礦用電機車無線恒流充電技術(shù)研究

王 軍

（山西潞安集團華億五一煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046500）

引言

礦用電車用于煤礦井下運輸人員、器具、材料、矸石、煤炭，對于煤礦順利生產(chǎn)發(fā)揮著重要作用。但由于我國煤礦多為高瓦斯礦井，無法采用架空線供電，多使用蓄電池供電。蓄電池組體積笨重，容量有限，需在硐室充電，因此導(dǎo)致電機車續(xù)航里程短，維護麻煩。為了提高效率[1-2]，往往為單臺電機車配置2-3組蓄電池，無疑增加了使用成本，更換蓄電池組也較為繁瑣。針對此問題，本文研究礦用電機車無線恒流充電技術(shù)，無線充電可實現(xiàn)非接觸充電，因此不會產(chǎn)生電火花，具有較高的安全性[3]，恒流充電可實現(xiàn)電機車快速充電，不僅可在硐室中充電，還可在電機車等待裝卸貨或者等待人員時補充電能，極大地提高了電機車的續(xù)航里程，減少了蓄電池組的維護時間，提高了電機車的使用效率。

1 電機車無線恒流充電電路

1.1 電機車無線充電裝置組成

圖1為電機車無線充電裝置原理框圖，由高頻逆變電路、LCC諧振補償電路、能量發(fā)射線圈、能量接收線圈、整流濾波電路等組成，其中原邊電路中的高頻逆變電路、LCC諧振補償電路位于防爆外殼中，能量發(fā)射線圈單獨做成圓盤式防爆封裝，可以移動，需要充電時放置在能量接收線圈上方，因為發(fā)射線圈和接收線圈距離近，耦合系數(shù)高，因此可以實現(xiàn)高效無線充電，副邊電路全部位于電機車上，做成防爆或者隔爆封裝。

1.2 LCC-LCC諧振補償恒流特性

圖2為電機車無線恒流充電電路，其補償電路為LCC-LCC，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時，滿足公式（1）

圖1 電機車無線充電裝置原理框圖

式（1）中：Lf1、Lf2分別為原、副邊串聯(lián)補償電感，Cf1、Cf2分別為原、副邊并聯(lián)補償電容，Lp為能量發(fā)射線圈，Ls為能量接收線圈，Cp、Cs分別為原、副邊串聯(lián)電容，ω0為諧振角頻率。從公式（1）可知，電路的諧振狀態(tài)僅取決于電感、電容的參數(shù)，而與負載的大小無關(guān)，不同電量的負載其等效電阻不同，因此本文電機車無線恒流充電電路在充電過程中可始終保持諧振狀態(tài)。

圖2 電機車無線恒流充電電路

能量發(fā)射線圈電流Ip如公式（2）所示[4]。

其中E為逆變器的直流側(cè)電壓，從公式（2）可知，能量發(fā)射線圈電流與負載無關(guān)。

由電磁感應(yīng)定律可求得能量接收線圈上的感應(yīng)電壓U：

副邊電路和原邊電路為對稱電路[5]，可求得電感Lf2上的電流，也就是負載電流。從公式（4）可知，負載電流與蓄電池剩余電量無關(guān)，僅與互感、直流電壓、諧振頻率、原副邊串聯(lián)補償電感有關(guān)，而這些參數(shù)在系統(tǒng)確定后基本不會發(fā)生變化，充電時能量發(fā)射線圈放置在能量接收線圈上，因此互感M也可保持不變。

2 仿真驗證

為驗證本文所研究電路可實現(xiàn)電機車無線恒流充電，在matlab中搭建仿真模型，選用simulink中電池模型“battery”，參數(shù)按照8 t電機車蓄電池組參數(shù)設(shè)置，額定電壓110 V，額定容量440 Ah，模型中其他參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

圖3和圖4分別為蓄電池剩余電量在30%和90%時，逆變器的輸出電壓、輸出電流以及電蓄池的充電電流Ic的輸出波形，從仿真結(jié)果可知，逆變器輸出電壓、電流的相位未發(fā)生變化，處于諧振狀態(tài)；電池的充電電流略微提升0.05 A，從仿真結(jié)果可知，本文所研究電機車無線充電電路可實現(xiàn)不同剩余電量下的恒流充電。

圖3 剩余電量為30%時輸出波形

圖4 剩余電量為90%時輸出波形

3 結(jié)語

在本文對電機車無線充電技術(shù)的研究中，充分考慮了煤礦井下高瓦斯環(huán)境，該技術(shù)具有較高的安全性、可操作性。通過仿真證明，本文研究的無線充電裝置效率較高，充電電流大，且當(dāng)負載發(fā)生變化時仍舊可保持恒流充電，具有一定的應(yīng)用價值。