煤礦輔助運(yùn)輸牽引電池選用問(wèn)題探討

胡興志，羅建國(guó)，張立洋，李學(xué)哲，于潤(rùn)祥

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東菏澤 274705)

煤礦輔助運(yùn)輸牽引電池選用問(wèn)題探討

胡興志1，羅建國(guó)1，張立洋2，李學(xué)哲1，于潤(rùn)祥1

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東菏澤 274705)

煤礦輔助運(yùn)輸牽引方式由鋼絲繩牽引向柴油機(jī)、蓄電池牽引發(fā)展，柴油機(jī)存在著環(huán)境污染問(wèn)題，決定了蓄電池牽引方式成為一個(gè)令人關(guān)注的發(fā)展方向?？疾炷壳懊旱V蓄電池牽引常見(jiàn)電池，本文綜合考慮各類(lèi)指標(biāo)及潛在提升空間，認(rèn)為鋰離子電池成為當(dāng)前動(dòng)力電池的主要發(fā)展方向。另外，新近出現(xiàn)的其他新型高性能電池、再生制動(dòng)控制系統(tǒng)和復(fù)式能源電機(jī)車(chē)也是值得關(guān)注的方向。

煤礦；輔助運(yùn)輸；蓄電池

0 引言

煤礦井下輔助運(yùn)輸是整個(gè)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸使用人員較多，效率不高，裝備水平相比采煤技術(shù)、采掘機(jī)械化程度以及主運(yùn)輸系統(tǒng)的裝備水平等并未得到同步發(fā)展，安全性、舒適性跟不上時(shí)代要求。我國(guó)煤礦輔助運(yùn)輸作業(yè)人員占井下職工總數(shù)的1/3以上，有些礦井甚至達(dá)到一半。綜采礦井每采百萬(wàn)噸煤輔助運(yùn)輸用工500人至1200人，是世界先進(jìn)水平的7倍至10倍。輔助運(yùn)輸條件嚴(yán)重影響了我國(guó)煤礦的全員效率，與安全高產(chǎn)高效礦井建設(shè)很不適應(yīng)[1]。

煤礦井下輔助運(yùn)輸日益成為各個(gè)煤炭企業(yè)重視的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高其裝備水平成為各企業(yè)的重點(diǎn)工作，牽引方式由鋼絲繩牽引向柴油機(jī)、蓄電池牽引發(fā)展，設(shè)備類(lèi)型由輕型向重型設(shè)備發(fā)展，設(shè)備功能由單一向多種功能發(fā)展，運(yùn)輸方式由有軌運(yùn)輸向無(wú)軌運(yùn)輸發(fā)展[2]。

但柴油機(jī)存在著環(huán)境污染問(wèn)題，在這種情況下，蓄電池牽引方式成為一個(gè)令人關(guān)注的發(fā)展方向。從技術(shù)角度看，蓄電池牽引中電池性能已成為制約實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最關(guān)鍵因素。理想的礦用電池要求安全性好、綠色環(huán)保、具有高能量密度和高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低。

考察蓄電池牽引電池的性能指標(biāo)包括能量密度、功率密度、使用壽命、快速充電性能等幾個(gè)方面，分別用于描述電池的續(xù)航能力、加速和最高車(chē)速性能、循環(huán)使用次數(shù)、充電所需時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)性能[3]。目前鋰離子電池技術(shù)雖已取得一系列可喜進(jìn)展，但在能量密度、使用壽命、以及快充性能方面仍有待突破，這些指標(biāo)直接決定蓄電池牽引整體性能和市場(chǎng)價(jià)格，也深刻影響著電能補(bǔ)給方式、運(yùn)營(yíng)模式和用戶(hù)接受程度。

1 常用蓄電池性能對(duì)比

(1) 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是目前得最為廣泛的電池。鉛酸蓄電池，具有成熟的技術(shù)，可以大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，價(jià)格便宜。盡管新電池技術(shù)不斷地產(chǎn)生，但鉛酸蓄電池由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)至今仍作為動(dòng)力源大量應(yīng)用。表1所示為鉛酸蓄電池的性能指標(biāo)和作為動(dòng)力源的應(yīng)用情況。

表1 鉛酸蓄電池的

(2) 鎳氫電池

相對(duì)鉛酸電池，鎳氫電池在能量體積密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。這項(xiàng)技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)包括:更高的運(yùn)行電壓、比能量和比功率，較好的過(guò)度充放電耐受性和熱性能[4]。

表2 鎳氫電池的性能指標(biāo)

(3) 鋰離子電池

可以看出，相較鎳氫電池，鋰離子電池具有相對(duì)較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫電池的3倍。鋰離子電池體積小，質(zhì)量輕，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，無(wú)記憶效應(yīng)且無(wú)污染;電池單個(gè)性能指標(biāo)的數(shù)值范圍跨度大，這是因?yàn)殇囯x子電池有較多的電極組合，它們?cè)谛阅苌洗嬖谝欢ǖ牟町怺5]。

表3 鋰離子電池的性能指標(biāo)

(4) 三種電池性能對(duì)比

圖1為鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)的比能量、比功率、安全性等基本性能。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，目前這幾種電池技術(shù)仍然沒(méi)有一種能夠占據(jù)每個(gè)方面性能的優(yōu)勢(shì)地位。這說(shuō)明目前在蓄電池牽引應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)這些不同種類(lèi)電池共存情況的原因，也是各種電池技術(shù)在不同程度上存在的缺陷導(dǎo)致蓄電池牽引的發(fā)展受到制約而未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的原因[6]。

圖1 電池性能比較

由圖1可以看出，在目前市場(chǎng)上的電池中，鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價(jià)格和安全性方面處于劣勢(shì)以外，其他方面均處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，有進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。因此綜合考慮各類(lèi)指標(biāo)及潛在提升空間，鋰離子電池成為當(dāng)前動(dòng)力電池的主要發(fā)展方向。

2 其他新型高性能電池

比如，近年來(lái)出現(xiàn)了一種高能鎳碳超級(jí)電容電池，這種電池集鎳氫電池和超級(jí)電容電池的優(yōu)點(diǎn)于一身，具體來(lái)說(shuō)，這種電池有五大特點(diǎn)：第一，容量高。體積和重量比容量是目前車(chē)用超級(jí)電容電池的10倍，已接近鋰離子動(dòng)力電池比能量的2/3；第二，循環(huán)壽命長(zhǎng)。該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)壽命5萬(wàn)次以上，實(shí)際使用充放電循環(huán)已達(dá)1.5 萬(wàn)次，超級(jí)電容電池使用壽命可達(dá)蓄電池的25～100倍；第三，充放電效率高。充電10分鐘即可達(dá)到其額定容量的95%以上，大電流放電能力強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高；第四，安全環(huán)保。該產(chǎn)品具有良好的高低溫性能與環(huán)境適應(yīng)性，可在零下40℃至零上70℃之間正常使用[7]。尤其是由于采用了水系電解液，制造工藝嚴(yán)格，電池過(guò)充或短路也不會(huì)導(dǎo)致致命危險(xiǎn)，外部劇烈撞擊或燃燒也不會(huì)爆炸，使用安全可靠。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了零排放，推廣應(yīng)用后，將大大緩解由汽車(chē)尾氣造成的城市大氣污染。同時(shí)，超級(jí)電容采用無(wú)污染材料制造，可全部回收利用，是真正的綠色環(huán)保產(chǎn)品；第五，性?xún)r(jià)比高。超級(jí)電容用于純電動(dòng)汽車(chē)的全壽命費(fèi)用僅為鋰離子電池的1/3，其電動(dòng)車(chē)的綜合運(yùn)營(yíng)成本大大低于蓄電池。一套電源可供4輛車(chē)連續(xù)使用，比鋰離子電池的綜合成本降低80%以上。

3 再生制動(dòng)控制系統(tǒng)

制約蓄電池牽引發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是它的續(xù)駛里程問(wèn)題，而再生制動(dòng)可以節(jié)約能源、提高續(xù)駛里程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。同時(shí)，再生制動(dòng)還可以減少剎車(chē)片的磨損，降低車(chē)輛故障率及使用成本。

圖2所示為蓄電池牽引再生制動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由超級(jí)電容或飛輪及其控制器組成，而利用超級(jí)電容或飛輪吸收再生制動(dòng)能量，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況，將一部分動(dòng)能或重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容或飛輪中，由于超級(jí)電容或飛輪的功率密度大，因此可以更快速、高效地吸收電機(jī)回饋能量。在車(chē)輛起動(dòng)和加速時(shí)，利用雙向DC /DC將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，協(xié)助電池向電機(jī)供電，不但增加了蓄電池牽引一次充電的行駛里程，而且避免了蓄電池的大電流放電，達(dá)到了節(jié)省能源、降低剎車(chē)片磨損和提高蓄電池壽命的目的。

4 復(fù)式能源電機(jī)車(chē)

這是一種架線(xiàn)蓄電池兩用機(jī)車(chē)。這種機(jī)車(chē)在有架空線(xiàn)巷道運(yùn)行區(qū)段，將集電弓升起，從架線(xiàn)獲取電能向電機(jī)供電，同時(shí)向車(chē)載蓄電池充電以備用。

圖2 蓄電池牽引再生制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)車(chē)到無(wú)架空線(xiàn)區(qū)段運(yùn)行時(shí)，將集電弓降下，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成由蓄電池供電。這就免除了到井下充電硐室充電的環(huán)節(jié)，因而，節(jié)省了充電設(shè)備和充電時(shí)間，也省去了更換蓄電池電源箱的繁重體力勞動(dòng)。復(fù)式能源電機(jī)車(chē)克服了架線(xiàn)電機(jī)車(chē)和蓄電池機(jī)車(chē)的缺點(diǎn)，保留了它們的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行安全可靠，機(jī)動(dòng)靈活，沒(méi)有排氣污染，運(yùn)轉(zhuǎn)熱量小，噪音低，是環(huán)保型的機(jī)車(chē)。該機(jī)車(chē)的運(yùn)行成本較低[8]。在有架空線(xiàn)區(qū)段運(yùn)行時(shí)機(jī)車(chē)自動(dòng)充電，節(jié)省了充電時(shí)間和繁雜的充電管理程序?？衫镁卢F(xiàn)有的軌道系統(tǒng)，不需作任何改造。機(jī)車(chē)的使用范圍大大拓寬了。不僅能在大巷運(yùn)行，也可在采區(qū)運(yùn)行?？蓪?shí)現(xiàn)從井底車(chē)場(chǎng)，甚至從地面(當(dāng)平恫或斜井開(kāi)拓時(shí))直至采掘工作面端頭不經(jīng)轉(zhuǎn)載的直達(dá)運(yùn)輸。從而大大減少了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，提高了運(yùn)輸效率。

5 結(jié)論

分析目前煤礦蓄電池牽引常見(jiàn)電池的性能指標(biāo)包括能量密度、功率密度、使用壽命、快速充電性能等幾個(gè)方面可以看出，綜合考慮各類(lèi)指標(biāo)及潛在提升空間，鋰離子電池成為當(dāng)前煤礦輔助運(yùn)輸動(dòng)力電池的主要發(fā)展方向，有進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。另外，煤礦輔助無(wú)軌運(yùn)輸上新近出現(xiàn)一些技術(shù)，比如新型高性能電池、再生制動(dòng)控制系統(tǒng)和復(fù)式能源電機(jī)車(chē)等也是值得關(guān)注的方向。

[1] 趙書(shū)利，金岑，喻濟(jì)兵.鋰離子蓄電池技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].船電技術(shù)，2009(12):52-54.

[2] 陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)「M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

[3] 袁曉明.煤礦車(chē)輛用蓄電池技術(shù)[J].工礦自動(dòng)化,2011(6):26-28.

[4] 胡興志.被動(dòng)式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2014(6):36-38.

[5] 胡興志.基于Simulink電動(dòng)輪礦用自卸車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)建模仿真[J].煤礦機(jī)械,2015(9):32-35.

[6] 張勇.美國(guó)煤礦安全生產(chǎn)立法及對(duì)我國(guó)的啟示[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2002(4):54-56.

[7] 楊華.我國(guó)煤炭管理體制深層次問(wèn)題探討[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005(4):34-36.

[8] 劉過(guò)兵.中國(guó)煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀分析及對(duì)策研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2002(2):15-18.

Discussion on the selection of traction battery for auxiliary transport in coal mine

HU Xing-zhi1，LUO Jian-guo1，ZHANG Li-yang2，LI Xue-zhe1，YU Rui-xiang1

(1.NorthchinaInstitwteofscienceandTechnology，Yanjiao，101601；2.ZhaolonCoalMineofHezeEnergyandchemicalcompanyLtd.，YanzhouCoalMiningCompanyLtd.，Heze，274705，China)

Coal mine auxiliary transportation storage by way of traction wire rope traction to the diesel engine,diesel traction battery development,environmental pollution exists,determines the mode of traction battery become an important development direction.In this paper,we consider all kinds of indexes and potential lifting space,which is considered as the main development direction of the current power battery.In addition,the recent emergence of other new high-performance batteries,regenerative braking control system and dual energy motor vehicles is also worth the attention of the direction.

coal mine; auxiliary transportation; storage battery

2016-05-21

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142013099，3142015023，3142013095)

胡興志(1971-)，男，安徽碭山人,碩士，華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎夤こ?、機(jī)電一體化、控制工程、機(jī)電安全等。E-mail：huxingzhi@ncist.edu.cn

TD525

A

1672-7169(2016)04-0049-03