電牽引單軌吊機車蓄電池的研究

楊志林，靳勝利

（1.山西省農業機械化科學研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安環保能源股份有限公司漳村煤礦）

電牽引單軌吊機車蓄電池的研究

楊志林1，靳勝利2

（1.山西省農業機械化科學研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安環保能源股份有限公司漳村煤礦）

分析了我國目前電牽引單軌吊機車蓄電池的優點和不足，研究了動力電池，最后得出結論認為：水平鉛網電池是電牽引單軌吊機車動力電池的首選，并提出了水平鉛網電池的技術方案。

煤礦動力電池；單軌吊機車；輔助運輸；鉛網電池

單軌吊機車是井下輔助運輸設備。目前國內煤礦用的單軌吊機車，有進口的柴油機單軌吊機車和國產防爆蓄電池單軌吊機車。國產防爆蓄電池單軌吊機車具有無污染、低噪音、節能等特點，填補了國內井下輔助運輸領域的一項空白并達到國際先進水平。但是制約國產防爆蓄電池單軌吊機車的關鍵因素是它使用的鉛酸蓄電池不理想，存在著體積大、重量重、使用時間有限、持續供電能力差的問題。有必要研究一種煤礦用的動力蓄電池，用以提高國產單軌吊機車蓄電池的比能量和比功率、延長使用壽命。

1 國產防爆蓄電池單軌吊機車的蓄電池技術參數

目前國產防爆蓄電池單軌吊機車蓄電池組，由108塊單體為2V，560Ah的電池串聯而成，總容量為560Ah、216V，總自重為5060kg，總體積為3400 mm（長）×860mm（寬）×960mm（高），總功率為41.5 kW。單軌吊機車工作性質為不連續工作，每8h充電一次。

2 現行動力蓄電池比較

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用于汽車的起動動力源，是較成熟的動力蓄電池；它的可靠性好、安全性能高、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足國產單軌吊機車的動力要求。但它有兩大缺點；一是比能量低，質量和體積大，且一次充電行駛里程較短；二是使用壽命短，使用成本高。

2.2 鉛網水平電池

水平電池技術是近年發展的先進的鉛酸蓄電池技術，1985年美國開始研究水平電池技術，歷經十多年，投資超過8 000萬美元，才轉化為實用化商品，采用了新的材料和設計理念。與傳統鉛酸蓄電池相比，采用復合鉛絲技術制造的水平電池，具有以下顯著特點：重量比能量高，電池的重量至少降低25%；電阻小，電流分布均勻，大電流充放電性能好；極板水平放置，減輕了濃差極化，提高了電池的抗沖擊性能，避免了由于活性物質脫落引起的電池短路，延長了電池使用壽命；電池準雙極結構，極板直接連通，取消了單體間的匯流排和極柱，縮短了工藝路線，提高了電池制造的可靠性；鉛網水平電池應屬于安全免維護電池。

2.3 鋰離子蓄電池

鋰電池被列為動力蓄電池的長期開發目標，鋰電池的種類繁多。近年來發展的聚合物鋰離子電池，又稱固態鋰離子電池，以鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳錳鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等材料為正極，碳材料為負極，并采用鋁塑膜外包裝；不僅具有液態鋰離子電池的高電壓、長壽命、放電電壓平穩、清潔無污染等特點，而且消除了液態鋰離子電池存在爆炸的安全隱患，安全性能已通過國家權威機構檢測，尤其是磷酸鐵鋰電池的安全性能更得到了廣泛的認可，經擠壓、針刺、短路等極端工況下不起火、不燃燒、不爆炸；其比能量為100 Wh／kg，比功率為200 W/kg，循環使用壽命為1200次，充電時間2～4h。缺點是價格昂貴，還沒有大容量的電池生產，充電均衡保護電路復雜，不適宜在煤礦井下使用。

2.4 鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池屬于堿性電池，目前應用程度僅次于鉛酸蓄電池，其比能量達55 Wh／kg，比功率超過190 W／kg，可快速充電，循環使用壽命較長，達到2 000多次，是鉛酸蓄電池的兩倍多，但是價格為鉛酸蓄電池的4～5倍，且存在重金屬污染問題。

2.5 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池屬于堿性電池，其特性與鎳鎘蓄電池相似，但其不含鎘、銅，不存在重金屬污染問題；它的比能量達75～80 Wh/kg，比功率達160～230 W／kg，循環使用壽命超過600次。由于當前沒有成熟的600 Ah電池產品，只能采用6個100Ah并聯的方式擴大容量，但是并聯方式容易導致各組電池內部之間（由于電壓和內阻不均）引起回流現象，輕則使電池容量受損，重則導致電池組燒毀。如果采用各單組分別供電，需用繼電器在帶電工況下實現無間隙切換，這在高電壓大電流切換瞬間，繼電器因電弧很容易被燒毀，會對煤礦安全造成隱患。

2.6 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池是近期普遍看好的動力蓄電池，比能量達109Wh／kg，循環使用壽命1200次。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重，電池壽命較短，性能穩定性及使用安全性不太理想等問題，因此不適宜煤礦井下使用。

2.7 鋅空氣電池

鋅空氣電池的潛在比能量約200 Wh/kg左右。美國DEMI公司為電動汽車開發的鋅空氣電池的比能量已達160 Wh／kg，但它目前仍有壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點。其局限性是：由于鋅空電池采用換電板的方法，當用完電后，需更換電池鋅板；對于舊電池鋅板抽取鋅膏和注入鋅膏，都需要專門的工藝和設備，使用成本是鉛酸蓄電池的數倍。再者，單軌吊機車的重力勢能所產生的電能，不能回饋給鋅空氣電池，單軌吊機車在制動和下坡時，存在很大的安全隱患。

3 技術方案

綜上分析，考慮性價比、比能量、比功率，以及煤礦安全要求，宜選鉛網水平電池做為煤礦動力電池使用。所以我們提出了鉛網水平電池技術方案：它由EV85單體電池組成216 V，595Ah的動力電池組，EV85單體電池額定電壓12V，額定容量85Ah，體積為768mm（長）×128mm（寬）×122（高）mm，即由7只單體EV85電池并聯成電池組，再由18個這樣的電池組串聯，組成國產防爆蓄電池單軌吊機車所需要的電源，技術參數如下：標稱容量：595Ah。標稱電壓216V。循環使用壽命為600次。工作溫度為-40°C到50°C。充電時間：充電電流為315A時，充電時間3.5 h。體積：2 688 mm（長）×810 mm（寬）×732（高）mm。重量為3.2 t。放電時間：放電電流150 A時，可連續工作4 h。總價格約為20萬元。

水平電池的充電方式與富液電池不同，水平電池不能連續在高電壓下充電；否則，將會使電池嚴重失水，導致電池過早損壞；而且水平電池也不能充電不足，這樣硫酸鉛就不能充分轉變成二氧化鉛或者金屬鉛，長時間下去，硫酸鉛的晶體就會堆積在電池極板表面，從而影響電池性能，使電池壽命過早終結。所以，正確的充電方法是決定水平電池循環壽命的最重要的因素。

Abstract:The paper introduces the strengths and weaknesses of the storage batteries used in electricity-drag monorail hanging locomotive in China.After the study of power batteries,the authors conclude that horizontal lead-net battery should be the best choice and its technical scheme is presented.

Keywords:mine power batteries;monorail hanging locomotive;auxiliary transportation;lead-net batteries

編輯：劉新光

Research on Storage Batteries of Electricity-Drag Monorail Hanging Locomotive

YANG Zhi-lin1,JIN Sheng-li2
（1.Shanxi Agricultural Mechanization Institute of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030031,China;2.Zhangcun Mine,Lu'an Environmental Energy Co.,Lu'an Shanxi 046032,China）

TD64+2

A

1672-5050（2010）07-0066-02

2010-03-18

楊志林（1965—），男，山西稷山人，大學本科，高級工程師，從事工業電氣自動化控制方面工作。