矿用电机车无线恒流充电技术研究

王 军

（山西潞安集团华亿五一煤业有限公司， 山西 长治 046500）

引言

矿用电车用于煤矿井下运输人员、器具、材料、矸石、煤炭，对于煤矿顺利生产发挥着重要作用。但由于我国煤矿多为高瓦斯矿井，无法采用架空线供电，多使用蓄电池供电。蓄电池组体积笨重，容量有限，需在硐室充电，因此导致电机车续航里程短，维护麻烦。为了提高效率[1-2]，往往为单台电机车配置2-3组蓄电池，无疑增加了使用成本，更换蓄电池组也较为繁琐。针对此问题，本文研究矿用电机车无线恒流充电技术，无线充电可实现非接触充电，因此不会产生电火花，具有较高的安全性[3]，恒流充电可实现电机车快速充电，不仅可在硐室中充电，还可在电机车等待装卸货或者等待人员时补充电能，极大地提高了电机车的续航里程，减少了蓄电池组的维护时间，提高了电机车的使用效率。

1 电机车无线恒流充电电路

1.1 电机车无线充电装置组成

图1为电机车无线充电装置原理框图，由高频逆变电路、LCC谐振补偿电路、能量发射线圈、能量接收线圈、整流滤波电路等组成，其中原边电路中的高频逆变电路、LCC谐振补偿电路位于防爆外壳中，能量发射线圈单独做成圆盘式防爆封装，可以移动，需要充电时放置在能量接收线圈上方，因为发射线圈和接收线圈距离近，耦合系数高，因此可以实现高效无线充电，副边电路全部位于电机车上，做成防爆或者隔爆封装。

1.2 LCC-LCC谐振补偿恒流特性

图2为电机车无线恒流充电电路，其补偿电路为LCC-LCC，当其处于谐振状态时，满足公式（1）

图1 电机车无线充电装置原理框图

式（1）中：Lf1、Lf2分别为原、副边串联补偿电感，Cf1、Cf2分别为原、副边并联补偿电容，Lp为能量发射线圈，Ls为能量接收线圈，Cp、Cs分别为原、副边串联电容，ω0为谐振角频率。从公式（1）可知，电路的谐振状态仅取决于电感、电容的参数，而与负载的大小无关，不同电量的负载其等效电阻不同，因此本文电机车无线恒流充电电路在充电过程中可始终保持谐振状态。

图2 电机车无线恒流充电电路

能量发射线圈电流Ip如公式（2）所示[4]。

其中E为逆变器的直流侧电压，从公式（2）可知，能量发射线圈电流与负载无关。

由电磁感应定律可求得能量接收线圈上的感应电压U：

副边电路和原边电路为对称电路[5]，可求得电感Lf2上的电流，也就是负载电流。从公式（4）可知，负载电流与蓄电池剩余电量无关，仅与互感、直流电压、谐振频率、原副边串联补偿电感有关，而这些参数在系统确定后基本不会发生变化，充电时能量发射线圈放置在能量接收线圈上，因此互感M也可保持不变。

2 仿真验证

为验证本文所研究电路可实现电机车无线恒流充电，在matlab中搭建仿真模型，选用simulink中电池模型“battery”，参数按照8 t电机车蓄电池组参数设置，额定电压110 V，额定容量440 Ah，模型中其他参数见表1。

表1 模型参数

图3和图4分别为蓄电池剩余电量在30%和90%时，逆变器的输出电压、输出电流以及电蓄池的充电电流Ic的输出波形，从仿真结果可知，逆变器输出电压、电流的相位未发生变化，处于谐振状态；电池的充电电流略微提升0.05 A，从仿真结果可知，本文所研究电机车无线充电电路可实现不同剩余电量下的恒流充电。

图3 剩余电量为30%时输出波形

图4 剩余电量为90%时输出波形

3 结语

在本文对电机车无线充电技术的研究中，充分考虑了煤矿井下高瓦斯环境，该技术具有较高的安全性、可操作性。通过仿真证明，本文研究的无线充电装置效率较高，充电电流大，且当负载发生变化时仍旧可保持恒流充电，具有一定的应用价值。