純電機車目前的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

白云鵬

棗莊聯(lián)鑫實業(yè)有限責任公司 山東 棗莊277100

內(nèi)燃機車自投入使用已有幾十年,而內(nèi)燃機車排放對環(huán)境有較大的危害,隨著國家對環(huán)保要求的不斷提高,純電機車的應用得到了大力的推廣,在現(xiàn)階段具有良好的發(fā)展前景。

1 純電機車發(fā)展現(xiàn)狀

煤礦應用的電機車類型主要分兩種:架線式電機車和蓄電池電機車,因為煤礦環(huán)境的制約架線式電機車正在逐步退出使用,蓄電池電機車成為煤礦運輸動力設備的首選。當下電機車應用的主流是防爆特殊型蓄電池電機車,主要是在防爆安全型蓄電池電機車基礎上發(fā)展而來。機車的有關電氣設備都具有防爆特點。防爆特殊型蓄電池電機車的投產(chǎn)使用,使得我國的煤礦井下運輸作業(yè)水平得到進一步提升。通常在高瓦斯礦井中應用防爆特殊型蓄電池電機車,配備有1-2套電池組。由于鉛酸蓄電池具有較高的電勢,內(nèi)阻小,且原材料容易得到,成本較低,在礦山等多個領域中都得到了廣泛使用。但是其缺點是這種蓄電池由于過度充放電、電化腐蝕,容易使電池的內(nèi)阻增大,極板出現(xiàn)較為嚴重的脫落、變形,使用年限縮短,維護費用較高,因此,發(fā)展新型電池,就需要解決電池極板硫化、使用年限短、用電效率低等問題,以使電機車的應用得到進一步普及。

2 防爆鋰離子蓄電池和特殊型蓄電池電機車的比較

近年來,隨著鋰電池技術的不斷突破,其使用的安全性在逐步提高。井下防爆鋰離子蓄電池電機由于具有零排放、低噪音、高比能量等優(yōu)點,在礦井生產(chǎn)領域得到了廣泛關注,能夠很好地解決目前防爆柴油驅(qū)動電機車輛發(fā)展存在的困境。但我國礦產(chǎn)數(shù)量眾多且分布廣泛,井下使用條件參差不齊,復雜惡劣的使用工況對車輛的動力總成提出了更加苛刻的要求。對驅(qū)動電動機轉矩控制的動態(tài)要求比較高,并要求能夠適應極限工況,附加能量回饋的性能。要求動力電池比能量高、安全性好等。排除電動機和電池技術等客觀因素的影響,車輛動力總成設計的合理性也是影響整車性能的重要因素。

2.1 使用壽命對比 防爆特殊型蓄電池循環(huán)使用壽命通常極限時間在兩年以內(nèi),而防爆鋰離子電池循環(huán)使用壽命達到1960次以上,至少可以使用6年。

2.2 安全性能對比 特殊型蓄電池在使用過程中,會產(chǎn)生一定量的氫氣,同時發(fā)出大量的熱能,一旦蓄電池質(zhì)量出現(xiàn)問題,會給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患。而鋰離子電池中的P-O鍵穩(wěn)固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會大量發(fā)熱或是形成強氧化性物質(zhì),安全可靠。

2.3 容量對比 現(xiàn)如今煤礦電機車上使用的一臺電源裝置,是70只2V鉛酸蓄電池組成,理論容量61.6 k Wh。同樣,在煤礦電機車上用鋰離子電池電源,理論容量約63.2 k Wh,從這就能體現(xiàn)鋰離子蓄電池的優(yōu)點。

2.4 電池保護方法對比 特殊鉛酸蓄電池電源保護主要是通過插銷連接的熔斷器實現(xiàn),而酸鐵鋰離子電池電源配有鋰電池控制箱,可以實時檢測各個鋰電池電壓和溫度、電池組總電壓、充放電電流,并將全部信息傳送到控制板進行數(shù)據(jù)分析和自動采取保護措施。

通過以上的對比,防爆鋰離子蓄電池與防爆特殊型蓄電池相比較,具有明顯的優(yōu)勢,磷酸鐵鋰離子電池比容量高,相同重量的條件下其儲存能量約為鉛酸電池的3～4倍。單體磷酸鐵輸出電壓為3.2 V,高于鉛酸電池。倍率性能較好,1C放電容量可達0.1 C放電容量的90%以上。此外,其使用壽命也達到鉛酸電池的3倍以上,而且外加電池管理系統(tǒng)更加保證了鋰電池的使用年限和高效使用,更主要的是現(xiàn)行電機車可以和隔爆型鋰電池電源無縫連接,上車直接使用。與此同時,鋰電池不含重金屬與稀有金屬,無毒,無污染,符合環(huán)保要求,屬于綠色環(huán)保電池。

3 電機車發(fā)展前景

3.1 變頻電機朝著永磁電動機發(fā)展 兩種電動機使用的都是變頻器,但永磁變頻電機不需要無功勵磁電流,行進功率因數(shù)比較突出,減少了定子電流和定子電阻損耗,而且在安穩(wěn)運行時沒有轉子損耗,如果是小容量的電機可以去除風扇,因此,相應的風摩擦損耗會降低,與相同標準下的變頻電動機相比較,功率能夠提高2%-8%。而且,永磁變頻電機選用的是稀土永磁材料,而一般變頻電機則是一般的三相異步電機,永磁變頻電動機在規(guī)定的額定負載范圍內(nèi)具有較高的功率和功率因數(shù),電機車在輕荷載狀態(tài)下進行使用,具有較好的節(jié)能作用,同時具有較高的作業(yè)功率,相比較變頻電動機,功率能夠高出5%-7%之間,而且能夠更加節(jié)能省電。永磁變頻電機會依據(jù)用戶端設備的改動,主動調(diào)頻改動電機功率,很好地匹配電機輸出功率,無論是在輕載或過載的情況下其作業(yè)功率都較高。因此,未來純電機車的發(fā)展會朝著永磁變頻電機車方向大力發(fā)展。

3.2 礦井機械化生產(chǎn)中無人駕駛遠程遙控系統(tǒng)實現(xiàn) 礦用電機車隨著自動化控制技術的不斷發(fā)展,能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛遠程遙控。這種系統(tǒng)主要是以機車自動駕駛系統(tǒng)和自動裝礦為主體,利用調(diào)度指揮、軌道監(jiān)控、視頻監(jiān)控為輔助,對礦井下機車運行的狀態(tài)、位置、監(jiān)測參數(shù)、信號燈狀態(tài)、道岔狀態(tài)、重要地點視頻、裝礦機狀態(tài)、調(diào)度信息等直觀的在控制室內(nèi)上位機顯示器集中監(jiān)視。機車操作人員可根據(jù)上位機畫面的反饋,通過上位機或操作臺實現(xiàn)井下電機車的自動或遙控運行、自動或遠程遙控裝礦等功能。所有機車操作者可安排在同一個房間內(nèi)進行操作機車,方便調(diào)度人員下達生產(chǎn)運輸指令,并迅速得到機車操作者的回應信息。從而更能保障運輸安全、提高運輸效率,推動實現(xiàn)礦山的自動化。在控制室系統(tǒng)停電時,UPS穩(wěn)壓電源可提供兩個小時以上的后備供電。這種電機車的應用,使得軌道運輸系統(tǒng)的運行方式得到了良好的優(yōu)化,打破傳統(tǒng)運行模式,將電機車司機和放礦工合二為一,并取消卸礦站沖車工,統(tǒng)一由系統(tǒng)操作員操控,實現(xiàn)自動運行。而且系統(tǒng)實時顯示電機車設備的運行狀態(tài),操作員隨時掌握設備信息。

3.3 磷酸鐵鋰蓄電池電源在煤礦中的應用 磷酸鐵鋰蓄電池主要是以磷酸鐵鋰作為正極材料的新型電池,由于單體具有較大的容量,在多個領域中得到良好的應用,尤其是在礦井運輸電機車電源中使用。相比較鉛酸蓄電池,這種電池電源具有明顯的優(yōu)勢。首先,具有更長的使用壽命,在正常溫度條件下,磷酸鐵鋰蓄電池充放電的循環(huán)次數(shù)能夠超過2000次,是鉛酸蓄電池的4-5倍。另外,具有更高的安全性,PO43-化學鍵的結合力更強,具有穩(wěn)定的結構,不會輕易的釋放氧氣,無論什么情況下都不容易發(fā)生自燃和爆炸。使用磷酸鐵鋰蓄電池的電機車在礦井中應用,對充電硐室的要求不高。再者,從綜合角度考量,磷酸鐵鋰蓄電池使用智能化電池管理系統(tǒng),具有較長的使用年限,不用人工維護,電池故障率低,這種電機車的使用成本大大降低。隨著煤礦技術的發(fā)展水平不斷提升,鋰離子電池電機車的應用會得到大大普及。

結束語

總而言之,在如今的發(fā)展形勢下,純電機車的推廣應用已經(jīng)是必然趨勢,電機車作為一種軌道車輛運輸?shù)臓恳O備,在礦井作業(yè)中使用較為常見。由于近年來國家在環(huán)保方面的要求逐漸提高,純電機車的應用大大改變了動力源提供的方式,純電機車具有良好的發(fā)展前景。從上述分析中可以得知,純電機車的發(fā)展會從變頻電機轉向永磁電機,而且隨著智能技術的發(fā)展,無人駕駛遠程遙控系統(tǒng)在電機車中的應用也會得到推廣。