矿用防爆电动人车的设计与应用*

祁宏

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

随着煤矿井下无轨柴油机车辆的推广使用，井下工作环境问题已不可忽视。井下发动机后处理技术还不够成熟，产生的尾气和噪音对井下工作人员的健康造成很大危害。此外，柴油机经过防爆处理后，对氧气的要求增加，车辆能耗相对较高，在通风不好的巷道中动力不足，成为煤矿无轨辅助运输发展的瓶颈和制约我国煤炭生产发展的薄弱环节。近年来，随着锂离子电池安全性能的提高，以锂离子电池组为动力源的纯电动防爆车辆因其纯电动、零排放、噪音低等特点，有效地解决了当前柴油机防爆车辆推广应用中出现的噪音大、尾气污染、油耗高、运行成本高和工人劳动强大等一系列问题，越来越受到煤矿用户的青睐和重视[1]。

我国煤矿数量众多、分布广泛，井下无轨胶轮车的运行条件恶劣，且复杂多变[2]。防爆蓄电池人车用于煤矿井下工作人员的运输，使用矿井分斜井与竖井2种。前者车辆行驶距离一般相对较远，需从井口将工作人员运送到工作面，行驶路面还有一定的坡度，工况相对复杂，如神东煤炭集团大柳塔矿、中煤华晋王家岭矿等[3]。后者使用工况相对简单，人员和车辆都是先通过罐笼下井，再通过车辆将工作人员运送到工作面，一般行驶距离相对较短，路面坡度小，如鄂尔多斯永煤矿业马泰壕煤矿、陕西富源煤矿等。人车一般是在工作人员上下班时使用，其余时间可以对车辆进行维护及充电，使用时间集中，工作环境相对较好。随着防爆电源技术、电机技术的逐步成熟，防爆锂电池人车完全能够满足矿井的使用要求，并有取代柴油机人车的趋势。

1 车辆整体技术要求

整车结构主要由特殊底盘、全封闭整体式车身、整车控制系统、防爆锂离子电池箱及电池管理系统、防爆电机驱动系统、机械传动系统、液压系统等部分组成，其具有结构紧凑、操作简单、零排放、低噪音等特点。

2 车辆各系统设计

2.1 车身与车架设计

车身部分是由骨架、地板、车身组成的半承载结构系统。它采用抗静电阻燃复合材料夹层结构，上下两层为CF碳纤维阻燃外层，中间填充高强度FRP玻璃钢抗静电里料层，并采用多层多角度铺层，以保证车辆在恶劣工况下的安全性。通过三维软件建模，对车身进行轻量化设计，并采用符合煤矿工况的人机工程学布局设计，视野开阔，驾驶舒适。

底盘的设计直接影响车辆的承载与运行，其结构主要由车架、悬挂及轮胎等部分组成。在开发过程中，采用主副一体式车架结构，对车架建模进行动力学分析及强度校核，并进行轻量化设计。采用少片等长钢板弹簧，在保证车辆承载的情况下，既减轻车重又提高车辆的乘坐舒适性。

2.2 动力总成设计

动力总成是车辆正常运行的核心，其性能直接影响车辆的动力性、经济性及平顺性。这里主要介绍行走防爆驱动电机的选择、传动比的确定及续航里程的计算[4]。

2.2.1 防爆驱动电动机的选择

基于目前永磁同步电动机技术的成熟度，以及永磁同步电动机体积小、质量轻、功率密度高、高效区及调速范围宽等特点，防爆永磁同步电动机已成为井下蓄电池人车的首选。

1) 功率。功率是选取行走电动机的主要依据。一般车辆的动力性与所选电机的功率成正比。但是随着电动机功率的增加，电动机的质量也会增加，影响电机的工作效率，不利于车辆的能量利用率，降低车辆的续航里程。由于井下车辆速度低，下面的计算只考虑了滚动阻力和坡度阻力：

(1)

(2)

式中：Pe为最高车速时所需的功率；vmax为最高车速；ηt为传动系机械效率；m为整备质量，kg；f为滚动阻力系数；α为最大爬坡度；vi为爬坡速度；Pa为最大爬坡时所需的功率。根据式(1)、(2)计算得：P≥28 kW，本次设计选择P=30 kW。

2) 转矩与转速。额定转矩是电动机长时间、高效工作的转矩，应满足车辆较长距离爬坡的需求，通常按照车辆7°坡连续运行3 km的工况进行考核。最大转矩为电动机短时过载转矩，通常匹配车辆坡道起步能力或短距离极限爬坡能力。对于固定传动比车辆，电动机最高转速直接决定车辆的最高车速。额定转速的选取则会影响到车辆经济运行车速区间的分布，直接影响车辆续驶里程。

电动机额定转矩为：

(3)

电动机高效工作区通常位于额定转速附近。为提高车辆经济性，通常将车辆常用车速或经济车速对应的电机转速与额定转速相匹配，即：

(4)

式中:ig为减速器速比；i0为驱动桥速比；uc为车辆经济车速。

3) 传动比的确定。根据最高车速确定最小传动比：

(5)

根据最大爬坡度确定最大传动比：

(6)

式中:rd为车轮滚动半径；vmax为最高车速。一般纯电动车辆应具备30%的爬坡能力，确定传动比i=18.7。

综上，确定电动机的额定转速ne=1 482 r/min，最高转速nmax=4 350 r/min，额定转矩Te=191N·m，最高转矩Tmax=420 N·m。

2.2.2 续航里程的计算

到目前为止，防爆蓄电池车续航里程的测试还没有一个明确可行的标准。本文参考路面车辆的测试方法，以车辆在额定载荷下，在平直路面上等速行驶的里程近似计算，然后加以验证。

1) 车辆以速度vi匀速行驶在坡度为α的路面上，电动机的输出功率P为:

(7)

式中：i为传动系速比。

2) 确定电机的输出功率P和电池放电电流If的关系，即If=P/Ue。其中，Ue为端电压。

3) 防爆锂离子蓄电池携带的额定总能量F除以电流If得出的输出时间t=Fηe/If。其中:F为额定容量；ηe为机械系统和电气系统的总效率，取0.65。

4) 车辆以速度vi匀速行驶，理论续驶里程S=vit。

综上计算可得：最大续航里程S=83 km，实际跑合时消耗80%的电量行驶75 km，基本满足设计要求。

2.3 整车控制系统设计

控制系统作为防爆蓄电池车辆的大脑，其作用不言而喻，几乎体现了与传统燃油车辆的区别，且所有相关安全技术规范基本围绕车辆电气而展开。其主要由整车控制器、电机控制器、CAN模块、主控制模块等组成，控制系统原理如图1所示。根据GB 3836.1～3836.4《爆炸性气体环境用电气设备》的规定，整车控制器通常布置在隔爆腔内，为减轻车辆自重，将整车控制系统布置在主控箱内，并满足防爆要求[5-6]。

图1 控制系统原理

整车控制器是车辆控制系统的核心，其主要功用是根据驾驶员的操作收集来自电机控制器、油门踏板、制动踏板等部件的信号，然后全面分析控制车辆运行时电机的输出转矩等参数，从而保证车辆按驾驶员的意图正常运行。此外，在车辆运行时应实时监控车辆的状态[7]。

2.4 能量管理系统设计

电池箱作为车辆的储能装置，其性能直接影响车辆续航里程。防爆锂电池一般采用安全系数和比能量都相对较高的磷酸铁锂电池，单体额定电压为3.2 V，额定容量为100 A·h。根据《矿用隔爆(兼本安)型锂离子蓄电池电源安全技术要求》规定，电池须安装在密闭的隔爆电池腔内，单体电池之间采用串联成组的方式，每个电池组最多串联100块单体；为保证车辆续航里程，车辆安装两个电池箱，箱体外部采用并联的方式连接。

为保证电池箱里的单体电池同步工作，电池管理系统显得尤为重要，不仅要在能量输出时预测电池剩余电量和续航里程，以及采集各单体电池的电压和温度等信息，诊断故障并进行上传；而且，能够在充电时主动均衡单体电池的能量，提高电池组的整体性能，从而增加单次充电的续驶里程，延长电池组的使用寿命[8]。电池管理系统主要由BMU主控模块、BSU采集模块及BDU显示模块等组成，其原理如图2所示。

图2 电池管理系统原理框图

2.5 液压系统设计

防爆蓄电池人车的液压系统结构相对比较简单，由蓄能器、驻车制动阀、双回路脚踏制动阀、前桥行车制动器、后桥行驻车一体制动器、助力转向器、充液阀等部件组成，其功能为实现车辆的启停和转向，原理如图3所示。车辆制动分为驻车和行车两套回路，驻车制动采用弹簧制动多盘湿式制动器，满足“失效安全型”的要求，保证车辆在突然失去动力等紧急情况下车轮处于抱死状态。行车制动器为常开式，由压力控制制动。蓄能器保证车辆频繁制动时的压力，从而实现车辆减速的平顺性。转向由液压助力转向器带动前轮偏转，液压保证转向轻便灵活。

3 车辆设计的特点

1) 驾驶方便，乘坐舒适。采用液压助力转向，减轻了驾驶员的劳动强度。

2) 车辆采用防爆锂电池为动力源，运行过程中零排放、低噪音、节能环保。

1-蓄能器； 2-双回路脚踏制动阀； 3-前桥行车制动器； 4-后桥行驻车一体制动器； 5-助力转向器； 6-驻车制动阀； 7-充液阀； 8-解锁手泵。

3) 采用盘式永磁直流无刷电动机及控制技术，具有比功率高、低速大扭矩、能量回收和返航模式等优点。

4) 采用主动均衡技术的电池管理系统(BMS)，能够延长约25%的动力电池组的使用寿命，并增加20%左右的车辆行驶里程。

5) 采用智能监控系统，实时监测单体电池、电机、各类控制器等重要部件的工作状态。采用安全湿式制动器。

6) 整车采用符合煤矿工况的人机工程学布局设计，视野开阔，驾驶舒适。

4 结论

本文针对我国大型煤矿的巷道条件和使用工况，整车采用高效灵敏的控制系统、比功率高的永磁直流无刷电动机、智能可靠的电池管理系统及高效率的传动系统，真正实现了车辆安全可靠、节能环保，操作灵活、乘坐舒适。随着神东、中煤等大型煤矿引领及制造成本的下降，防爆锂离子蓄电池人车会有更广阔的前景。