周密林

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

消費過剩導(dǎo)致資源、安全、環(huán)境等方面的問題和矛盾仍然突出，產(chǎn)業(yè)升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整、深刻革命刻不容緩。國家對清潔能源、綠色發(fā)展的重視程度與日俱增，煤炭行業(yè)必須在生產(chǎn)上走出一條科學(xué)產(chǎn)能的道路，在消費上走出一條綠色低碳的道路，只有這樣才會有發(fā)展的空間，才會有發(fā)展的未來[1]。國家2025 規(guī)劃“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，充分反映出國家的整體戰(zhàn)略計劃，也為我國煤礦事業(yè)的整體發(fā)展指明了方向。

“十一五”期間，我國煤礦井下以防爆柴油機為動力的無軌輔助運輸車輛得到了長足的發(fā)展[2]。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)使用防爆柴油機驅(qū)動車輛的礦井有700 余處，使用總量在16000臺以上。無軌輔助運輸在煤礦減員增效、提高生產(chǎn)效率、提高煤礦安全和降低事故發(fā)生率等方面取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，但也暴露出了諸多弊端。一方面，該類車輛以柴油為動力燃料，能源消耗量大、高噪音、高排放問題顯得格外突出。在國家節(jié)能減排的大政策號召下，迫切需要采用清潔可再生能源動力的車輛；另一方面，在煤礦井下巷道狹隘、通風(fēng)有限的條件下，防爆柴油機驅(qū)動車輛的強噪音、大排放、高油耗等“四高一低”問題日益凸顯，嚴重危害井下工作人員的職業(yè)健康和企業(yè)效益，某些礦區(qū)甚至出現(xiàn)了“油肺病”的現(xiàn)象。

為了有效改善井下工作環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能減排，礦用純電動車輛已成為未來煤礦井下無軌輔助運輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展方向[3-6]，真正實現(xiàn)輔助運輸設(shè)備的純電動、低污染和零排放，高效地解決使用防爆柴油機車輛暴露出的噪音污染、尾氣污染、油耗大等問題。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

礦用純電動防爆車輛按照動力電池類型可以劃分為防爆鉛酸類蓄電池車輛和防爆鋰離子蓄電池車輛。鉛酸類蓄電池類車輛主要集中在大噸位的鏟板式支架搬運車和多功能作業(yè)車，進口車輛主要為比塞洛斯VTC636、VTC650、VTC680、 488鏟車，應(yīng)用地點主要集中在神東公司，應(yīng)用數(shù)量分別為16臺、24臺、5臺和28臺。國產(chǎn)車輛主要為山西天地煤機裝備有限公司生產(chǎn)的CLX3、 WJX-7FB、 WJX-10FB礦用蓄電池鏟運機、WX35J、WX45J、WX80J蓄電池鏟板式搬運車以及航天重裝WX100J蓄電池鏟板式搬運車，應(yīng)用地點主要集中在神東公司、兗州礦業(yè)等大型煤礦企業(yè)。防爆鋰離子蓄電池車輛受行業(yè)標準、電池容量的限制以及應(yīng)用范圍的約束，主要集中在小噸位的運人車和運料車，主要生產(chǎn)廠家有石家莊煤機、航天重裝、常州科試、深圳德塔和山西天地煤機裝備有限公司，用戶主要集中在神東礦區(qū)，總體市場占有量在200臺左右。

2 行業(yè)標準現(xiàn)狀

當前純電動防爆車輛整車檢驗的標準分為兩大類，以鉛酸電池為動力的車輛主要依據(jù)防爆柴油機的標準《防爆柴油機通用技術(shù)條件》(MT/T 989)和JB/T 5500—2015防爆電動鏟運機執(zhí)行[7，11]；以鋰離子蓄電池為動力的車輛主要依據(jù)《煤礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛安全技術(shù)要求》(試行)，同時引入北方車輛技術(shù)研究所對整車性能進行檢驗。礦用蓄電池安標檢驗執(zhí)行標準也分為兩大類，鉛酸蓄電池檢驗標準主要依據(jù)《礦用特殊性鉛酸蓄電池》《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》(MT 658—2011)；礦用防爆鋰離子單體電池主要執(zhí)行《礦用鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求》(暫行)標準，主要參照QC/T 743—2006電動汽車用鋰離子蓄電池，電源裝置主要執(zhí)行《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》(暫行)。整車防爆電控系統(tǒng)主要參照GB 3836.1—GB 3836.4[8-10]。

3 技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 整車現(xiàn)狀

當前，礦用防爆鉛酸類蓄電池整車設(shè)計主要參照煤礦無軌輔助運輸要求，自主開發(fā)礦用防爆純電動車輛底盤，主要涉及有整體式承載底盤、兩段鉸接式底盤、三段回轉(zhuǎn)鉸接式底盤，載重范圍覆蓋3～80t；驅(qū)動方式主要有無級單電機變頻調(diào)速驅(qū)動、雙電機變頻調(diào)速驅(qū)動和四輪四電機變頻調(diào)速驅(qū)動控制三種類型，該類車輛應(yīng)用過程中暴露出傳動系統(tǒng)效率低、電池壽命低和作業(yè)時間短等問題，嚴重制約了該類車輛的進一步推廣。

礦用防爆鋰離子蓄電池車輛，國內(nèi)很多廠家和研究機構(gòu)都在研究礦用井下電動無軌運輸車輛，但主要集中在使用柴油機車身改裝的鋰電池運人車上?，F(xiàn)有電驅(qū)動車輛大部分是在傳統(tǒng)柴油機車的基礎(chǔ)上改裝而成，即用一個集中電機代替原來的發(fā)動機，動力通過電機、變速器、傳動軸、差速器和半軸等傳到車輪來驅(qū)動車輛前進。在其獨有的動力驅(qū)動系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等關(guān)鍵部件上未實現(xiàn)技術(shù)匹配[12]，造成整機重量大、行駛里程短、充電時間長、電機匹配困難、電池放電率過大等問題，成為制約新能源車輛在煤礦井下發(fā)展的瓶頸。

3.2 防爆驅(qū)動電機

礦用純電動防爆車輛用驅(qū)動電機不同于常規(guī)的工業(yè)電機和非防爆電動車輛用電機，根據(jù)其使用條件，一般要求電機具有效率高、功率大、過載能力強、質(zhì)量輕、尺寸小、可靠性好及成本低等特點。當前礦用純電動防爆車輛用驅(qū)動電機鉛酸類重型車輛主要采用交流異步電機及開關(guān)磁阻電機，而以鋰離子蓄電池為動力的車輛主要用于永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機，功率范圍覆蓋15～100kW，按照不同的動力需求，分別配置單電機、雙電機和四電機驅(qū)動。當前該類車輛應(yīng)用的防爆電機基本都是地面非防爆電機進行了防爆處理，未真正結(jié)合整車工況需求進行研制開發(fā)，使得整個電機高效區(qū)覆蓋整車工況的區(qū)域較小，導(dǎo)致整車常用工況下的電機及控制系統(tǒng)綜合效率未完全工作在高效區(qū)，整個驅(qū)動效率非常低[13-15]。

3.3 防爆動力電池現(xiàn)狀

目前國內(nèi)使用的防爆鉛酸電池單體主要參照煤礦相關(guān)標準在地面鉛酸電池的基礎(chǔ)上進行防爆改造，并將各個單體電池統(tǒng)一按照煤礦標準要求安裝在一個金屬制殼體內(nèi)，防爆鉛酸電池單體容量主要有530Ah、900Ah、1200Ah、2000Ah等規(guī)格，典型的鉛酸蓄電池電源裝置如圖1所示。

圖1 防爆鉛酸蓄電池電源裝置

防爆鉛酸蓄電池在應(yīng)用過程中暴露出以下幾個主要問題：

1)充電作業(yè)繁瑣，效率低，壽命短，成本高，主要體現(xiàn)在：專人維護，所加酸液要求指標高(如電導(dǎo)率大于100kΩ·cm)，一般難于達到，大量蓄電池提前失效或性能迅速衰減，壽命6～10個月；設(shè)備工作效率低下，運維成本高，平均充電時長10h；電源裝置與電池各自獨立，無法進行智能充電判斷；沒有專用的電池管理系統(tǒng)，電池長期處于無監(jiān)控狀態(tài)。

2)對環(huán)境產(chǎn)生對影響，主要體現(xiàn)在蓄電池充電時產(chǎn)生的酸霧嚴重污染周圍環(huán)境；蓄電池沖洗液排放；頻繁酸液配制產(chǎn)生大量污染物排放。

基于煤礦標準要求，礦用防爆鋰離子蓄電池當前使用的僅有磷酸鐵鋰電池，禁止采用鈷酸鋰電池，三元系鋰電池、錳酸鋰電池，同時單體需要需要完成過放電試驗、過充電試驗、短路試驗、跌落試驗、加熱試驗、擠壓試驗、金額針刺等試驗內(nèi)容，需要在國家安全標志中心進行備案。而整個電源裝置檢驗主要基于《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》標準，其中對電池的容量等基本要求、防爆要求以及電池管理系統(tǒng)(BMS)做了規(guī)定，常見的鋰離子蓄電池電源裝置如圖2所示。

圖2 防爆鋰離子蓄電池電源裝置

鑒于目前大容量鋰離子蓄電池的生產(chǎn)工藝和安全性能控制還存在諸多問題，單體電池的最大容量不超過100Ah；隔爆腔內(nèi)不允許單體電池和電池組有任何形式的并聯(lián)；單體電池在充、放電過程中的最大允許溫升不超過70℃，且須配備電池管理系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文通過對礦用純電動防爆車輛的現(xiàn)狀分析，得到如下結(jié)論：

1)目前，防爆鋰離子蓄電池車輛動力總成控制系統(tǒng)的設(shè)計多停留在基于地面車輛參考應(yīng)用上，針對煤礦特定工況、特定設(shè)備需求的研究尚未涉及。研究適用于礦井輔助運輸裝備的動力及控制系統(tǒng)，重點研究開發(fā)具有低速大扭矩及較寬范圍內(nèi)的恒功率特性，能夠較好適應(yīng)礦用純電動防爆車輛頻繁爬坡、制動、加減速等工況需求的動力傳動系統(tǒng)總成迫在眉睫。隨著我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要我國擁有獨立自主研發(fā)的性能良好的礦用純電動車輛用動力總成控制系統(tǒng)。

2)防爆動力電池技術(shù)一直是制約礦用純電動車輛發(fā)展的關(guān)鍵因素，是影響純電動防爆車輛續(xù)航里程和進一步大面積推廣的主要制約因素，是純電動防爆車輛發(fā)展中存在的最大問題，電池性能的提高、壽命的延長、成本的降低及電池管理系統(tǒng)的日趨成熟對純電動防爆車輛的普及至關(guān)重要。同時研制開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)對電池參數(shù)的實施監(jiān)測及充放電管理功能，具備自主故障診斷能力，安全可靠、比能量較高的礦用鋰離子電源裝置也極其重要。

3)研究攻克礦用純電動防爆車輛“大腦”的整車控制系統(tǒng)等重大共性關(guān)鍵技術(shù)，徹底完成該共性技術(shù)及關(guān)鍵零部件的突破，縮短該項技術(shù)與國外的差距，突破國外對該項技術(shù)及關(guān)鍵元部件的技術(shù)封鎖，提升礦用純電動防爆車輛的核心技術(shù)。能量回收系統(tǒng)對于節(jié)約能源、提高整車續(xù)駛里程有著非常重要的意義。

4)隨著國家政策的不斷出臺，礦用純電動車輛相關(guān)技術(shù)的突破，并將核心技術(shù)應(yīng)用于純電動防爆車輛上，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)人員、設(shè)備和物料等的運輸，可以有效改善井下工作環(huán)境并實現(xiàn)節(jié)能減排，為未來煤礦井下無軌輔助運輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展提供方向，后期具有良好的市場前景。