煤矿辅助运输牵引电池选用问题探讨

胡兴志，罗建国，张立洋，李学哲，于润祥

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601；2.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东菏泽 274705)

煤矿辅助运输牵引电池选用问题探讨

胡兴志1，罗建国1，张立洋2，李学哲1，于润祥1

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601；2.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东菏泽 274705)

煤矿辅助运输牵引方式由钢丝绳牵引向柴油机、蓄电池牵引发展，柴油机存在着环境污染问题，决定了蓄电池牵引方式成为一个令人关注的发展方向。考察目前煤矿蓄电池牵引常见电池，本文综合考虑各类指标及潜在提升空间，认为锂离子电池成为当前动力电池的主要发展方向。另外，新近出现的其他新型高性能电池、再生制动控制系统和复式能源电机车也是值得关注的方向。

煤矿；辅助运输；蓄电池

0 引言

煤矿井下辅助运输是整个矿井生产系统的重要环节，我国煤矿井下辅助运输使用人员较多，效率不高，装备水平相比采煤技术、采掘机械化程度以及主运输系统的装备水平等并未得到同步发展，安全性、舒适性跟不上时代要求。我国煤矿辅助运输作业人员占井下职工总数的1/3以上，有些矿井甚至达到一半。综采矿井每采百万吨煤辅助运输用工500人至1200人，是世界先进水平的7倍至10倍。辅助运输条件严重影响了我国煤矿的全员效率，与安全高产高效矿井建设很不适应[1]。

煤矿井下辅助运输日益成为各个煤炭企业重视的生产环节，提高其装备水平成为各企业的重点工作，牵引方式由钢丝绳牵引向柴油机、蓄电池牵引发展，设备类型由轻型向重型设备发展，设备功能由单一向多种功能发展，运输方式由有轨运输向无轨运输发展[2]。

但柴油机存在着环境污染问题，在这种情况下，蓄电池牵引方式成为一个令人关注的发展方向。从技术角度看，蓄电池牵引中电池性能已成为制约实现产业化的最关键因素。理想的矿用电池要求安全性好、绿色环保、具有高能量密度和高功率密度、循环寿命长、成本低。

考察蓄电池牵引电池的性能指标包括能量密度、功率密度、使用寿命、快速充电性能等几个方面，分别用于描述电池的续航能力、加速和最高车速性能、循环使用次数、充电所需时间以及经济性能[3]。目前锂离子电池技术虽已取得一系列可喜进展，但在能量密度、使用寿命、以及快充性能方面仍有待突破，这些指标直接决定蓄电池牵引整体性能和市场价格，也深刻影响着电能补给方式、运营模式和用户接受程度。

1 常用蓄电池性能对比

(1) 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是目前得最为广泛的电池。铅酸蓄电池，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池由于价格优势至今仍作为动力源大量应用。表1所示为铅酸蓄电池的性能指标和作为动力源的应用情况。

表1 铅酸蓄电池的

(2) 镍氢电池

相对铅酸电池，镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。这项技术独特的优势包括:更高的运行电压、比能量和比功率，较好的过度充放电耐受性和热性能[4]。

表2 镍氢电池的性能指标

(3) 锂离子电池

可以看出，相较镍氢电池，锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染;电池单个性能指标的数值范围跨度大，这是因为锂离子电池有较多的电极组合，它们在性能上存在一定的差异[5]。

表3 锂离子电池的性能指标

(4) 三种电池性能对比

图1为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)的比能量、比功率、安全性等基本性能。通过比较可以发现，目前这几种电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能的优势地位。这说明目前在蓄电池牵引应用领域出现这些不同种类电池共存情况的原因，也是各种电池技术在不同程度上存在的缺陷导致蓄电池牵引的发展受到制约而未大规模产业化的原因[6]。

图1 电池性能比较

由图1可以看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。因此综合考虑各类指标及潜在提升空间，锂离子电池成为当前动力电池的主要发展方向。

2 其他新型高性能电池

比如，近年来出现了一种高能镍碳超级电容电池，这种电池集镍氢电池和超级电容电池的优点于一身，具体来说，这种电池有五大特点：第一，容量高。体积和重量比容量是目前车用超级电容电池的10倍，已接近锂离子动力电池比能量的2/3；第二，循环寿命长。该产品标准检测寿命5万次以上，实际使用充放电循环已达1.5 万次，超级电容电池使用寿命可达蓄电池的25～100倍；第三，充放电效率高。充电10分钟即可达到其额定容量的95%以上，大电流放电能力强，能量转换效率高；第四，安全环保。该产品具有良好的高低温性能与环境适应性，可在零下40℃至零上70℃之间正常使用[7]。尤其是由于采用了水系电解液，制造工艺严格，电池过充或短路也不会导致致命危险，外部剧烈撞击或燃烧也不会爆炸，使用安全可靠。该产品实现了零排放，推广应用后，将大大缓解由汽车尾气造成的城市大气污染。同时，超级电容采用无污染材料制造，可全部回收利用，是真正的绿色环保产品；第五，性价比高。超级电容用于纯电动汽车的全寿命费用仅为锂离子电池的1/3，其电动车的综合运营成本大大低于蓄电池。一套电源可供4辆车连续使用，比锂离子电池的综合成本降低80%以上。

3 再生制动控制系统

制约蓄电池牵引发展的一个关键因素是它的续驶里程问题，而再生制动可以节约能源、提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会效益。同时，再生制动还可以减少刹车片的磨损，降低车辆故障率及使用成本。

图2所示为蓄电池牵引再生制动控制系统的结构图，该系统由超级电容或飞轮及其控制器组成，而利用超级电容或飞轮吸收再生制动能量，具有非常突出的优点。当车辆制动时，电机工作于发电机工况，将一部分动能或重力势能转化为电能储存在超级电容或飞轮中，由于超级电容或飞轮的功率密度大，因此可以更快速、高效地吸收电机回馈能量。在车辆起动和加速时，利用双向DC /DC将存储的能量释放出来，协助电池向电机供电，不但增加了蓄电池牵引一次充电的行驶里程，而且避免了蓄电池的大电流放电，达到了节省能源、降低刹车片磨损和提高蓄电池寿命的目的。

4 复式能源电机车

这是一种架线蓄电池两用机车。这种机车在有架空线巷道运行区段，将集电弓升起，从架线获取电能向电机供电，同时向车载蓄电池充电以备用。

图2 蓄电池牵引再生制动控制系统结构图

当机车到无架空线区段运行时，将集电弓降下，自动转换成由蓄电池供电。这就免除了到井下充电硐室充电的环节，因而，节省了充电设备和充电时间，也省去了更换蓄电池电源箱的繁重体力劳动。复式能源电机车克服了架线电机车和蓄电池机车的缺点，保留了它们的优点，运行安全可靠，机动灵活，没有排气污染，运转热量小，噪音低，是环保型的机车。该机车的运行成本较低[8]。在有架空线区段运行时机车自动充电，节省了充电时间和繁杂的充电管理程序。可利用井下现有的轨道系统，不需作任何改造。机车的使用范围大大拓宽了。不仅能在大巷运行，也可在采区运行。可实现从井底车场，甚至从地面(当平恫或斜井开拓时)直至采掘工作面端头不经转载的直达运输。从而大大减少了运输环节，提高了运输效率。

5 结论

分析目前煤矿蓄电池牵引常见电池的性能指标包括能量密度、功率密度、使用寿命、快速充电性能等几个方面可以看出，综合考虑各类指标及潜在提升空间，锂离子电池成为当前煤矿辅助运输动力电池的主要发展方向，有进一步研发和大规模应用的前景。另外，煤矿辅助无轨运输上新近出现一些技术，比如新型高性能电池、再生制动控制系统和复式能源电机车等也是值得关注的方向。

[1] 赵书利，金岑，喻济兵.锂离子蓄电池技术应用与发展[J].船电技术，2009(12):52-54.

[2] 陈清泉.现代电动汽车技术「M].北京:北京理工大学出版社，2002.

[3] 袁晓明.煤矿车辆用蓄电池技术[J].工矿自动化,2011(6):26-28.

[4] 胡兴志.被动式煤矿井下环境安全监测系统设计[J].工矿自动化,2014(6):36-38.

[5] 胡兴志.基于Simulink电动轮矿用自卸车电机驱动控制系统建模仿真[J].煤矿机械,2015(9):32-35.

[6] 张勇.美国煤矿安全生产立法及对我国的启示[J].华北科技学院学报,2002(4):54-56.

[7] 杨华.我国煤炭管理体制深层次问题探讨[J].华北科技学院学报,2005(4):34-36.

[8] 刘过兵.中国煤矿安全生产现状分析及对策研究[J].华北科技学院学报,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

中央高校基本科研业务费资助(3142013099，3142015023，3142013095)

胡兴志(1971-)，男，安徽砀山人,硕士，华北科技学院机电工程学院副教授，研究方向为电气工程、机电一体化、控制工程、机电安全等。E-mail：huxingzhi@ncist.edu.cn

TD525

A

1672-7169(2016)04-0049-03