礦用電機(jī)車無(wú)線恒流充電技術(shù)研究

王 軍

（山西潞安集團(tuán)華億五一煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046500）

引言

礦用電車用于煤礦井下運(yùn)輸人員、器具、材料、矸石、煤炭，對(duì)于煤礦順利生產(chǎn)發(fā)揮著重要作用。但由于我國(guó)煤礦多為高瓦斯礦井，無(wú)法采用架空線供電，多使用蓄電池供電。蓄電池組體積笨重，容量有限，需在硐室充電，因此導(dǎo)致電機(jī)車?yán)m(xù)航里程短，維護(hù)麻煩。為了提高效率[1-2]，往往為單臺(tái)電機(jī)車配置2-3組蓄電池，無(wú)疑增加了使用成本，更換蓄電池組也較為繁瑣。針對(duì)此問(wèn)題，本文研究礦用電機(jī)車無(wú)線恒流充電技術(shù)，無(wú)線充電可實(shí)現(xiàn)非接觸充電，因此不會(huì)產(chǎn)生電火花，具有較高的安全性[3]，恒流充電可實(shí)現(xiàn)電機(jī)車快速充電，不僅可在硐室中充電，還可在電機(jī)車等待裝卸貨或者等待人員時(shí)補(bǔ)充電能，極大地提高了電機(jī)車的續(xù)航里程，減少了蓄電池組的維護(hù)時(shí)間，提高了電機(jī)車的使用效率。

1 電機(jī)車無(wú)線恒流充電電路

1.1 電機(jī)車無(wú)線充電裝置組成

圖1為電機(jī)車無(wú)線充電裝置原理框圖，由高頻逆變電路、LCC諧振補(bǔ)償電路、能量發(fā)射線圈、能量接收線圈、整流濾波電路等組成，其中原邊電路中的高頻逆變電路、LCC諧振補(bǔ)償電路位于防爆外殼中，能量發(fā)射線圈單獨(dú)做成圓盤式防爆封裝，可以移動(dòng)，需要充電時(shí)放置在能量接收線圈上方，因?yàn)榘l(fā)射線圈和接收線圈距離近，耦合系數(shù)高，因此可以實(shí)現(xiàn)高效無(wú)線充電，副邊電路全部位于電機(jī)車上，做成防爆或者隔爆封裝。

1.2 LCC-LCC諧振補(bǔ)償恒流特性

圖2為電機(jī)車無(wú)線恒流充電電路，其補(bǔ)償電路為L(zhǎng)CC-LCC，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)，滿足公式（1）

圖1 電機(jī)車無(wú)線充電裝置原理框圖

式（1）中：Lf1、Lf2分別為原、副邊串聯(lián)補(bǔ)償電感，Cf1、Cf2分別為原、副邊并聯(lián)補(bǔ)償電容，Lp為能量發(fā)射線圈，Ls為能量接收線圈，Cp、Cs分別為原、副邊串聯(lián)電容，ω0為諧振角頻率。從公式（1）可知，電路的諧振狀態(tài)僅取決于電感、電容的參數(shù)，而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)，不同電量的負(fù)載其等效電阻不同，因此本文電機(jī)車無(wú)線恒流充電電路在充電過(guò)程中可始終保持諧振狀態(tài)。

圖2 電機(jī)車無(wú)線恒流充電電路

能量發(fā)射線圈電流Ip如公式（2）所示[4]。

其中E為逆變器的直流側(cè)電壓，從公式（2）可知，能量發(fā)射線圈電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。

由電磁感應(yīng)定律可求得能量接收線圈上的感應(yīng)電壓U：

副邊電路和原邊電路為對(duì)稱電路[5]，可求得電感Lf2上的電流，也就是負(fù)載電流。從公式（4）可知，負(fù)載電流與蓄電池剩余電量無(wú)關(guān)，僅與互感、直流電壓、諧振頻率、原副邊串聯(lián)補(bǔ)償電感有關(guān)，而這些參數(shù)在系統(tǒng)確定后基本不會(huì)發(fā)生變化，充電時(shí)能量發(fā)射線圈放置在能量接收線圈上，因此互感M也可保持不變。

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所研究電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無(wú)線恒流充電，在matlab中搭建仿真模型，選用simulink中電池模型“battery”，參數(shù)按照8 t電機(jī)車蓄電池組參數(shù)設(shè)置，額定電壓110 V，額定容量440 Ah，模型中其他參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

圖3和圖4分別為蓄電池剩余電量在30%和90%時(shí)，逆變器的輸出電壓、輸出電流以及電蓄池的充電電流Ic的輸出波形，從仿真結(jié)果可知，逆變器輸出電壓、電流的相位未發(fā)生變化，處于諧振狀態(tài)；電池的充電電流略微提升0.05 A，從仿真結(jié)果可知，本文所研究電機(jī)車無(wú)線充電電路可實(shí)現(xiàn)不同剩余電量下的恒流充電。

圖3 剩余電量為30%時(shí)輸出波形

圖4 剩余電量為90%時(shí)輸出波形

3 結(jié)語(yǔ)

在本文對(duì)電機(jī)車無(wú)線充電技術(shù)的研究中，充分考慮了煤礦井下高瓦斯環(huán)境，該技術(shù)具有較高的安全性、可操作性。通過(guò)仿真證明，本文研究的無(wú)線充電裝置效率較高，充電電流大，且當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)仍舊可保持恒流充電，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。