純電機車目前的現狀和發展趨勢

白云鵬

棗莊聯鑫實業有限責任公司 山東 棗莊277100

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

1 純電機車發展現狀

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使用,使得我國的煤礦井下運輸作業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,容易使電池的內阻增大,極板出現較為嚴重的脫落、變形,使用年限縮短,維護費用較高,因此,發展新型電池,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、高比能量等優點,在礦井生產領域得到了廣泛關注,能夠很好地解決目前防爆柴油驅動電機車輛發展存在的困境。但我國礦產數量眾多且分布廣泛,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。對驅動電動機轉矩控制的動態要求比較高,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使用壽命通常極限時間在兩年以內,而防爆鋰離子電池循環使用壽命達到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,會產生一定量的氫氣,同時發出大量的熱能,一旦蓄電池質量出現問題,會給礦山安全生產帶來隱患。而鋰離子電池中的P-O鍵穩固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會大量發熱或是形成強氧化性物質,安全可靠。

2.3 容量對比 現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,從這就能體現鋰離子蓄電池的優點。

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,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據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更加保證了鋰電池的使用年限和高效使用,更主要的是現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,符合環保要求,屬于綠色環保電池。

3 電機車發展前景

3.1 變頻電機朝著永磁電動機發展 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,行進功率因數比較突出,減少了定子電流和定子電阻損耗,而且在安穩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定的額定負載范圍內具有較高的功率和功率因數,電機車在輕荷載狀態下進行使用,具有較好的節能作用,同時具有較高的作業功率,相比較變頻電動機,功率能夠高出5%-7%之間,而且能夠更加節能省電。永磁變頻電機會依據用戶端設備的改動,主動調頻改動電機功率,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功率都較高。因此,未來純電機車的發展會朝著永磁變頻電機車方向大力發展。

3.2 礦井機械化生產中無人駕駛遠程遙控系統實現 礦用電機車隨著自動化控制技術的不斷發展,能夠實現無人駕駛遠程遙控。這種系統主要是以機車自動駕駛系統和自動裝礦為主體,利用調度指揮、軌道監控、視頻監控為輔助,對礦井下機車運行的狀態、位置、監測參數、信號燈狀態、道岔狀態、重要地點視頻、裝礦機狀態、調度信息等直觀的在控制室內上位機顯示器集中監視。機車操作人員可根據上位機畫面的反饋,通過上位機或操作臺實現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進行操作機車,方便調度人員下達生產運輸指令,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,推動實現礦山的自動化。在控制室系統停電時,UPS穩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,使得軌道運輸系統的運行方式得到了良好的優化,打破傳統運行模式,將電機車司機和放礦工合二為一,并取消卸礦站沖車工,統一由系統操作員操控,實現自動運行。而且系統實時顯示電機車設備的運行狀態,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次數能夠超過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,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,在如今的發展形勢下,純電機車的推廣應用已經是必然趨勢,電機車作為一種軌道車輛運輸的牽引設備,在礦井作業中使用較為常見。由于近年來國家在環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展前景。從上述分析中可以得知,純電機車的發展會從變頻電機轉向永磁電機,而且隨著智能技術的發展,無人駕駛遠程遙控系統在電機車中的應用也會得到推廣。