9月21日，國家電投集團內蒙古公司南露天煤礦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南露天煤礦”)，一輛大型藍色礦用車(chē)正在接受測試。這輛標注著(zhù)“NTH150”代碼的“巨無(wú)霸”，就是即將交付使用的新型氫燃料與鋰電池混合動(dòng)力礦用車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“氫燃料礦用車(chē)”）。
站在兩人多高的礦用車(chē)輪胎旁，內蒙古北方重型汽車(chē)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北方股份”)氫燃料礦用車(chē)項目負責人、“NTH150”總設計師郭元元告訴科技日報記者：“這是全球首臺（套）滿(mǎn)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(chē)。 ”
“蒙東到蒙西”，合作解難題
南露天煤礦地處內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(chē)面臨巨大挑戰。司機們在油箱中加入防凍劑，有時(shí)還得安裝燃油加熱器，才能讓車(chē)輛啟動(dòng)并正常運轉。而對依靠電池的新能源車(chē)來(lái)說(shuō)，低溫導致的極速掉電更是待解難題。
因為單純依靠資源開(kāi)發(fā)，霍林郭勒市曾經(jīng)出現了許多生態(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(gè)自行設計施工的千萬(wàn)噸級大型露天煤礦，南露天煤礦此前就一直著(zhù)力打造“綠色礦山”。在霍林郭勒市的轉型重任面前，南露天煤礦又率先挑起了擔子。
礦山要減排，就得在礦用車(chē)這個(gè)碳排放大戶(hù)上“動(dòng)刀”。礦用車(chē)油耗高、排放密度大，一臺載重136噸級礦用車(chē)，年排放二氧化碳1800余噸，排放量約等于600輛乘用車(chē)。
“既能滿(mǎn)足大載重運輸需求，又具備長(cháng)續航能力，還要使用清潔能源。”郭元元說(shuō)，“在這種情況下，混合動(dòng)力礦用車(chē)就成為一種合理選擇。”
但當地的低溫條件，給清潔能源應用帶來(lái)嚴重困擾——如果沒(méi)有對抗嚴寒的技術(shù)創(chuàng )新，混合動(dòng)力礦用車(chē)同樣無(wú)法在礦山中跑起來(lái)。
“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(shuō)。
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(kāi)發(fā)百?lài)嵓墯淙剂系V用車(chē)，并計劃在南露天煤礦建立包含氫燃料礦用車(chē)、氫氣儲運、氫加注等在內的綜合應用示范場(chǎng)景。
“否定再否定，優(yōu)化再優(yōu)化”
剛接到任務(wù)，有著(zhù)多年車(chē)輛設計經(jīng)驗的郭元元就感受到了壓力。
“拿空氣過(guò)濾方案這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，我們就做了大量試驗工作。此前，氫燃料礦用車(chē)的設計、應用都是一片空白，沒(méi)有現成的經(jīng)驗可參考。”郭元元說(shuō)，研發(fā)團隊為此設計了一種“物理+化學(xué)”的雙重過(guò)濾系統，來(lái)應對礦山粉塵和硫化物的挑戰。
“復雜的管線(xiàn)排布是研發(fā)人員的心血結晶。”指著(zhù)礦用車(chē)底部緊密有序的管線(xiàn)，氫燃料礦用車(chē)電氣系統負責人劉強告訴記者。
“作為一款氫燃料礦用車(chē)，其管線(xiàn)主要有氫氣管路、高壓電纜、低壓線(xiàn)束、液壓管路、冷卻管路等，管路數量是傳統燃油車(chē)的兩倍。”劉強說(shuō)，“如何在兼顧安全和方便維護的前提下，在有限的車(chē)輛空間內合理排布所有管線(xiàn)，是一項極富挑戰的工作。”
經(jīng)過(guò)反復研判，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(xiàn)束、液壓及冷卻管路分層布置，電纜在上、管路在下，避免因油液泄漏導致電氣短路。為實(shí)現合理的結構布置，研發(fā)團隊嘗試了數十版方案。
“研發(fā)過(guò)程就是否定再否定，優(yōu)化再優(yōu)化。長(cháng)時(shí)間盯著(zhù)計算機屏幕上密密麻麻的管線(xiàn)排布圖，眼睛每天都酸疼干澀。我們也找到過(guò)幾版‘尚可’的方案，但只要發(fā)現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(huì )繼續鉆研、繼續打磨……”劉強回憶道。
2022年9月，項目啟動(dòng)6個(gè)月后，研發(fā)團隊完成了動(dòng)力計算與匹配、高壓架構、關(guān)鍵零部件、三維工程圖、工藝等各個(gè)環(huán)節的設計。
“冰火兩重天”，闖過(guò)電池關(guān)
如果說(shuō)電氣系統是礦用車(chē)的“血管”，那么電池就是礦用車(chē)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(dòng)力系統負責人，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(dòng)力電池兩部分。經(jīng)過(guò)反復研究，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(dòng)力電池的工作溫度則需要控制在0攝氏度到30攝氏度的區間內，不能過(guò)高也不宜過(guò)低。
“我們必須打造出‘冰火兩重天’的運行環(huán)境。”宋黎明說(shuō)，“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(gè)系統里。我們想到，水是熱量傳導的良好媒介，既可以用來(lái)冷卻，也可以用來(lái)加熱，如果能利用水的這一特性，讓它循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，‘冰火兩重天’或許就可以實(shí)現了。”
說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。
要精確控制水溫，水和熱管理系統乃至全車(chē)其他系統需要配合運作，而這離不開(kāi)一次次模擬和實(shí)驗。宋黎明笑著(zhù)回憶，研發(fā)過(guò)程中為了讓自己時(shí)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。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(dòng)、平穩續航了。
“今年6月，習近平總書(shū)記在內蒙古考察期間強調，堅持綠色發(fā)展是必由之路。推動(dòng)傳統能源產(chǎn)業(yè)轉型升級，大力發(fā)展綠色能源，做大做強國家重要能源基地，是內蒙古發(fā)展的重中之重。”郭元元對記者說(shuō)，“這輛氫燃料礦用車(chē)從傳統能源‘開(kāi)’向了綠色能源，為內蒙古能源產(chǎn)業(yè)增添了一抹綠色底色。未來(lái)我們還希望它駛出國門(mén)，讓中國技術(shù)向世界更高緯度挺進(jìn)!”
