摘要：本文通过介绍石家庄煤矿机械有限公司生产的CBL8/6GP防爆型锂电池电机车在邢台矿的应用现状，总结锂电池电机车相对于铅酸蓄电池电机车的优缺点，然后通过对锂电池电机车优劣势的分析，对锂电池电机车在煤矿的应用前景进行研究和展望。
关键词：锂电池；铅酸蓄电池；矿用电机车
矿用防爆型电机车作为主要的煤矿机电运输装备，按功能形式分为架线式电机车和防爆特殊型蓄电池电机车两种类型。我国《煤矿安全规程》2016版第三百七十六条规定，采用轨道机车运输时，轨道机车的选用应遵守下列规定：（一）突出矿井必须使用符合防防爆要求的机车。（二）新建高瓦斯矿井不得使用架线电机车运输。（三）低瓦斯矿井的主要回风巷、采区进（回）风巷应当使用符合防爆要求的机车。再加上防爆特殊型蓄电池电机车具有机动、灵活、易于维护、无火花易防爆等优点，因此推动了防爆特殊型蓄电池电机车的发展进步和广泛应用。目前主要用于矿用电机车动力电池的蓄电池是铅酸电池，随着技术的发展和成本的降低，锂离子电池也开始应用于矿用电机车。
一、CBL8/6GP防爆型锂电池电机车介绍
邢台矿使用的CBL8/6GP防爆型锂电池电机车是由石家庄煤矿机械有限公司生产，其采用矿用隔爆兼本质安全型锂离子蓄电池电源箱作为电机车的动力电源，该电源箱由4个腔体组成，分别为电池组腔、元件腔、接线腔、本安腔。电池组腔内放置磷酸铁锂电池包，电池的总正和总负电缆以及每个单体电池的电压和温度线通过穿墙端子引至元件腔，元件腔内主要安装有电池管理系统、触摸屏、开关电源、本安电源、直流接触器、熔断器、绝缘监测模块、以及继电器等。DC24V电源箱以及总正和总负电缆经过直流接触器引至接线腔对外输出电源，本安腔内则接CAN通讯总线以及控制接触器的触点等。
电源箱内装有100块3.2V的磷酸铁锂电池，电源箱前盖上安装有一块5.7寸的液晶显示屏，该显示屏可显示电源箱内每一块电池的当前状态，包括电量、电压、温度、输出电流、最大压差以及相应故障等信息。电源箱侧壁有一个开关手柄，可以控制电源箱的对外输出。
逆变器选用ABB公司的直接转矩控制（DTC）变频器ACS800系列，变频器可在零速时产生150％Me转矩，且无速度传感器，其转矩环是内环，速度环是外环，系统通过自动识别建立电机模型，可以得到准确的转子速度信号作为速度环的反馈信号，所以不需要速度编码器仍可以对电机进行精确的速度控制。逆变器为内装有CAN通讯模块，可与控制箱内的高速控制器实时通讯，不断接收控制信号，并且反馈状态信号。
锂电池监控功能，当电机车锂电池电量低于30%时，控制系统会发出声音报警信号；当锂电池绝缘低于100Ω/V时，电池管理系统会断开接触器，停止对外供电。通过调节逆变器上的位置开关，当机车前进时，控制逆变器能自动接通机车前照明灯及后警示灯的工作电源；当机车后退时，控制逆变器能自动接通机车后照明灯及前警示灯的工作电源；当机车停车时，控制逆变器能自动接通机车前后警示灯的工作电源。
变频输出具有完善的综合保护功能，在非正常工作状态及故障状态时，变频器输出保护性截止，如：输入电压过高、输入电压过低、输出电流过大、负载过大、机车运行速度过高、逆变器温度过高、缺相、瞬时掉电、输出电流严重不平衡等。故障恢复后，需将调速手柄回归零位后方可复位。
二、CBL8/6GP防爆型锂电池电机车与普通CTL8/6GP防爆特殊型蓄电池电机车对比分析
锂电池电机车与铅酸蓄电池电机车相比，其特性和优点十分突出：
1、电池寿命长。铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高不超过500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到7-8年。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。
2、电池维护量小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆铅酸蓄电池维护量较大，在充电过程中，电池发热及化学反应会造成电解液挥发缺失，因此每周要定期检查电解液高度，对低于标准的要及时补充，而锂电池则终生免维护。
3、充、放电特性好。锂电池包充放电电能转换效率可大于97%，铅酸蓄电池充放电电能量转换效率约为80%左右。对于同样的完全充电的磷酸铁锂电池，在相同的温度下，采用不同倍率的放电电流，其放电输出特性非常稳定。铅酸蓄电池充满电需要约8小时，且充电过程中要密切关注充电状态适时调整充电电流，电池充电完成后要及时断开充电器。锂电池充电速度快，充电时间短，约2小时即可充满，充电时全程自动，充满后自动停止充电，无需人员操作。磷酸铁锂电池自放电少，无记忆效应。磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟即可以使电池充满，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。
4、安全性高。铅酸电池充电过程中存在析氢和刺激性气体挥发，需有独立通风的特殊硐室充电，且电解液具有腐蚀性，对人体造成一定的损害。磷酸铁锂的化学性质稳定，高温稳定性好，700-800℃才会开始发生分解，且在面对撞击、针刺、短路等情况时不会释出氧分子，不会产生剧烈的燃烧，安全性能高。锂电池完全解决了铅酸蓄电池的安全隐患问题。铅酸蓄电池在强烈的碰撞下会产生爆炸，对电机车司机的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂电池在实际操作中针刺或短路实验中发现有小部分样品出现燃烧现象，但未出现一例爆炸事件。
5、环保性优越。铅酸电池含铅、锑等重金属，对环境造成严重污染，使用与维护易发生泄漏，内部硫酸容易外溢造成设备腐蚀及人员伤害事故。磷酸铁锂电池绿色环保，无毒，无污染，原材料来源广泛，而且制作上不需要加入稀有金属，电池回收率超过95%。铅酸蓄电池的电动车中铅酸蓄电池中存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，将对环境产生污染，而锂电池的材料不含任何（锂之外）重金属或者稀有金属，无任何有毒有害物质，被世界认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中均无污染，成为广为关注研究的热点。
6、单体电池电压高，放电平台平稳。电池单体标称电压为3.2V，串联少，电池组可靠性高，可作大电流高功率充放电。高倍率放电特性：10C充放电效率达到96%以上，容量保持率90%以上。
7、能量密度高。电池的能量重量比值为铅酸电池30WH/KG左右，锂电池140WH/KG左右。锂电池商品设计可轻量化，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸蓄电池体积的2/3，重量是铅酸蓄电池的1/3。这样的的优势，使得磷酸铁锂电池便于运输和维护、同等体积下可以设计成更大的电池容量，电机车在每个充电周期内可以运行更长时间，提高了电机车的使用率。
8、无记忆效应。铅酸蓄电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫记忆效应。而磷酸铁电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。
9、价格较贵。锂离子电池的价格比铅酸蓄电池的用贵一倍。
三、锂电池电机车在煤矿的应用前景展望
磷酸铁锂电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属，无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。锂电池以其卓越的性能，优良的品质，列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。目前的磷酸铁锂电池生产工艺方面比较复杂，生产制造方面要求较高，以至于制造价格上略微偏高。但从长远的发展眼光看，随着国家对矿用设备安全要求的力度加大，再加之国家新能源战略的部署，铅酸蓄电池在矿用电机车动力电源的比重将大大减小，磷酸铁锂电池的地位也将逐步提升，不久的将来磷酸铁锂电池一定会取代铅酸蓄电池，成为矿用电机车动力电源上的新贵。
参考文献：
[1]HE202用户手册.上海派芬自动控制技术有限公司，2012.
[2]ABB ACS800变频器固件手册.备件ABB电气传动系统有限公司，2009.
[3]李金城.三菱FX3U PLC应用基础与编程入门.电子工业出版社，2016.
论文作者:崔常会
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/1
标签：锂电池论文; 电机论文; 电池论文; 磷酸论文; 机车论文; 酸蓄电池论文; 电源论文; 《基层建设》2019年第22期论文;