9月21日，國家電投集團內(nèi)蒙古公司南露天煤礦(以下簡稱“南露天煤礦”)，一輛大型藍色礦用車正在接受測試。這輛標注著“NTH150”代碼的“巨無霸”，就是即將交付使用的新型氫燃料與鋰電池混合動力礦用車（以下簡稱“氫燃料礦用車”）。
站在兩人多高的礦用車輪胎旁，內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司(以下簡稱“北方股份”)氫燃料礦用車項目負責人、“NTH150”總設(shè)計師郭元元告訴科技日報記者：“這是全球首臺（套）滿足質(zhì)量、安全、環(huán)境和服務(wù)等產(chǎn)業(yè)化標準的氫燃料礦用車。 ”
“蒙東到蒙西”，合作解難題
南露天煤礦地處內(nèi)蒙古通遼霍林郭勒市，位于北緯45度附近。冬天的霍林郭勒，氣溫可以低至零下30攝氏度。
這樣的低溫，使燃油車面臨巨大挑戰(zhàn)。司機們在油箱中加入防凍劑，有時還得安裝燃油加熱器，才能讓車輛啟動并正常運轉(zhuǎn)。而對依靠電池的新能源車來說，低溫導(dǎo)致的極速掉電更是待解難題。
因為單純依靠資源開發(fā)，霍林郭勒市曾經(jīng)出現(xiàn)了許多生態(tài)環(huán)境隱患。2018年，中央生態(tài)環(huán)保督察給霍林郭勒市生態(tài)環(huán)境敲響警鐘。隨后，霍林郭勒市下決心大力整改礦山生態(tài)環(huán)境。
南露天煤礦。
作為我國第一個自行設(shè)計施工的千萬噸級大型露天煤礦，南露天煤礦此前就一直著力打造“綠色礦山”。在霍林郭勒市的轉(zhuǎn)型重任面前，南露天煤礦又率先挑起了擔子。
礦山要減排，就得在礦用車這個碳排放大戶上“動刀”。礦用車油耗高、排放密度大，一臺載重136噸級礦用車，年排放二氧化碳1800余噸，排放量約等于600輛乘用車。
“既能滿足大載重運輸需求，又具備長續(xù)航能力，還要使用清潔能源。”郭元元說，“在這種情況下，混合動力礦用車就成為一種合理選擇。”
但當?shù)氐牡蜏貤l件，給清潔能源應(yīng)用帶來嚴重困擾——如果沒有對抗嚴寒的技術(shù)創(chuàng)新，混合動力礦用車同樣無法在礦山中跑起來。
“技術(shù)缺口急需填補的消息，從蒙東傳到了蒙西。”郭元元回憶說。
2022年3月，北方股份與南露天煤礦簽署合作協(xié)議，雙方?jīng)Q定共同開發(fā)百噸級氫燃料礦用車，并計劃在南露天煤礦建立包含氫燃料礦用車、氫氣儲運、氫加注等在內(nèi)的綜合應(yīng)用示范場景。
“否定再否定，優(yōu)化再優(yōu)化”
剛接到任務(wù)，有著多年車輛設(shè)計經(jīng)驗的郭元元就感受到了壓力。
“拿空氣過濾方案這一點來說，我們就做了大量試驗工作。此前，氫燃料礦用車的設(shè)計、應(yīng)用都是一片空白，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可參考。”郭元元說，研發(fā)團隊為此設(shè)計了一種“物理+化學(xué)”的雙重過濾系統(tǒng)，來應(yīng)對礦山粉塵和硫化物的挑戰(zhàn)。
“復(fù)雜的管線排布是研發(fā)人員的心血結(jié)晶。”指著礦用車底部緊密有序的管線，氫燃料礦用車電氣系統(tǒng)負責人劉強告訴記者。
“作為一款氫燃料礦用車，其管線主要有氫氣管路、高壓電纜、低壓線束、液壓管路、冷卻管路等，管路數(shù)量是傳統(tǒng)燃油車的兩倍。”劉強說，“如何在兼顧安全和方便維護的前提下，在有限的車輛空間內(nèi)合理排布所有管線，是一項極富挑戰(zhàn)的工作。”
經(jīng)過反復(fù)研判，研發(fā)人員提出了氫電隔離、分層布置的總體方向，即氫氣管路和電纜隔離布置，保證安全;高壓電纜、低壓線束、液壓及冷卻管路分層布置，電纜在上、管路在下，避免因油液泄漏導(dǎo)致電氣短路。為實現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)布置，研發(fā)團隊嘗試了數(shù)十版方案。
“研發(fā)過程就是否定再否定，優(yōu)化再優(yōu)化。長時間盯著計算機屏幕上密密麻麻的管線排布圖，眼睛每天都酸疼干澀。我們也找到過幾版‘尚可’的方案，但只要發(fā)現(xiàn)安全性還有提升余地，或是排布方式還有優(yōu)化空間，我們就會繼續(xù)鉆研、繼續(xù)打磨……”劉強回憶道。
2022年9月，項目啟動6個月后，研發(fā)團隊完成了動力計算與匹配、高壓架構(gòu)、關(guān)鍵零部件、三維工程圖、工藝等各個環(huán)節(jié)的設(shè)計。
“冰火兩重天”，闖過電池關(guān)
如果說電氣系統(tǒng)是礦用車的“血管”，那么電池就是礦用車的“心臟”。對電池技術(shù)的攻關(guān)，是研發(fā)的重中之重。
宋黎明是項目動力系統(tǒng)負責人，面對電池這塊“最難啃的骨頭”，他和同事嘗試了多種方案。
電池分為燃料電池和動力電池兩部分。經(jīng)過反復(fù)研究，宋黎明注意到，兩部分電池對環(huán)境的要求并不相同：燃料電池可以耐受接近100攝氏度的工作溫度;動力電池的工作溫度則需要控制在0攝氏度到30攝氏度的區(qū)間內(nèi)，不能過高也不宜過低。
“我們必須打造出‘冰火兩重天’的運行環(huán)境。”宋黎明說，“兩部分電池的運行溫度不一樣，散熱需求不一樣，又要放在同一個系統(tǒng)里。我們想到，水是熱量傳導(dǎo)的良好媒介，既可以用來冷卻，也可以用來加熱，如果能利用水的這一特性，讓它循環(huán)流動起來，‘冰火兩重天’或許就可以實現(xiàn)了。”
說起來容易做起來難。
要精確控制水溫，水和熱管理系統(tǒng)乃至全車其他系統(tǒng)需要配合運作，而這離不開一次次模擬和實驗。宋黎明笑著回憶，研發(fā)過程中為了讓自己時刻保持清醒，他常常要用冷水洗臉“降溫”。
最終，研發(fā)團隊選定了一種“水熱+水冷”的分布式熱管理系統(tǒng)。在大功率加熱器輔助下，電池終于能在嚴寒條件下順利啟動、平穩(wěn)續(xù)航了。
“今年6月，習近平總書記在內(nèi)蒙古考察期間強調(diào)，堅持綠色發(fā)展是必由之路。推動傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，大力發(fā)展綠色能源，做大做強國家重要能源基地，是內(nèi)蒙古發(fā)展的重中之重。”郭元元對記者說，“這輛氫燃料礦用車從傳統(tǒng)能源‘開’向了綠色能源，為內(nèi)蒙古能源產(chǎn)業(yè)增添了一抹綠色底色。未來我們還希望它駛出國門，讓中國技術(shù)向世界更高緯度挺進!”
