礦用純電動(dòng)防爆車(chē)輛發(fā)展現(xiàn)狀綜述

周密林

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

消費(fèi)過(guò)剩導(dǎo)致資源、安全、環(huán)境等方面的問(wèn)題和矛盾仍然突出，產(chǎn)業(yè)升級(jí)、結(jié)構(gòu)調(diào)整、深刻革命刻不容緩。國(guó)家對(duì)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(fèi)上走出一條綠色低碳的道路，只有這樣才會(huì)有發(fā)展的空間，才會(huì)有發(fā)展的未來(lái)[1]。國(guó)家2025 規(guī)劃“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、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(guó)家的整體戰(zhàn)略計(jì)劃，也為我國(guó)煤礦事業(yè)的整體發(fā)展指明了方向。

“十一五”期間，我國(guó)煤礦井下以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力的無(wú)軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)使用防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的礦井有700 余處，使用總量在16000臺(tái)以上。無(wú)軌輔助運(yùn)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但也暴露出了諸多弊端。一方面，該類(lèi)車(chē)輛以柴油為動(dòng)力燃料，能源消耗量大、高噪音、高排放問(wèn)題顯得格外突出。在國(guó)家節(jié)能減排的大政策號(hào)召下，迫切需要采用清潔可再生能源動(dòng)力的車(chē)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(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的強(qiáng)噪音、大排放、高油耗等“四高一低”問(wèn)題日益凸顯，嚴(yán)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，礦用純電動(dòng)車(chē)輛已成為未來(lái)煤礦井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展方向[3-6]，真正實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸設(shè)備的純電動(dòng)、低污染和零排放，高效地解決使用防爆柴油機(jī)車(chē)輛暴露出的噪音污染、尾氣污染、油耗大等問(wèn)題。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

礦用純電動(dòng)防爆車(chē)輛按照動(dòng)力電池類(lèi)型可以劃分為防爆鉛酸類(lèi)蓄電池車(chē)輛和防爆鋰離子蓄電池車(chē)輛。鉛酸類(lèi)蓄電池類(lèi)車(chē)輛主要集中在大噸位的鏟板式支架搬運(yùn)車(chē)和多功能作業(yè)車(chē)，進(jìn)口車(chē)輛主要為比塞洛斯VTC636、VTC650、VTC680、 488鏟車(chē)，應(yīng)用地點(diǎn)主要集中在神東公司，應(yīng)用數(shù)量分別為16臺(tái)、24臺(tái)、5臺(tái)和28臺(tái)。國(guó)產(chǎn)車(chē)輛主要為山西天地煤機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的CLX3、 WJX-7FB、 WJX-10FB礦用蓄電池鏟運(yùn)機(jī)、WX35J、WX45J、WX80J蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)以及航天重裝WX100J蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)，應(yīng)用地點(diǎn)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(chē)輛受行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、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(yùn)人車(chē)和運(yùn)料車(chē)，主要生產(chǎn)廠家有石家莊煤機(jī)、航天重裝、常州科試、深圳德塔和山西天地煤機(jī)裝備有限公司，用戶主要集中在神東礦區(qū)，總體市場(chǎng)占有量在200臺(tái)左右。

2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

當(dāng)前純電動(dòng)防爆車(chē)輛整車(chē)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)分為兩大類(lèi)，以鉛酸電池為動(dòng)力的車(chē)輛主要依據(jù)防爆柴油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)《防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》(MT/T 989)和JB/T 5500—2015防爆電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)執(zhí)行[7，11]；以鋰離子蓄電池為動(dòng)力的車(chē)輛主要依據(jù)《煤礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車(chē)輛安全技術(shù)要求》(試行)，同時(shí)引入北方車(chē)輛技術(shù)研究所對(duì)整車(chē)性能進(jìn)行檢驗(yàn)。礦用蓄電池安標(biāo)檢驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也分為兩大類(lèi)，鉛酸蓄電池檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，主要參照QC/T 743—2006電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)現(xiàn)狀

當(dāng)前，礦用防爆鉛酸類(lèi)蓄電池整車(chē)設(shè)計(jì)主要參照煤礦無(wú)軌輔助運(yùn)輸要求，自主開(kāi)發(fā)礦用防爆純電動(dòng)車(chē)輛底盤(pán)，主要涉及有整體式承載底盤(pán)、兩段鉸接式底盤(pán)、三段回轉(zhuǎn)鉸接式底盤(pán)，載重范圍覆蓋3～80t；驅(qū)動(dòng)方式主要有無(wú)級(jí)單電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、雙電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)和四輪四電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制三種類(lèi)型，該類(lèi)車(chē)輛應(yīng)用過(guò)程中暴露出傳動(dòng)系統(tǒng)效率低、電池壽命低和作業(yè)時(shí)間短等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了該類(lèi)車(chē)輛的進(jìn)一步推廣。

礦用防爆鋰離子蓄電池車(chē)輛，國(guó)內(nèi)很多廠家和研究機(jī)構(gòu)都在研究礦用井下電動(dòng)無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛，但主要集中在使用柴油機(jī)車(chē)身改裝的鋰電池運(yùn)人車(chē)上?，F(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛大部分是在傳統(tǒng)柴油機(jī)車(chē)的基礎(chǔ)上改裝而成，即用一個(gè)集中電機(jī)代替原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力通過(guò)電機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、差速器和半軸等傳到車(chē)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。在其獨(dú)有的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等關(guān)鍵部件上未實(shí)現(xiàn)技術(shù)匹配[12]，造成整機(jī)重量大、行駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、電機(jī)匹配困難、電池放電率過(guò)大等問(wèn)題，成為制約新能源車(chē)輛在煤礦井下發(fā)展的瓶頸。

3.2 防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)

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

3.3 防爆動(dòng)力電池現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)使用的防爆鉛酸電池單體主要參照煤礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在地面鉛酸電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行防爆改造，并將各個(gè)單體電池統(tǒng)一按照煤礦標(biāo)準(zhǔn)要求安裝在一個(gè)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(guò)程中暴露出以下幾個(gè)主要問(wèn)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(zhuān)人維護(hù)，所加酸液要求指標(biāo)高(如電導(dǎo)率大于100kΩ·cm)，一般難于達(dá)到，大量蓄電池提前失效或性能迅速衰減，壽命6～10個(gè)月；設(shè)備工作效率低下，運(yùn)維成本高，平均充電時(shí)長(zhǎng)10h；電源裝置與電池各自獨(dú)立，無(wú)法進(jìn)行智能充電判斷；沒(méi)有專(zhuān)用的電池管理系統(tǒng)，電池長(zhǎng)期處于無(wú)監(jiān)控狀態(tài)。

2)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生對(duì)影響，主要體現(xiàn)在蓄電池充電時(shí)產(chǎn)生的酸霧嚴(yán)重污染周?chē)h(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(biāo)準(zhǔn)要求，礦用防爆鋰離子蓄電池當(dāng)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(shí)單體需要需要完成過(guò)放電試驗(yàn)、過(guò)充電試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、加熱試驗(yàn)、擠壓試驗(yàn)、金額針刺等試驗(yàn)內(nèi)容，需要在國(guó)家安全標(biāo)志中心進(jìn)行備案。而整個(gè)電源裝置檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)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(jiàn)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(wèn)題，單體電池的最大容量不超過(guò)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(guò)程中的最大允許溫升不超過(guò)70℃，且須配備電池管理系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)礦用純電動(dòng)防爆車(chē)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(chē)輛動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多停留在基于地面車(chē)輛參考應(yīng)用上，針對(duì)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(yùn)輸裝備的動(dòng)力及控制系統(tǒng)，重點(diǎn)研究開(kāi)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(dòng)防爆車(chē)輛頻繁爬坡、制動(dòng)、加減速等工況需求的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總成迫在眉睫。隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要我國(guó)擁有獨(dú)立自主研發(fā)的性能良好的礦用純電動(dòng)車(chē)輛用動(dòng)力總成控制系統(tǒng)。

2)防爆動(dòng)力電池技術(shù)一直是制約礦用純電動(dòng)車(chē)輛發(fā)展的關(guān)鍵因素，是影響純電動(dòng)防爆車(chē)輛續(xù)航里程和進(jìn)一步大面積推廣的主要制約因素，是純電動(dòng)防爆車(chē)輛發(fā)展中存在的最大問(wèn)題，電池性能的提高、壽命的延長(zhǎng)、成本的降低及電池管理系統(tǒng)的日趨成熟對(duì)純電動(dòng)防爆車(chē)輛的普及至關(guān)重要。同時(shí)研制開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池參數(shù)的實(shí)施監(jiān)測(cè)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(dòng)防爆車(chē)輛“大腦”的整車(chē)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(xiàng)技術(shù)與國(guó)外的差距，突破國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)及關(guān)鍵元部件的技術(shù)封鎖，提升礦用純電動(dòng)防爆車(chē)輛的核心技術(shù)。能量回收系統(tǒng)對(duì)于節(jié)約能源、提高整車(chē)?yán)m(xù)駛里程有著非常重要的意義。

4)隨著國(guó)家政策的不斷出臺(tái)，礦用純電動(dòng)車(chē)輛相關(guān)技術(shù)的突破，并將核心技術(shù)應(yīng)用于純電動(dòng)防爆車(chē)輛上，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)人員、設(shè)備和物料等的運(yùn)輸，可以有效改善井下工作環(huán)境并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為未來(lái)煤礦井下無(wú)軌輔助運(yùn)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(chǎng)前景。