過(guò)大。

露天礦山運(yùn)輸作業(yè)具有計(jì)劃性、組織性和封閉性特征，并且作業(yè)環(huán)境惡劣。采用無(wú)人駕駛技術(shù)不僅能避免和減少對(duì)駕駛?cè)藛T健康、安全的危害或威脅，而且能大幅提升效率、降低成本，更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保[23]。智能的非公路運(yùn)輸車輛是礦山企業(yè)未來(lái)智能化系統(tǒng)的重要組成部分，車輛本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，路徑跟蹤始終是一個(gè)難題[24]。車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無(wú)人駕駛車輛控制中具有非常重要的作用，而路徑跟蹤控制是自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制中的難點(diǎn)，它要求無(wú)人駕駛車輛沿參考路徑穩(wěn)定無(wú)偏差行駛[25]。路徑規(guī)劃包括全局和局部路徑規(guī)劃兩種，目前，全局規(guī)劃算法的研究已經(jīng)獲得較為成熟的結(jié)果[26]，因此，解決路徑跟蹤出現(xiàn)的偏差、車輛系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性是無(wú)人駕駛車輛路徑跟蹤的主要問(wèn)題[27]。目前，學(xué)者采用的跟蹤控制算法主要有PID 控制、PP 控制、前饋反饋控制、模型預(yù)測(cè)控制和模擬退火（SA）算法等[28]。新能源非公路運(yùn)輸車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中需要結(jié)合電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、車輛智能控制技術(shù)需求，實(shí)現(xiàn)智能新能源非公路運(yùn)輸車輛的集成化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

電力電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為新能源非公路車輛的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。新能源非公路運(yùn)輸車輛采用電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)、燃料電池技術(shù)，逐步從傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)輪技術(shù)向綠色的新能源技術(shù)過(guò)渡，有效降低碳排放，需要進(jìn)一步解決大功率永磁電動(dòng)機(jī)控制、兼顧功率型與能量型動(dòng)力電池技術(shù)、大功率氫燃料電池設(shè)計(jì)問(wèn)題。此外，新能源非公路運(yùn)輸車輛的電動(dòng)化技術(shù)為智慧礦山建設(shè)奠定基礎(chǔ)，將推動(dòng) 5G 賦能礦山行業(yè)，加速數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的建設(shè)。