特稿丨全球首台！“氢”装上阵

科学

2023-09-22 02:09

◎ 科技日报记者孙明源通讯员贺占军郭新燕

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”）。

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。

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！”

来源：科技日报文中图片均由受访者提供

编辑：王宇

审核：岳靓

终审：王婷婷

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来源: qq

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