電牽引單軌吊機(jī)車蓄電池的研究

楊志林，靳勝利

（1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安環(huán)保能源股份有限公司漳村煤礦）

電牽引單軌吊機(jī)車蓄電池的研究

楊志林1，靳勝利2

（1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安環(huán)保能源股份有限公司漳村煤礦）

分析了我國目前電牽引單軌吊機(jī)車蓄電池的優(yōu)點和不足，研究了動力電池，最后得出結(jié)論認(rèn)為：水平鉛網(wǎng)電池是電牽引單軌吊機(jī)車動力電池的首選，并提出了水平鉛網(wǎng)電池的技術(shù)方案。

煤礦動力電池；單軌吊機(jī)車；輔助運(yùn)輸；鉛網(wǎng)電池

單軌吊機(jī)車是井下輔助運(yùn)輸設(shè)備。目前國內(nèi)煤礦用的單軌吊機(jī)車，有進(jìn)口的柴油機(jī)單軌吊機(jī)車和國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車。國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車具有無污染、低噪音、節(jié)能等特點，填補(bǔ)了國內(nèi)井下輔助運(yùn)輸領(lǐng)域的一項空白并達(dá)到國際先進(jìn)水平。但是制約國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車的關(guān)鍵因素是它使用的鉛酸蓄電池不理想，存在著體積大、重量重、使用時間有限、持續(xù)供電能力差的問題。有必要研究一種煤礦用的動力蓄電池，用以提高國產(chǎn)單軌吊機(jī)車蓄電池的比能量和比功率、延長使用壽命。

1 國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車的蓄電池技術(shù)參數(shù)

目前國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車蓄電池組，由108塊單體為2V，560Ah的電池串聯(lián)而成，總?cè)萘繛?60Ah、216V，總自重為5060kg，總體積為3400 mm（長）×860mm（寬）×960mm（高），總功率為41.5 kW。單軌吊機(jī)車工作性質(zhì)為不連續(xù)工作，每8h充電一次。

2 現(xiàn)行動力蓄電池比較

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用于汽車的起動動力源，是較成熟的動力蓄電池；它的可靠性好、安全性能高、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足國產(chǎn)單軌吊機(jī)車的動力要求。但它有兩大缺點；一是比能量低，質(zhì)量和體積大，且一次充電行駛里程較短；二是使用壽命短，使用成本高。

2.2 鉛網(wǎng)水平電池

水平電池技術(shù)是近年發(fā)展的先進(jìn)的鉛酸蓄電池技術(shù)，1985年美國開始研究水平電池技術(shù)，歷經(jīng)十多年，投資超過8 000萬美元，才轉(zhuǎn)化為實用化商品，采用了新的材料和設(shè)計理念。與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，采用復(fù)合鉛絲技術(shù)制造的水平電池，具有以下顯著特點：重量比能量高，電池的重量至少降低25%；電阻小，電流分布均勻，大電流充放電性能好；極板水平放置，減輕了濃差極化，提高了電池的抗沖擊性能，避免了由于活性物質(zhì)脫落引起的電池短路，延長了電池使用壽命；電池準(zhǔn)雙極結(jié)構(gòu)，極板直接連通，取消了單體間的匯流排和極柱，縮短了工藝路線，提高了電池制造的可靠性；鉛網(wǎng)水平電池應(yīng)屬于安全免維護(hù)電池。

2.3 鋰離子蓄電池

鋰電池被列為動力蓄電池的長期開發(fā)目標(biāo)，鋰電池的種類繁多。近年來發(fā)展的聚合物鋰離子電池，又稱固態(tài)鋰離子電池，以鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等材料為正極，碳材料為負(fù)極，并采用鋁塑膜外包裝；不僅具有液態(tài)鋰離子電池的高電壓、長壽命、放電電壓平穩(wěn)、清潔無污染等特點，而且消除了液態(tài)鋰離子電池存在爆炸的安全隱患，安全性能已通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，尤其是磷酸鐵鋰電池的安全性能更得到了廣泛的認(rèn)可，經(jīng)擠壓、針刺、短路等極端工況下不起火、不燃燒、不爆炸；其比能量為100 Wh／kg，比功率為200 W/kg，循環(huán)使用壽命為1200次，充電時間2～4h。缺點是價格昂貴，還沒有大容量的電池生產(chǎn)，充電均衡保護(hù)電路復(fù)雜，不適宜在煤礦井下使用。

2.4 鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池屬于堿性電池，目前應(yīng)用程度僅次于鉛酸蓄電池，其比能量達(dá)55 Wh／kg，比功率超過190 W／kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長，達(dá)到2 000多次，是鉛酸蓄電池的兩倍多，但是價格為鉛酸蓄電池的4～5倍，且存在重金屬污染問題。

2.5 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池屬于堿性電池，其特性與鎳鎘蓄電池相似，但其不含鎘、銅，不存在重金屬污染問題；它的比能量達(dá)75～80 Wh/kg，比功率達(dá)160～230 W／kg，循環(huán)使用壽命超過600次。由于當(dāng)前沒有成熟的600 Ah電池產(chǎn)品，只能采用6個100Ah并聯(lián)的方式擴(kuò)大容量，但是并聯(lián)方式容易導(dǎo)致各組電池內(nèi)部之間（由于電壓和內(nèi)阻不均）引起回流現(xiàn)象，輕則使電池容量受損，重則導(dǎo)致電池組燒毀。如果采用各單組分別供電，需用繼電器在帶電工況下實現(xiàn)無間隙切換，這在高電壓大電流切換瞬間，繼電器因電弧很容易被燒毀，會對煤礦安全造成隱患。

2.6 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池是近期普遍看好的動力蓄電池，比能量達(dá)109Wh／kg，循環(huán)使用壽命1200次。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴(yán)重，電池壽命較短，性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題，因此不適宜煤礦井下使用。

2.7 鋅空氣電池

鋅空氣電池的潛在比能量約200 Wh/kg左右。美國DEMI公司為電動汽車開發(fā)的鋅空氣電池的比能量已達(dá)160 Wh／kg，但它目前仍有壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點。其局限性是：由于鋅空電池采用換電板的方法，當(dāng)用完電后，需更換電池鋅板；對于舊電池鋅板抽取鋅膏和注入鋅膏，都需要專門的工藝和設(shè)備，使用成本是鉛酸蓄電池的數(shù)倍。再者，單軌吊機(jī)車的重力勢能所產(chǎn)生的電能，不能回饋給鋅空氣電池，單軌吊機(jī)車在制動和下坡時，存在很大的安全隱患。

3 技術(shù)方案

綜上分析，考慮性價比、比能量、比功率，以及煤礦安全要求，宜選鉛網(wǎng)水平電池做為煤礦動力電池使用。所以我們提出了鉛網(wǎng)水平電池技術(shù)方案：它由EV85單體電池組成216 V，595Ah的動力電池組，EV85單體電池額定電壓12V，額定容量85Ah，體積為768mm（長）×128mm（寬）×122（高）mm，即由7只單體EV85電池并聯(lián)成電池組，再由18個這樣的電池組串聯(lián)，組成國產(chǎn)防爆蓄電池單軌吊機(jī)車所需要的電源，技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)稱容量：595Ah。標(biāo)稱電壓216V。循環(huán)使用壽命為600次。工作溫度為-40°C到50°C。充電時間：充電電流為315A時，充電時間3.5 h。體積：2 688 mm（長）×810 mm（寬）×732（高）mm。重量為3.2 t。放電時間：放電電流150 A時，可連續(xù)工作4 h?？們r格約為20萬元。

水平電池的充電方式與富液電池不同，水平電池不能連續(xù)在高電壓下充電；否則，將會使電池嚴(yán)重失水，導(dǎo)致電池過早損壞；而且水平電池也不能充電不足，這樣硫酸鉛就不能充分轉(zhuǎn)變成二氧化鉛或者金屬鉛，長時間下去，硫酸鉛的晶體就會堆積在電池極板表面，從而影響電池性能，使電池壽命過早終結(jié)。所以，正確的充電方法是決定水平電池循環(huán)壽命的最重要的因素。

Abstract:The paper introduces the strengths and weaknesses of the storage batteries used in electricity-drag monorail hanging locomotive in China.After the study of power batteries,the authors conclude that horizontal lead-net battery should be the best choice and its technical scheme is presented.

Keywords:mine power batteries;monorail hanging locomotive;auxiliary transportation;lead-net batteries

編輯：劉新光

Research on Storage Batteries of Electricity-Drag Monorail Hanging Locomotive

YANG Zhi-lin1,JIN Sheng-li2
（1.Shanxi Agricultural Mechanization Institute of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030031,China;2.Zhangcun Mine,Lu'an Environmental Energy Co.,Lu'an Shanxi 046032,China）

TD64+2

A

1672-5050（2010）07-0066-02

2010-03-18

楊志林（1965—），男，山西稷山人，大學(xué)本科，高級工程師，從事工業(yè)電氣自動化控制方面工作。