浅谈防爆蓄电池车辆发展历程及趋势*

浅谈防爆蓄电池车辆发展历程及趋势*

姜 ,铭1,2,3

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，太原 030006；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原 030006）

摘要：近年来随着绿色矿山建设、以及国家对环保重视程度的上升，国内矿用防爆蓄电池车辆发展非常迅速，已投产使用的蓄电池运输设备凭借效率高、安全性可靠、成本低、能改善井下环境等优势，在煤矿应用中得到了普遍认可。根据防爆蓄电池车辆系统构型的特点，详细介绍了三种驱动系统：异步电机变频驱动系统、开关磁阻电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统，并分析了不同驱动系统的特点、适用设备，最后对永磁同步电机在矿用电动无轨辅助运输车辆上的应用潜力进行了展望。

关键词：矿用防爆蓄电池；矿用电动无轨车辆；驱动技术

项目基金：山西天地煤机装备有限公司自立项目（M2022-MS17）

0 引言

据有关统计，中国防爆柴油机车生产厂家已发展到数十家,绝大部分制造商都是把通用机械使用的普通柴油机加装进排气干式阻火器进行防爆改装，并未对柴油机从原理上进行调校，造成油耗急剧上升，燃烧不充分，污染物排放严重。伴随防爆柴油机车的大量应用，氮氧化物和有害颗粒物的排放严重超标，造成井下环境污染，甚至威胁到操作人员的身心健康。鉴于此，美国等发达国家的井下柴油机90％已被摒弃，取而代之的是防爆蓄电池车辆。随着经济与科技的飞速发展，能源的剧烈消耗，能源危机和节能环保问题越来越为人们所重视，国际上对井下空气污染的法规日趋严格，这些均促使可以有效消除尾气和噪声污染的防爆蓄电池车辆得到迅速发展。

相较于防爆柴油机车噪声大、震动大、对燃油品质要求高的缺点，防爆蓄电池车辆具有结构简单，维修保养便宜，噪声小，无污染，无燃油消耗，充电成本与同等吨位柴油车辆燃油成本相比几乎可以忽略不计等优势，且使用单一的电能源，能够间接使用太阳能、风能、水能、核能等，因此能源来源广泛。越来越多的煤矿企业意识到，换装防爆蓄电池车辆是符合长远可持续发展的大趋势。基于此，发展煤矿井下无污染的防爆蓄电池车辆，是煤矿井下无轨辅助运输车辆的迫切需求和发展趋势。

1 防爆蓄电池车辆应用现状

国外矿用防爆蓄电池车辆发展比国内早，以纯电动形式应用的车辆有防爆蓄电池运煤车、铲车、支架搬运车、人车等，目前还没有混合动力、燃料电池等形式的车辆正式生产和使用。早期，矿用防爆蓄电池车辆主要使用直流斩波调速方式，由矿用直流串励电动机驱动，实现对直流电机的无级调速控制。

随着电力电子技术的发展，主流驱动技术已经从直流驱动升级为交流变频驱动。特别是随着矿用交流变频调速系统的飞速发展，异步电动机的变频调速性能已经达到或超过原直流调速系统。在可靠性上，防爆异步电动机远高于直流电动机，更加适合煤矿井下特殊的工况要求。

国内无轨防爆蓄电池车辆，在用的主要集中在运人车、客货车、材料车和特种车等。单纯载人的运人车，大多集中在20座以下，是矿工上下井的主要载具；既载人又载货的客货车，例如皮卡车等，是非上下班期间的主要运人载具，同时也承担往井下临时运送小件物料的工作；材料车，是矿上施工材料的主要运输工具，5吨左右的材料车普及率最广；多功能特种车，以铲运车、支架搬运车等重型车为主，此外还有晒水车等轻型车。

2 防爆蓄电池车辆驱动技术

就驱动技术而言，以交流驱动为主，主要有交流异步电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和永磁同步电机驱动系统三类。实际应用中还要考虑防爆蓄电池车辆的特殊性，以及异步电机、开关磁阻电机和永磁同步电机本身的特性。

2.1 防爆蓄电池车辆特殊性

1）受整车布局空间限制，电驱动系统需结构紧凑。防爆蓄电池车辆在设计时，除了考虑功能性需求，还得考虑井下巷道的高度、宽度、允许的转弯半径等数据，布局条件苛刻，对功能性部件的结构体积有非常严格的要求。所以针对电驱动系统，防爆电机及其配套驱动器力求做到结构紧凑，尺寸小巧。

2）电驱动系统可靠性要求高。防爆蓄电池车运行环境恶劣，工作面环境粉尘大、潮湿、路面积水、坑洼不平、泥泞、光线差、易剐蹭，设计时必须保证电驱动系统在恶劣工况下的可靠性。

3）散热条件差，电驱动系统要具有较高的功率密度。在结构尺寸和安装方式满足防爆壳体要求的前提下，还必须提高电驱动系统的功率密度，以保证在尽可能小的尺寸下有足够的负载裕量。

4）要求整个电驱动系统质量轻、体积小、传动效率高，以提高电池续航里程。

2.2 各驱动系统的特点

1）异步电机变频驱动系统，凭借异步电机结构简单，制造、使用和维护方便，成本较低等优势，在煤矿领域得到了广泛应用。特别是在速度开环模式下的转矩矢量控制策略，非常适合应用在驱动功率大、速度慢、无法安装转速编码器或转速编码器线安装不可靠的防爆车辆上。

2）开关磁阻电机具有结构简单、调速范围广、性能稳定、成本低等优点，转子不用励磁，也没有转差损耗，由其构成的驱动系统具有异步电机、直流电机传动系统所不具备的优点。虽然目前开关磁阻电机驱动技术尚未广泛应用，但随着电力电子技术的不断发展，其也会迎来广阔的前景。

3）永磁同步电机和异步电机驱动系统从硬件上比，驱动控制器是基本一样的，电机区别在于永磁同步电机转子具有永磁体，不用像异步电机那样感应获得磁场，利用编码器等高精度传感器即可获取速度或位置信号，从而对磁场进行准确定向，实现电机运行的精确控制。目前永磁同步电机在煤炭领域也有了举足发展，特别是在井下皮带、刮板这类场合，充分利用了永磁同步电机效率高、体积小、功率密度大、起动力矩大、噪音小、在低频的时候仍能保持良好控制性能的优点，去掉了减速器，实现了真正意义上的直驱，缩短了传动链和提高了调速性能。

3 结语

通过分析防爆蓄电池车辆的发展现状和驱动技术，总结出矿用防爆蓄电池车辆是彻底完全替代相对过剩的柴油车辆的最佳选择，是现代煤矿产业的发展趋势。针对三种驱动系统的控制策略、适用场合，笔者认为永磁同步电机将会得到更加广泛的应用。

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作者简介：姜铭(1985 - )，山西太原人，助理研究员，硕士，研究方向：矿用设备电气传动设计。