矿用纯电动防爆车辆发展现状综述

周密林

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

消费过剩导致资源、安全、环境等方面的问题和矛盾仍然突出，产业升级、结构调整、深刻革命刻不容缓。国家对清洁能源、绿色发展的重视程度与日俱增，煤炭行业必须在生产上走出一条科学产能的道路，在消费上走出一条绿色低碳的道路，只有这样才会有发展的空间，才会有发展的未来[1]。国家2025 规划“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，充分反映出国家的整体战略计划，也为我国煤矿事业的整体发展指明了方向。

“十一五”期间，我国煤矿井下以防爆柴油机为动力的无轨辅助运输车辆得到了长足的发展[2]。据统计，目前国内使用防爆柴油机驱动车辆的矿井有700 余处，使用总量在16000台以上。无轨辅助运输在煤矿减员增效、提高生产效率、提高煤矿安全和降低事故发生率等方面取得了良好的社会效益和经济效益，但也暴露出了诸多弊端。一方面，该类车辆以柴油为动力燃料，能源消耗量大、高噪音、高排放问题显得格外突出。在国家节能减排的大政策号召下，迫切需要采用清洁可再生能源动力的车辆；另一方面，在煤矿井下巷道狭隘、通风有限的条件下，防爆柴油机驱动车辆的强噪音、大排放、高油耗等“四高一低”问题日益凸显，严重危害井下工作人员的职业健康和企业效益，某些矿区甚至出现了“油肺病”的现象。

为了有效改善井下工作环境，实现节能减排，矿用纯电动车辆已成为未来煤矿井下无轨辅助运输技术与装备领域的发展方向[3-6]，真正实现辅助运输设备的纯电动、低污染和零排放，高效地解决使用防爆柴油机车辆暴露出的噪音污染、尾气污染、油耗大等问题。

1 应用现状

矿用纯电动防爆车辆按照动力电池类型可以划分为防爆铅酸类蓄电池车辆和防爆锂离子蓄电池车辆。铅酸类蓄电池类车辆主要集中在大吨位的铲板式支架搬运车和多功能作业车，进口车辆主要为比塞洛斯VTC636、VTC650、VTC680、 488铲车，应用地点主要集中在神东公司，应用数量分别为16台、24台、5台和28台。国产车辆主要为山西天地煤机装备有限公司生产的CLX3、 WJX-7FB、 WJX-10FB矿用蓄电池铲运机、WX35J、WX45J、WX80J蓄电池铲板式搬运车以及航天重装WX100J蓄电池铲板式搬运车，应用地点主要集中在神东公司、兖州矿业等大型煤矿企业。防爆锂离子蓄电池车辆受行业标准、电池容量的限制以及应用范围的约束，主要集中在小吨位的运人车和运料车，主要生产厂家有石家庄煤机、航天重装、常州科试、深圳德塔和山西天地煤机装备有限公司，用户主要集中在神东矿区，总体市场占有量在200台左右。

2 行业标准现状

当前纯电动防爆车辆整车检验的标准分为两大类，以铅酸电池为动力的车辆主要依据防爆柴油机的标准《防爆柴油机通用技术条件》(MT/T 989)和JB/T 5500—2015防爆电动铲运机执行[7，11]；以锂离子蓄电池为动力的车辆主要依据《煤矿用防爆锂离子蓄电池无轨车辆安全技术要求》(试行)，同时引入北方车辆技术研究所对整车性能进行检验。矿用蓄电池安标检验执行标准也分为两大类，铅酸蓄电池检验标准主要依据《矿用特殊性铅酸蓄电池》《煤矿用特殊型铅酸蓄电池》(MT 658—2011)；矿用防爆锂离子单体电池主要执行《矿用锂离子蓄电池安全技术要求》(暂行)标准，主要参照QC/T 743—2006电动汽车用锂离子蓄电池，电源装置主要执行《矿用隔爆(兼本安)型锂离子蓄电池电源安全技术要求》(暂行)。整车防爆电控系统主要参照GB 3836.1—GB 3836.4[8-10]。

3 技术现状

3.1 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上未实现技术匹配[12]，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。

3.2 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[13-15]。

3.3 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装置如图1所示。

图1 防爆铅酸蓄电池电源装置

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)对环境产生对影响，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，需要在国家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。

图2 防爆锂离子蓄电池电源装置

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，单体电池的最大容量不超过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、放电过程中的最大允许温升不超过70℃，且须配备电池管理系统。

4 结 论

本文通过对矿用纯电动防爆车辆的现状分析，得到如下结论：

1)目前，防爆锂离子蓄电池车辆动力总成控制系统的设计多停留在基于地面车辆参考应用上，针对煤矿特定工况、特定设备需求的研究尚未涉及。研究适用于矿井辅助运输装备的动力及控制系统，重点研究开发具有低速大扭矩及较宽范围内的恒功率特性，能够较好适应矿用纯电动防爆车辆频繁爬坡、制动、加减速等工况需求的动力传动系统总成迫在眉睫。随着我国电动汽车产业的发展，迫切需要我国拥有独立自主研发的性能良好的矿用纯电动车辆用动力总成控制系统。

2)防爆动力电池技术一直是制约矿用纯电动车辆发展的关键因素，是影响纯电动防爆车辆续航里程和进一步大面积推广的主要制约因素，是纯电动防爆车辆发展中存在的最大问题，电池性能的提高、寿命的延长、成本的降低及电池管理系统的日趋成熟对纯电动防爆车辆的普及至关重要。同时研制开发出能够实现对电池参数的实施监测及充放电管理功能，具备自主故障诊断能力，安全可靠、比能量较高的矿用锂离子电源装置也极其重要。

3)研究攻克矿用纯电动防爆车辆“大脑”的整车控制系统等重大共性关键技术，彻底完成该共性技术及关键零部件的突破，缩短该项技术与国外的差距，突破国外对该项技术及关键元部件的技术封锁，提升矿用纯电动防爆车辆的核心技术。能量回收系统对于节约能源、提高整车续驶里程有着非常重要的意义。

4)随着国家政策的不断出台，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。