全球首台!“氢”装上阵

2023-09-22 16:55


9月21日,国家电投集团内蒙古公司南露天煤矿(以下简称“南露天煤矿”),一辆大型蓝色矿用车正在接受测试。这辆标注着“NTH150”代码的“巨无霸”,就是即将交付使用的新型氢燃料与锂电池混合动力矿用车(以下简称“氢燃料矿用车”)。


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站在两人多高的矿用车轮胎旁,内蒙古北方重型汽车股份有限公司(以下简称“北方股份”)氢燃料矿用车项目负责人、“NTH150”总设计师郭元元告诉科技日报记者:“这是全球首台(套)满足质量、安全、环境和服务等产业化标准的氢燃料矿用车。

“蒙东到蒙西”,合作解难题

南露天煤矿地处内蒙古通辽霍林郭勒市,位于北纬45度附近。冬天的霍林郭勒,气温可以低至零下30摄氏度。

这样的低温,使燃油车面临巨大挑战。司机们在油箱中加入防冻剂,有时还得安装燃油加热器,才能让车辆启动并正常运转。而对依靠电池的新能源车来说,低温导致的极速掉电更是待解难题。

因为单纯依靠资源开发,霍林郭勒市曾经出现了许多生态环境隐患。2018年,中央生态环保督察给霍林郭勒市生态环境敲响警钟。随后,霍林郭勒市下决心大力整改矿山生态环境。

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南露天煤矿。

作为我国第一个自行设计施工的千万吨级大型露天煤矿,南露天煤矿此前就一直着力打造“绿色矿山”。在霍林郭勒市的转型重任面前,南露天煤矿又率先挑起了担子。

矿山要减排,就得在矿用车这个碳排放大户上“动刀”。矿用车油耗高、排放密度大,一台载重136吨级矿用车,年排放二氧化碳1800余吨,排放量约等于600辆乘用车。

“既能满足大载重运输需求,又具备长续航能力,还要使用清洁能源。”郭元元说,“在这种情况下,混合动力矿用车就成为一种合理选择。”

但当地的低温条件,给清洁能源应用带来严重困扰——如果没有对抗严寒的技术创新,混合动力矿用车同样无法在矿山中跑起来。

“技术缺口急需填补的消息,从蒙东传到了蒙西。”郭元元回忆说。

2022年3月,北方股份与南露天煤矿签署合作协议,双方决定共同开发百吨级氢燃料矿用车,并计划在南露天煤矿建立包含氢燃料矿用车、氢气储运、氢加注等在内的综合应用示范场景。

“否定再否定,优化再优化”

刚接到任务,有着多年车辆设计经验的郭元元就感受到了压力。

“拿空气过滤方案这一点来说,我们就做了大量试验工作。此前,氢燃料矿用车的设计、应用都是一片空白,没有现成的经验可参考。”郭元元说,研发团队为此设计了一种“物理+化学”的双重过滤系统,来应对矿山粉尘和硫化物的挑战。

“复杂的管线排布是研发人员的心血结晶。”指着矿用车底部紧密有序的管线,氢燃料矿用车电气系统负责人刘强告诉记者。

“作为一款氢燃料矿用车,其管线主要有氢气管路、高压电缆、低压线束、液压管路、冷却管路等,管路数量是传统燃油车的两倍。”刘强说,“如何在兼顾安全和方便维护的前提下,在有限的车辆空间内合理排布所有管线,是一项极富挑战的工作。”

经过反复研判,研发人员提出了氢电隔离、分层布置的总体方向,即氢气管路和电缆隔离布置,保证安全;高压电缆、低压线束、液压及冷却管路分层布置,电缆在上、管路在下,避免因油液泄漏导致电气短路。为实现合理的结构布置,研发团队尝试了数十版方案。

“研发过程就是否定再否定,优化再优化。长时间盯着计算机屏幕上密密麻麻的管线排布图,眼睛每天都酸疼干涩。我们也找到过几版‘尚可’的方案,但只要发现安全性还有提升余地,或是排布方式还有优化空间,我们就会继续钻研、继续打磨……”刘强回忆道。

2022年9月,项目启动6个月后,研发团队完成了动力计算与匹配、高压架构、关键零部件、三维工程图、工艺等各个环节的设计。

“冰火两重天”,闯过电池关

如果说电气系统是矿用车的“血管”,那么电池就是矿用车的“心脏”。对电池技术的攻关,是研发的重中之重。

宋黎明是项目动力系统负责人,面对电池这块“最难啃的骨头”,他和同事尝试了多种方案。

电池分为燃料电池和动力电池两部分。经过反复研究,宋黎明注意到,两部分电池对环境的要求并不相同:燃料电池可以耐受接近100摄氏度的工作温度;动力电池的工作温度则需要控制在0摄氏度到30摄氏度的区间内,不能过高也不宜过低。

“我们必须打造出‘冰火两重天’的运行环境。”宋黎明说,“两部分电池的运行温度不一样,散热需求不一样,又要放在同一个系统里。我们想到,水是热量传导的良好媒介,既可以用来冷却,也可以用来加热,如果能利用水的这一特性,让它循环流动起来,‘冰火两重天’或许就可以实现了。”

说起来容易做起来难。

要精确控制水温,水和热管理系统乃至全车其他系统需要配合运作,而这离不开一次次模拟和实验。宋黎明笑着回忆,研发过程中为了让自己时刻保持清醒,他常常要用冷水洗脸“降温”。

最终,研发团队选定了一种“水热+水冷”的分布式热管理系统。在大功率加热器辅助下,电池终于能在严寒条件下顺利启动、平稳续航了。


“今年6月,习近平总书记在内蒙古考察期间强调,坚持绿色发展是必由之路。推动传统能源产业转型升级,大力发展绿色能源,做大做强国家重要能源基地,是内蒙古发展的重中之重。”郭元元对记者说,“这辆氢燃料矿用车从传统能源‘开’向了绿色能源,为内蒙古能源产业增添了一抹绿色底色。未来我们还希望它驶出国门,让中国技术向世界更高纬度挺进!”

编辑 | 王 嫱

来源 | 科技日报

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