礦用防爆電動(dòng)人車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

祁宏

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

0 引言

隨著煤礦井下無(wú)軌柴油機(jī)車輛的推廣使用，井下工作環(huán)境問題已不可忽視。井下發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)還不夠成熟，產(chǎn)生的尾氣和噪音對(duì)井下工作人員的健康造成很大危害。此外，柴油機(jī)經(jīng)過防爆處理后，對(duì)氧氣的要求增加，車輛能耗相對(duì)較高，在通風(fēng)不好的巷道中動(dòng)力不足，成為煤礦無(wú)軌輔助運(yùn)輸發(fā)展的瓶頸和制約我國(guó)煤炭生產(chǎn)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著鋰離子電池安全性能的提高，以鋰離子電池組為動(dòng)力源的純電動(dòng)防爆車輛因其純電動(dòng)、零排放、噪音低等特點(diǎn)，有效地解決了當(dāng)前柴油機(jī)防爆車輛推廣應(yīng)用中出現(xiàn)的噪音大、尾氣污染、油耗高、運(yùn)行成本高和工人勞動(dòng)強(qiáng)大等一系列問題，越來(lái)越受到煤礦用戶的青睞和重視[1]。

我國(guó)煤礦數(shù)量眾多、分布廣泛，井下無(wú)軌膠輪車的運(yùn)行條件惡劣，且復(fù)雜多變[2]。防爆蓄電池人車用于煤礦井下工作人員的運(yùn)輸，使用礦井分斜井與豎井2種。前者車輛行駛距離一般相對(duì)較遠(yuǎn)，需從井口將工作人員運(yùn)送到工作面，行駛路面還有一定的坡度，工況相對(duì)復(fù)雜，如神東煤炭集團(tuán)大柳塔礦、中煤華晉王家?guī)X礦等[3]。后者使用工況相對(duì)簡(jiǎn)單，人員和車輛都是先通過罐籠下井，再通過車輛將工作人員運(yùn)送到工作面，一般行駛距離相對(duì)較短，路面坡度小，如鄂爾多斯永煤礦業(yè)馬泰壕煤礦、陜西富源煤礦等。人車一般是在工作人員上下班時(shí)使用，其余時(shí)間可以對(duì)車輛進(jìn)行維護(hù)及充電，使用時(shí)間集中，工作環(huán)境相對(duì)較好。隨著防爆電源技術(shù)、電機(jī)技術(shù)的逐步成熟，防爆鋰電池人車完全能夠滿足礦井的使用要求，并有取代柴油機(jī)人車的趨勢(shì)。

1 車輛整體技術(shù)要求

整車結(jié)構(gòu)主要由特殊底盤、全封閉整體式車身、整車控制系統(tǒng)、防爆鋰離子電池箱及電池管理系統(tǒng)、防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、零排放、低噪音等特點(diǎn)。

2 車輛各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 車身與車架設(shè)計(jì)

車身部分是由骨架、地板、車身組成的半承載結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它采用抗靜電阻燃復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，上下兩層為CF碳纖維阻燃外層，中間填充高強(qiáng)度FRP玻璃鋼抗靜電里料層，并采用多層多角度鋪層，以保證車輛在惡劣工況下的安全性。通過三維軟件建模，對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并采用符合煤礦工況的人機(jī)工程學(xué)布局設(shè)計(jì)，視野開闊，駕駛舒適。

底盤的設(shè)計(jì)直接影響車輛的承載與運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)主要由車架、懸掛及輪胎等部分組成。在開發(fā)過程中，采用主副一體式車架結(jié)構(gòu)，對(duì)車架建模進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及強(qiáng)度校核，并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。采用少片等長(zhǎng)鋼板彈簧，在保證車輛承載的情況下，既減輕車重又提高車輛的乘坐舒適性。

2.2 動(dòng)力總成設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成是車輛正常運(yùn)行的核心，其性能直接影響車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及平順性。這里主要介紹行走防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、傳動(dòng)比的確定及續(xù)航里程的計(jì)算[4]。

2.2.1 防爆驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇

基于目前永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的成熟度，以及永磁同步電動(dòng)機(jī)體積小、質(zhì)量輕、功率密度高、高效區(qū)及調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，防爆永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為井下蓄電池人車的首選。

1) 功率。功率是選取行走電動(dòng)機(jī)的主要依據(jù)。一般車輛的動(dòng)力性與所選電機(jī)的功率成正比。但是隨著電動(dòng)機(jī)功率的增加，電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量也會(huì)增加，影響電機(jī)的工作效率，不利于車輛的能量利用率，降低車輛的續(xù)航里程。由于井下車輛速度低，下面的計(jì)算只考慮了滾動(dòng)阻力和坡度阻力：

(1)

(2)

式中：Pe為最高車速時(shí)所需的功率；vmax為最高車速；ηt為傳動(dòng)系機(jī)械效率；m為整備質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為最大爬坡度；vi為爬坡速度；Pa為最大爬坡時(shí)所需的功率。根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得：P≥28 kW，本次設(shè)計(jì)選擇P=30 kW。

2) 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間、高效工作的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)滿足車輛較長(zhǎng)距離爬坡的需求，通常按照車輛7°坡連續(xù)運(yùn)行3 km的工況進(jìn)行考核。最大轉(zhuǎn)矩為電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載轉(zhuǎn)矩，通常匹配車輛坡道起步能力或短距離極限爬坡能力。對(duì)于固定傳動(dòng)比車輛，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速直接決定車輛的最高車速。額定轉(zhuǎn)速的選取則會(huì)影響到車輛經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車速區(qū)間的分布，直接影響車輛續(xù)駛里程。

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為：

(3)

電動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)通常位于額定轉(zhuǎn)速附近。為提高車輛經(jīng)濟(jì)性，通常將車輛常用車速或經(jīng)濟(jì)車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速相匹配，即：

(4)

式中:ig為減速器速比；i0為驅(qū)動(dòng)橋速比；uc為車輛經(jīng)濟(jì)車速。

3) 傳動(dòng)比的確定。根據(jù)最高車速確定最小傳動(dòng)比：

(5)

根據(jù)最大爬坡度確定最大傳動(dòng)比：

(6)

式中:rd為車輪滾動(dòng)半徑；vmax為最高車速。一般純電動(dòng)車輛應(yīng)具備30%的爬坡能力，確定傳動(dòng)比i=18.7。

綜上，確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne=1 482 r/min，最高轉(zhuǎn)速nmax=4 350 r/min，額定轉(zhuǎn)矩Te=191N·m，最高轉(zhuǎn)矩Tmax=420 N·m。

2.2.2 續(xù)航里程的計(jì)算

到目前為止，防爆蓄電池車?yán)m(xù)航里程的測(cè)試還沒有一個(gè)明確可行的標(biāo)準(zhǔn)。本文參考路面車輛的測(cè)試方法，以車輛在額定載荷下，在平直路面上等速行駛的里程近似計(jì)算，然后加以驗(yàn)證。

1) 車輛以速度vi勻速行駛在坡度為α的路面上，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P為:

(7)

式中：i為傳動(dòng)系速比。

2) 確定電機(jī)的輸出功率P和電池放電電流If的關(guān)系，即If=P/Ue。其中，Ue為端電壓。

3) 防爆鋰離子蓄電池?cái)y帶的額定總能量F除以電流If得出的輸出時(shí)間t=Fηe/If。其中:F為額定容量；ηe為機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的總效率，取0.65。

4) 車輛以速度vi勻速行駛，理論續(xù)駛里程S=vit。

綜上計(jì)算可得：最大續(xù)航里程S=83 km，實(shí)際跑合時(shí)消耗80%的電量行駛75 km，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)作為防爆蓄電池車輛的大腦，其作用不言而喻，幾乎體現(xiàn)了與傳統(tǒng)燃油車輛的區(qū)別，且所有相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范基本圍繞車輛電氣而展開。其主要由整車控制器、電機(jī)控制器、CAN模塊、主控制模塊等組成，控制系統(tǒng)原理如圖1所示。根據(jù)GB 3836.1～3836.4《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》的規(guī)定，整車控制器通常布置在隔爆腔內(nèi)，為減輕車輛自重，將整車控制系統(tǒng)布置在主控箱內(nèi)，并滿足防爆要求[5-6]。

圖1 控制系統(tǒng)原理

整車控制器是車輛控制系統(tǒng)的核心，其主要功用是根據(jù)駕駛員的操作收集來(lái)自電機(jī)控制器、油門踏板、制動(dòng)踏板等部件的信號(hào)，然后全面分析控制車輛運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，從而保證車輛按駕駛員的意圖正常運(yùn)行。此外，在車輛運(yùn)行時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的狀態(tài)[7]。

2.4 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池箱作為車輛的儲(chǔ)能裝置，其性能直接影響車輛續(xù)航里程。防爆鋰電池一般采用安全系數(shù)和比能量都相對(duì)較高的磷酸鐵鋰電池，單體額定電壓為3.2 V，額定容量為100 A·h。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》規(guī)定，電池須安裝在密閉的隔爆電池腔內(nèi)，單體電池之間采用串聯(lián)成組的方式，每個(gè)電池組最多串聯(lián)100塊單體；為保證車輛續(xù)航里程，車輛安裝兩個(gè)電池箱，箱體外部采用并聯(lián)的方式連接。

為保證電池箱里的單體電池同步工作，電池管理系統(tǒng)顯得尤為重要，不僅要在能量輸出時(shí)預(yù)測(cè)電池剩余電量和續(xù)航里程，以及采集各單體電池的電壓和溫度等信息，診斷故障并進(jìn)行上傳；而且，能夠在充電時(shí)主動(dòng)均衡單體電池的能量，提高電池組的整體性能，從而增加單次充電的續(xù)駛里程，延長(zhǎng)電池組的使用壽命[8]。電池管理系統(tǒng)主要由BMU主控模塊、BSU采集模塊及BDU顯示模塊等組成，其原理如圖2所示。

圖2 電池管理系統(tǒng)原理框圖

2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆蓄電池人車的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由蓄能器、駐車制動(dòng)閥、雙回路腳踏制動(dòng)閥、前橋行車制動(dòng)器、后橋行駐車一體制動(dòng)器、助力轉(zhuǎn)向器、充液閥等部件組成，其功能為實(shí)現(xiàn)車輛的啟停和轉(zhuǎn)向，原理如圖3所示。車輛制動(dòng)分為駐車和行車兩套回路，駐車制動(dòng)采用彈簧制動(dòng)多盤濕式制動(dòng)器，滿足“失效安全型”的要求，保證車輛在突然失去動(dòng)力等緊急情況下車輪處于抱死狀態(tài)。行車制動(dòng)器為常開式，由壓力控制制動(dòng)。蓄能器保證車輛頻繁制動(dòng)時(shí)的壓力，從而實(shí)現(xiàn)車輛減速的平順性。轉(zhuǎn)向由液壓助力轉(zhuǎn)向器帶動(dòng)前輪偏轉(zhuǎn)，液壓保證轉(zhuǎn)向輕便靈活。

3 車輛設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1) 駕駛方便，乘坐舒適。采用液壓助力轉(zhuǎn)向，減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2) 車輛采用防爆鋰電池為動(dòng)力源，運(yùn)行過程中零排放、低噪音、節(jié)能環(huán)保。

1-蓄能器； 2-雙回路腳踏制動(dòng)閥； 3-前橋行車制動(dòng)器； 4-后橋行駐車一體制動(dòng)器； 5-助力轉(zhuǎn)向器； 6-駐車制動(dòng)閥； 7-充液閥； 8-解鎖手泵。

3) 采用盤式永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)，具有比功率高、低速大扭矩、能量回收和返航模式等優(yōu)點(diǎn)。

4) 采用主動(dòng)均衡技術(shù)的電池管理系統(tǒng)(BMS)，能夠延長(zhǎng)約25%的動(dòng)力電池組的使用壽命，并增加20%左右的車輛行駛里程。

5) 采用智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電池、電機(jī)、各類控制器等重要部件的工作狀態(tài)。采用安全濕式制動(dòng)器。

6) 整車采用符合煤礦工況的人機(jī)工程學(xué)布局設(shè)計(jì)，視野開闊，駕駛舒適。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)大型煤礦的巷道條件和使用工況，整車采用高效靈敏的控制系統(tǒng)、比功率高的永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、智能可靠的電池管理系統(tǒng)及高效率的傳動(dòng)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了車輛安全可靠、節(jié)能環(huán)保，操作靈活、乘坐舒適。隨著神東、中煤等大型煤礦引領(lǐng)及制造成本的下降，防爆鋰離子蓄電池人車會(huì)有更廣闊的前景。