纯电机车目前的现状和发展趋势

白云鹏

枣庄联鑫实业有限责任公司 山东 枣庄277100

内燃机车自投入使用已有几十年,而内燃机车排放对环境有较大的危害,随着国家对环保要求的不断提高,纯电机车的应用得到了大力的推广,在现阶段具有良好的发展前景。

1 纯电机车发展现状

煤矿应用的电机车类型主要分两种:架线式电机车和蓄电池电机车,因为煤矿环境的制约架线式电机车正在逐步退出使用,蓄电池电机车成为煤矿运输动力设备的首选。当下电机车应用的主流是防爆特殊型蓄电池电机车,主要是在防爆安全型蓄电池电机车基础上发展而来。机车的有关电气设备都具有防爆特点。防爆特殊型蓄电池电机车的投产使用,使得我国的煤矿井下运输作业水平得到进一步提升。通常在高瓦斯矿井中应用防爆特殊型蓄电池电机车,配备有1-2套电池组。由于铅酸蓄电池具有较高的电势,内阻小,且原材料容易得到,成本较低,在矿山等多个领域中都得到了广泛使用。但是其缺点是这种蓄电池由于过度充放电、电化腐蚀,容易使电池的内阻增大,极板出现较为严重的脱落、变形,使用年限缩短,维护费用较高,因此,发展新型电池,就需要解决电池极板硫化、使用年限短、用电效率低等问题,以使电机车的应用得到进一步普及。

2 防爆锂离子蓄电池和特殊型蓄电池电机车的比较

近年来,随着锂电池技术的不断突破,其使用的安全性在逐步提高。井下防爆锂离子蓄电池电机由于具有零排放、低噪音、高比能量等优点,在矿井生产领域得到了广泛关注,能够很好地解决目前防爆柴油驱动电机车辆发展存在的困境。但我国矿产数量众多且分布广泛,井下使用条件参差不齐,复杂恶劣的使用工况对车辆的动力总成提出了更加苛刻的要求。对驱动电动机转矩控制的动态要求比较高,并要求能够适应极限工况,附加能量回馈的性能。要求动力电池比能量高、安全性好等。排除电动机和电池技术等客观因素的影响,车辆动力总成设计的合理性也是影响整车性能的重要因素。

2.1 使用寿命对比 防爆特殊型蓄电池循环使用寿命通常极限时间在两年以内,而防爆锂离子电池循环使用寿命达到1960次以上,至少可以使用6年。

2.2 安全性能对比 特殊型蓄电池在使用过程中,会产生一定量的氢气,同时发出大量的热能,一旦蓄电池质量出现问题,会给矿山安全生产带来隐患。而锂离子电池中的P-O键稳固,难以分解,即便在高温或过充时也不会大量发热或是形成强氧化性物质,安全可靠。

2.3 容量对比 现如今煤矿电机车上使用的一台电源装置,是70只2V铅酸蓄电池组成,理论容量61.6 k Wh。同样,在煤矿电机车上用锂离子电池电源,理论容量约63.2 k Wh,从这就能体现锂离子蓄电池的优点。

2.4 电池保护方法对比 特殊铅酸蓄电池电源保护主要是通过插销连接的熔断器实现,而酸铁锂离子电池电源配有锂电池控制箱,可以实时检测各个锂电池电压和温度、电池组总电压、充放电电流,并将全部信息传送到控制板进行数据分析和自动采取保护措施。

通过以上的对比,防爆锂离子蓄电池与防爆特殊型蓄电池相比较,具有明显的优势,磷酸铁锂离子电池比容量高,相同重量的条件下其储存能量约为铅酸电池的3～4倍。单体磷酸铁输出电压为3.2 V,高于铅酸电池。倍率性能较好,1C放电容量可达0.1 C放电容量的90%以上。此外,其使用寿命也达到铅酸电池的3倍以上,而且外加电池管理系统更加保证了锂电池的使用年限和高效使用,更主要的是现行电机车可以和隔爆型锂电池电源无缝连接,上车直接使用。与此同时,锂电池不含重金属与稀有金属,无毒,无污染,符合环保要求,属于绿色环保电池。

3 电机车发展前景

3.1 变频电机朝着永磁电动机发展 两种电动机使用的都是变频器,但永磁变频电机不需要无功励磁电流,行进功率因数比较突出,减少了定子电流和定子电阻损耗,而且在安稳运行时没有转子损耗,如果是小容量的电机可以去除风扇,因此,相应的风摩擦损耗会降低,与相同标准下的变频电动机相比较,功率能够提高2%-8%。而且,永磁变频电机选用的是稀土永磁材料,而一般变频电机则是一般的三相异步电机,永磁变频电动机在规定的额定负载范围内具有较高的功率和功率因数,电机车在轻荷载状态下进行使用,具有较好的节能作用,同时具有较高的作业功率,相比较变频电动机,功率能够高出5%-7%之间,而且能够更加节能省电。永磁变频电机会依据用户端设备的改动,主动调频改动电机功率,很好地匹配电机输出功率,无论是在轻载或过载的情况下其作业功率都较高。因此,未来纯电机车的发展会朝着永磁变频电机车方向大力发展。

3.2 矿井机械化生产中无人驾驶远程遥控系统实现 矿用电机车随着自动化控制技术的不断发展,能够实现无人驾驶远程遥控。这种系统主要是以机车自动驾驶系统和自动装矿为主体,利用调度指挥、轨道监控、视频监控为辅助,对矿井下机车运行的状态、位置、监测参数、信号灯状态、道岔状态、重要地点视频、装矿机状态、调度信息等直观的在控制室内上位机显示器集中监视。机车操作人员可根据上位机画面的反馈,通过上位机或操作台实现井下电机车的自动或遥控运行、自动或远程遥控装矿等功能。所有机车操作者可安排在同一个房间内进行操作机车,方便调度人员下达生产运输指令,并迅速得到机车操作者的回应信息。从而更能保障运输安全、提高运输效率,推动实现矿山的自动化。在控制室系统停电时,UPS稳压电源可提供两个小时以上的后备供电。这种电机车的应用,使得轨道运输系统的运行方式得到了良好的优化,打破传统运行模式,将电机车司机和放矿工合二为一,并取消卸矿站冲车工,统一由系统操作员操控,实现自动运行。而且系统实时显示电机车设备的运行状态,操作员随时掌握设备信息。

3.3 磷酸铁锂蓄电池电源在煤矿中的应用 磷酸铁锂蓄电池主要是以磷酸铁锂作为正极材料的新型电池,由于单体具有较大的容量,在多个领域中得到良好的应用,尤其是在矿井运输电机车电源中使用。相比较铅酸蓄电池,这种电池电源具有明显的优势。首先,具有更长的使用寿命,在正常温度条件下,磷酸铁锂蓄电池充放电的循环次数能够超过2000次,是铅酸蓄电池的4-5倍。另外,具有更高的安全性,PO43-化学键的结合力更强,具有稳定的结构,不会轻易的释放氧气,无论什么情况下都不容易发生自燃和爆炸。使用磷酸铁锂蓄电池的电机车在矿井中应用,对充电硐室的要求不高。再者,从综合角度考量,磷酸铁锂蓄电池使用智能化电池管理系统,具有较长的使用年限,不用人工维护,电池故障率低,这种电机车的使用成本大大降低。随着煤矿技术的发展水平不断提升,锂离子电池电机车的应用会得到大大普及。

结束语

总而言之,在如今的发展形势下,纯电机车的推广应用已经是必然趋势,电机车作为一种轨道车辆运输的牵引设备,在矿井作业中使用较为常见。由于近年来国家在环保方面的要求逐渐提高,纯电机车的应用大大改变了动力源提供的方式,纯电机车具有良好的发展前景。从上述分析中可以得知,纯电机车的发展会从变频电机转向永磁电机,而且随着智能技术的发展,无人驾驶远程遥控系统在电机车中的应用也会得到推广。