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国内矿用井下电动防爆无轨运输车辆的技术现状

2021-12-12 09:42:23 147

整车现状,当前,矿用防爆铅酸类蓄电池整车设计主要参照煤矿无轨辅助运输要求,自主开发矿用防爆纯电动车辆底盘,主要涉及有整体式承载底盘、两段铰接式底盘、三段回转铰接式底盘,载重范围覆盖3~80t; 驱动方式主要有无级单电机变频调速驱动、双电机变频调速驱动和四轮四电机变频调速驱动控制三种类型,该类车辆应用过程中暴露出传动系统效率低、电池寿命低和作业时间短等问题,严重制约了该类车辆的进一步推广。矿用防爆锂离子蓄电池车辆,国内很多厂家和研究机构都在研究矿用井下电动无轨运输车辆,但主要集中在使用柴油机车身改装的锂电池运人车上。现有电驱动车辆大部分是在传统柴油机车的基础上改装而成,即用一个集中电机代替原来的发动机,动力通过电机、变速器、传动轴、差速器和半轴等传到车轮来驱动车辆前进。在其独有的动力驱动系统、能源系统等关键部件尚未实现技术匹配,造成整机重量大、行驶里程短、充电时间长、电机匹配困难、电池放电率过大等问题,成为制约新能源车辆在煤矿井下发展的瓶颈。

防爆驱动电机,矿用纯电动防爆车辆用驱动电机不同于常规的工业电机和非防爆电动车辆用电机,根据其使用条件,一般要求电机具有效率高、功率大、过载能力强、质量轻、尺寸小、可靠性好及成本低等特点。当前矿用纯电动防爆车辆用驱动电机铅酸类重型车辆主要采用交流异步电机及开关磁阻电机,而以锂离子蓄电池为动力的车辆主要用于永磁同步电机和开关磁阻电机,功率范围覆盖 15 ~ 100kW,按照不同的动力需求,分别配置单电机、双电机和四电机驱动。当前该类车辆应用的防爆电机基本都是地面非防爆电机进行了防爆处理,未真正结合整车工况需求进行研制开发,使得整个电机高效区覆盖整车工况的区域较小,导致整车常用工况下的电机及控制系统综合效率未完全工作在高效区,整个驱动效率非常低。

防爆动力电池现状

目前国内使用的防爆铅酸电池单体主要参照煤矿相关标准在地面铅酸电池的基础上进行防爆改造,并将各个单体电池统一按照煤矿标准要求安装在一个金属制壳体内,防爆铅酸电池单体容量主要有530Ah、900Ah、1200Ah、2000Ah 等 规 格,典型的铅酸蓄电池电源。防爆铅酸蓄电池在应用过程中暴露出以下几个主要问题:1) 充电作业繁琐,效率低,寿命短,成本高,主要体现在: 专人维护,所加酸液要求指标高( 如电导率大于 100kΩ·cm) ,一般难于达到,大量蓄电池提前失效或性能迅速衰减,寿命 6 ~ 10 个月; 设备工作效率低下,运维成本高,平均充电时长 10h;电源装置与电池各自独立,无法进行智能充电判断;没有专用的电池管理系统,电池长期处于无监控状态。2) 对环境产生的影响,主要体现在蓄电池充电时产生的酸雾严重污染周围环境; 蓄电池冲洗液排放; 频繁酸液配制产生大量污染物排放。基于煤矿标准要求,矿用防爆锂离子蓄电池当前使用的仅有磷酸铁锂电池,禁止采用钴酸锂电池,三元系锂电池、锰酸锂电池,同时单体需要需要完成过放电试验、过充电试验、短路试验、跌落试验、加热试验、挤压试验、金额针刺等试验内容,需要在安全标志中心进行备案。而整个电源装置检验主要基于 《矿用隔爆( 兼本安) 型锂离子蓄电池电源安全技术要求》标准,其中对电池的容量等基本要求、防爆要求以及电池管理系统( BMS) 做了规定,常见的锂离子蓄电池电源装置如图 2 所示。

鉴于目前大容量锂离子蓄电池的生产工艺和安全性能控制还存在诸多问题,单体电池的容量不超过 100Ah; 隔爆腔内不允许单体电池和电池组有任何形式的并联; 单体电池在充、放电过程中的 允 许 温 升 不 超 过 70℃,且须配备电池管理系统。随着政策的不断出台,矿用纯电动车辆相关技术的突破,并将核心技术应用于纯电动防爆车辆上,实现矿井生产人员、设备和物料等的运输,可以有效改善井下工作环境并实现节能减排,为未来煤矿井下无轨辅助运输技术与装备领域的发展提供方向,后期具有良好的市场前景。