郝明銳

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

隨著煤礦生產(chǎn)機械化水平的不斷提升，煤礦開采規(guī)模持續(xù)擴大，開采的強度、運輸?shù)木嚯x顯著增長，作為當(dāng)前煤礦井下輔助運輸?shù)闹饕b備，防爆柴油機無軌車輛的使用規(guī)?？焖贁U大。據(jù)統(tǒng)計，目前使用防爆柴油機無軌車輛的礦井有700余處，使用總量在8000臺以上。但防爆柴油機無軌車輛帶來的井下尾氣污染問題日益凸顯，嚴(yán)重威脅著井下工人的身體健康。同時，根據(jù)國家安監(jiān)局調(diào)研報告，以神東礦區(qū)為例，該類車型油耗和功率損失是地面車輛的2倍，輪胎壽命不足地面車輛的1/3，出勤率僅為75%，運行成本卻是地面車輛的10倍以上。其中，無軌膠輪車的燃油費和防爆柴油機的保養(yǎng)維修費用在礦井輔助運輸成本中占最大比重[1-3]。

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，礦用防爆電驅(qū)無軌車輛應(yīng)運而生，成為了解決上述問題的有效技術(shù)手段。由于煤礦特殊的防爆要求，礦用電驅(qū)動無軌車輛可使用的動力電池類型有所限制，按采用電池類型的不同，主要可分為防爆鉛酸型蓄電池?zé)o軌車輛和防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛，見表1。防爆鉛酸型蓄電池?zé)o軌車輛主要使用在工作面短距離設(shè)備搬運和鏟掘作業(yè)等對車輛行駛速度和續(xù)駛里程要求較低的工況；防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛主要用于井下長距離物料和人員的運輸工作，續(xù)駛里程成為了衡量該車型性能的重要指標(biāo)。在防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛設(shè)計中，采用節(jié)能控制技術(shù)，可有效提高車輛的續(xù)駛里程，緩解該車型在煤礦生產(chǎn)實際應(yīng)用中續(xù)航不足的問題，對推廣該車型的使用，解決井下污染問題具有重要意義[4，5]。

表1 防爆蓄電池?zé)o軌車輛的分類

1 防爆鋰電池?zé)o軌車輛系統(tǒng)構(gòu)型

由于我國煤炭裝備的發(fā)展和進(jìn)步，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、緊急避險設(shè)施和輔助運輸設(shè)備等井下裝備對電池容量的要求越來越大，而比能量高、無記憶效應(yīng)的鋰離子蓄電池成為供電電池的最佳選擇之一。防爆鋰電池?zé)o軌車輛是一種以鋰離子蓄電池為動力源的，并由電機驅(qū)動的純電動煤礦井下輔助運輸車型。

其系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，主要由能源子系統(tǒng)、電驅(qū)動子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)等組成。能源子系統(tǒng)主要由防爆鋰電池組和電池管理系統(tǒng)組成，主要功能是為整車提供能源，同時對電池狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和管理；電力驅(qū)動子系統(tǒng)主要由整車控制器、電機控制器和牽引電機等組成，主要功能是為整車提供動力，控制電機運行狀態(tài)，實現(xiàn)車輛高效運行；傳動子系統(tǒng)主要由減速器、驅(qū)動橋和制動器等組成，主要功能是實現(xiàn)動力的傳輸功能；輔助子系統(tǒng)由各種輔助電機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和低壓電氣系統(tǒng)等組成，主要功能為實現(xiàn)車輛除行走外的各種輔助功能。

圖1 防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛的系統(tǒng)構(gòu)型

因煤礦井下惡劣的路面狀況及特殊的安標(biāo)要求，驅(qū)動子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)及其采用的驅(qū)動技術(shù)關(guān)系到車輛的動力性及安全性，是整車的核心。其關(guān)鍵參數(shù)有：牽引電機功率、防爆電池容量及電壓等級、最大續(xù)駛里程、最高車速以及最大爬坡度。在上述系統(tǒng)設(shè)計時采用節(jié)能控制技術(shù)可有效提高車輛性能，促進(jìn)井下新能源車型的推廣使用。

2 防爆鋰離子蓄電池管理技術(shù)

防爆鋰離子蓄電池車輛與傳統(tǒng)防爆柴油機車型最大的區(qū)別是用鋰電池作為動力驅(qū)動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是電動車輛關(guān)鍵的核心技術(shù)。通過該系統(tǒng)對電池組充放電和放熱的有效控制，可有效增加車輛續(xù)駛里程、延長電池使用壽命，保證鋰電池應(yīng)用的安全和可靠性，是重要的節(jié)能控制技術(shù)。使用相同電池容量的電動車輛，由于BMS的差異，其續(xù)航里程、充電時間和電池壽命將大不相同[6]。

2.1 BMS的組成和功能

BMS系統(tǒng)主要有以下組成，如圖2所示：

圖2 電池管理系統(tǒng)的基本構(gòu)型

1)電池終端模塊：主要進(jìn)行電池參數(shù)的實時檢測與數(shù)據(jù)采集，如電壓、電流、溫度、絕緣檢測和通信信號等。

2)主控制模塊：根據(jù)電池終端模塊實時采集的數(shù)據(jù)，基于預(yù)定算法，實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)的估算和監(jiān)控；動態(tài)制定電池管理策略，實現(xiàn)電池?zé)峁芾?、均衡管理，充放電管理以及在線故障診斷；通過CAN總線，實現(xiàn)與整車控制器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信功能。

3)顯示模塊：主要進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實現(xiàn)人機交互功能。

2.2 防爆鋰電池車輛BMS的控制策略

根據(jù)《礦用隔爆(兼本安型)鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》，電池需置于獨立的隔爆腔內(nèi)使用，隔爆電池腔內(nèi)電池組總?cè)萘坎怀^100A·h，總能量不得超過32kW·h，腔內(nèi)電池組不得并聯(lián)使用，隔爆電池箱最大輸出電壓不超過320V。為保證使用安全，通常采用安全性較好的磷酸鐵鋰電池，其單體電池電壓為3.2V，單個隔爆鋰電池箱體內(nèi)，單體電池數(shù)量最大為100串。為提高車載能量，增加續(xù)駛里程，通常采用多個隔爆電池箱體串、并聯(lián)設(shè)計組成防爆鋰電池組作為整車的能源系統(tǒng)。

某型防爆鋰離子蓄電池車采用的能源系統(tǒng)解決方案如圖3所示，其采用2串2并的連接方式，使車載總能量達(dá)到128kW·h，實現(xiàn)了該車型最大續(xù)航里程超過80km的設(shè)計要求。其電池管理系統(tǒng)采用一主四從架構(gòu)，主控制器通過內(nèi)部CAN總線控制4個從控制器，從控制器分別對各隔爆電池箱體內(nèi)的單體電池進(jìn)行管理，實時采集各自100支單體電池的電壓和溫度等信息，電流傳感器對電流進(jìn)行檢測。通過CAN總線實現(xiàn)BMS與整車控制器及充電機的通訊，并通過顯示模塊對電池狀態(tài)信息進(jìn)行顯示[7-9]。

圖3 某防爆鋰離子蓄電池車能源系統(tǒng)解決方案

3 再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制技術(shù)

3.1 電機再生制動技術(shù)

因煤礦井下的安全要求，防爆車輛通常采用安全型濕式制動車橋，而由于井下工作環(huán)境較為惡劣，巷道中坡道長、路面滑、轉(zhuǎn)彎多，導(dǎo)致防爆車輛運行時制動頻繁，制動過程中的慣性能量全部通過摩擦作用轉(zhuǎn)化成熱能，在造成能量損失的同時，降低了驅(qū)動橋的使用壽命。

在防爆鋰離子蓄電池車輛制動過程中，可控制牽引電機使其工作在發(fā)電狀態(tài)，將車輛行駛的機械能轉(zhuǎn)化為電能，并且存儲進(jìn)鋰電池中，實現(xiàn)部分制動能量的回收；在電機發(fā)電的同時，可產(chǎn)生制動力矩，通過傳動系統(tǒng)到達(dá)車輪，實現(xiàn)車輛減速。該電機再生制動技術(shù)可以有效延長車輛的續(xù)駛里程，提高能量的利用效率，是電驅(qū)車輛重要的節(jié)能控制技術(shù)。同時由于電機承擔(dān)了一部分需求的制動轉(zhuǎn)矩，車橋輪邊制動器承擔(dān)的摩擦制動力矩相應(yīng)減少，降低了制動器的熱負(fù)荷，延長了其使用壽命，提高了車輛的制動安全性和使用經(jīng)濟性[10-12]。

3.2 防爆鋰電池?zé)o軌車輛制動的控制策略

礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛具有運行速度低(設(shè)計時速一般不超過50km/h，井下實際運行速度不超過30km/h)，質(zhì)量大等特點，傳動系統(tǒng)(通常為四驅(qū))常由傳動軸、濕式制動橋等部件剛性連接，如圖4所示為某型防爆鋰電池?zé)o軌車輛制動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。與地面需要高速運行的電動車輛相比，該車型在制動時對前后車輪制動力矩的分配要求相對較低，在保證制動安全可靠的前提下，為實現(xiàn)制動能量回收最大化，采用電機再生制動與車橋液壓制動聯(lián)合工作的制動形式。

圖4 防爆鋰電池?zé)o軌車輛制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下的不同工況，制定相應(yīng)的控制策略，協(xié)調(diào)兩種制動力的分配方式，根據(jù)制動踏板的位置，分配合適的再生制動力和液壓制動力，主要有以下幾種形式：

1)緊急制動：在車輛緊急制動情況下，為保證制動安全，實現(xiàn)制動距離最短，不考慮能量回收，以車橋液壓制動為主，踩死剎車踏板后，車橋輪邊制動器短時間內(nèi)將車輛制動。

2)中輕度制動：通過控制剎車踏板，車輛減速優(yōu)先采用電機再生制動，實現(xiàn)對制動能量的回收，車輛停車則由驅(qū)動橋液壓制動實現(xiàn)，保證安全。

3)下坡時制動：因煤礦井下坡道較多且長，在該工況下，車輛制動以電機再生制動為主，充分回收制動能量，同時可減輕車橋制動器的負(fù)荷，延長其使用壽命。但為避免造成電池過充，整車控制器需實時采集BMS信息，當(dāng)電池SOC值超過0.95時，停止進(jìn)行制動能量回饋，車輛制動功能由車橋液壓制動實現(xiàn)。

電液協(xié)調(diào)制動控制技術(shù)應(yīng)用前后對比見表2，在某型防爆鋰電池?zé)o軌膠輪車設(shè)計中通過采用該節(jié)能控制技術(shù)，使整車?yán)m(xù)駛里程增加5%以上，驅(qū)動橋故障率降低50%(坡度超過7°的惡劣工況下)，有效提升車輛制動安全。

表2 電液協(xié)調(diào)制動控制技術(shù)應(yīng)用前后對比

4 油泵電機節(jié)能控制技術(shù)

防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車配備有油泵電機，作為車輛的輔助動力，為液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等提供動力。整車啟動后，油泵電機和液壓泵隨即開始工作，采用油泵電機節(jié)能控制技術(shù)可對油泵電機的工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低在普通工況下，油泵電機的輸出功率，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的目的。

油泵電機節(jié)能控制策略如圖5所示，整車控制器通過采集各系統(tǒng)的工作壓力，分析判斷車輛的運行工況，通過油泵電機控制器，實現(xiàn)對油泵電機工作轉(zhuǎn)速的實時控制，避免油泵電機和液壓泵的長時間滿負(fù)荷工作。

圖5 油泵電機節(jié)能控制策略

與采用該控制技術(shù)之前相比，液壓泵可選用低成本、可靠性高的定量泵替換之前成本較高的變量泵，同時通過去除溢流閥、充液閥等環(huán)節(jié)，減少了膠管接頭用量。油泵電機節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用前后對比見表3。通過油泵電機節(jié)能控制技術(shù)的實施，實現(xiàn)系統(tǒng)減重約50kg，節(jié)約能耗1.6kW/h，效率提高11%，成本降低1.9萬元。

表3 油泵電機節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用前后對比

5 結(jié) 論

1)根據(jù)防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛特殊的使用工況，提出在設(shè)計中應(yīng)采用節(jié)能控制技術(shù)以提高續(xù)駛里程，從而增加其在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍。

2)針對防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛的系統(tǒng)構(gòu)型，總結(jié)了防爆鋰離子蓄電池管理技術(shù)、再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制和油泵電機節(jié)能控制三種節(jié)能技術(shù)的特點，并分析了其各自的控制策略。

3)上述三種節(jié)能控制技術(shù)均在山西天地煤機裝備有限公司生產(chǎn)的防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車上進(jìn)行了應(yīng)用，實現(xiàn)整車節(jié)能20%左右，續(xù)駛里程平均提高15%。