摘要
锂离子电池作为现代文明中重要的能量载体被广泛且大量地使用。浅层钻探是一种重要的浅表层调查取样手段，将锂离子电池储能技术应用于便携式钻机的研发，可解决山区、林草区等特殊地貌区防火期内调查取样的难题，实现浅钻调查零碳排，助力绿色勘查发展；本文重点介绍了锂电池电动钻机的技术参数、特点及试验情况，该机型具有体积小、质量轻、无噪音、无污染，主要钻进参数可显示、可调控，钻进数据可采集、可存储等特点，锂离子电池储能技术在便携式钻机中的应用为浅钻装备数字化、信息化和智能化发展奠定了基础。
新时代地质调查围绕“全力支撑能源、矿产、水和其他战略资源安全保障，精心服务生态文明建设和自然资源管理中心工作”的基本定
本文由浅钻调查过程中遇到的实际问题出发，研究制定技术解决方案，采用锂离子电池组替代传统燃油动力驱动钻机，并开展配套技术方法的研究与试验。试验表明，新设备和新技术能够满足浅表层地质调查取样需求，解决林草等地区防火期内无法施工的难题，符合绿色地质勘查发展要求。
以背包钻机为代表的便携式取样钻机，以其携带方便、操作灵活、钻孔快捷等特点，在难进入地区地质调查取样中发挥过重要作
（1）现有便携式钻机不能满足特殊地貌区调查取样需求。山区、林草区等特殊地质地貌区是新时代地质调查的重点工作区，要求防火期内禁用燃油动力，现有技术设备不能满足生产需求；在高原地区，随着海拔的增加，大气压力降低，进入汽油发动机气缸内的空气量相应减少，导致缸内燃烧恶化、功率下降、燃油消耗率升高等问题，从而影响到浅层调查质量与效率。国内外资料表明，海拔每升高1000 m，汽油发动机功率下降8%~13
（2）现有便携式钻机不能满足安全生产新规定。现有便携式钻机主要采用汽油机驱动。国家对零散汽油采购限制日臻严格，对以流动作业为主要特征的浅钻调查工作影响较大；且野外零散汽油存储、携带等均存在较大安全隐患，不符合安全生产新规定。
（3）现有便携式钻机不符合绿色发展新要求。现有便携式钻机的主机与动力源采用一体化设计，存在操控性差、故障率高等系列问题；同时，尾气排放、噪声污染等对工作环境和人身健康均产生不良影响等，不符合新时代绿色发展新要求。
电化学储能技术至今已有 200 多年历史。1800年，意大利人伏打（Volt）发明了人类历史上第一套电源装置；1836年，丹尼尔电池问世；1859年，法国科学家普朗特（Plante）发明世界第一只可充电的铅酸电池；1868年，法国勒兰社（Leclanche）发明锌锰干电池；1899年，瑞典发明家Waldmar Jungner发明镍镉电池；1976年，Stanford Ovshinsky发明了镍氢电
通过几种不同电池技术的体积和质量能量密度比较（见
图1 不同蓄电池能量密度对比
《中国制造2025》中制定的我国生产的锂离子电池能量密度的目标是2025年达到400 Wh/kg，2030年达到500 Wh/k
锂离子电池由正极材料、负极材料、电解液和隔膜4大部分组成。锂离子在正极材料与负极材料之间可逆脱嵌，充电时，锂离子从正极材料中脱出，穿过隔膜，嵌入负极材料，形成正极贫锂、负极富锂的高能量态，电能转化为化学能，实现能量的存储；放电时则与之相反，锂离子从负极脱出，通过隔膜，再嵌回正极材料，对应于化学能到电能的转化，实现对外做
图2 锂离子电池充/放电过程
锂离子电池的能量Ｅ等于平均工作电压Ｖabe与质量（体积）比容量Ｑmax的乘积，通过提高平均工作电压或者提高材料的质量（体积）比容量，可提高电池的能量密度。
围绕山区、林草等特殊地质地貌区调查取样需求，结合便携式钻机能耗低、单孔工作时间短等特点，在跟踪掌握锂电池储能技术发展的基础上，制定钻机研究方案，分别从动力、结构、控制及工艺等方面进行创新升级。具体内容如
按照不同的地质调查取样需求，分别研制了低速、高速两类机型，实现松散层取样和硬岩取心，在满足预定功能前提下，力求结构简单、操作便捷、运行可靠，主要参数如
钻机结构包括锂电池组、主机和控制器3个部分。主机由直流电机、减速器、手持架、调速器等部件组成，锂电池组与控制器模块化组装，形成钻机的动力控制单元（见
图3 主机结构
图4 操控部分
利用PWM技术控制直流电机转速；利用直流电压和直流电流传感器采集电机电流与电压信号到PLC，通过PLC实现对多路电流与电压信号的采集、计算和存储等，利用功率与转速的关联性，控制钻机输出扭矩，通过显示屏显示电量、功率、转速和扭矩等主要钻进参数。
北京市在疏解非首都核心功能绿色转型发展过程中，面临着诸多土壤环境问
2020年4月，采用锂离子电池组驱动的便携式钻机在北京市怀柔区琉璃庙和老公营、房山区良乡和周口店等多类景观区、多种地层类型的监测点进行试验。试验效果：土壤等松散层钻进效率1~2 m/min，取心率≥98%（见
图5 松散层取心效果
图6 硬岩层取心效果
（1）试验证明：采用锂离子电池组替代传统燃油动力驱动钻机，能够满足浅表层钻探调查取样需求，整机质量与背包钻机相当，携带方便、操控简单、运行可靠。
（2）新型便携式钻机采用分体式结构设计，主机与动力源分离，具有无噪音、无污染、零碳排、安全可靠等技术优势，符合地质装备绿色化发展要求。
（3）新型便携式钻机实现了钻进参数可显示、可调控；钻进数据可采集、可存储等功能，为后续浅钻装备向数字化、信息化和智能化方向发展奠定基础。
（4）锂电池储能技术发展日新月异，浅表层调查钻探设备具有能耗低、单孔作业时间短等特征，是锂电池技术应用于地质装备领域的最佳结合点，也是新时代地质调查装备体系发展方向之一。
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