礦用電機(jī)車蓄電池電源裝置的設(shè)計(jì)

劉亮平

（北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

0 引 言

礦用電機(jī)車是煤礦井下的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，用來運(yùn)輸材料、設(shè)備以及人員等，是不可或缺的機(jī)電設(shè)備。當(dāng)前使用的礦用電機(jī)車經(jīng)多年發(fā)展改進(jìn)而來，包括有軌式、無軌式以及牽引式等多種形式，但其使用的動(dòng)力電源主要是鉛酸蓄電池，具有生產(chǎn)工藝成熟、成本低、放電電流大等優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鉛酸電池的缺點(diǎn)也比較明顯，其續(xù)航能力差，在充放電過程中會(huì)釋放污染環(huán)境的氣體。此外，鉛酸蓄電池能量密度低、壽命短、回收困難，已經(jīng)嚴(yán)重影響礦用電機(jī)車的智能化升級(jí)，制約煤礦智能化發(fā)展速度。基于此，采用綠色、高效、安全可靠的蓄電池將成為今后礦用電機(jī)車電源的必然趨勢(shì)[1]。

1 礦用電機(jī)車蓄電池概況

目前，礦用電機(jī)車中的電源主要采用鉛酸蓄電池，也有少量使用鋰離子蓄電池。20 世紀(jì)50 年代，鉛酸電池在我國就開始廣泛應(yīng)用，其技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、安全可靠，將其作為機(jī)車動(dòng)力源無火花引爆風(fēng)險(xiǎn)，適合煤礦井下環(huán)境使用。與此同時(shí)，其充電時(shí)間長且循環(huán)壽命只有300 次左右，需長期維護(hù)，后期運(yùn)用成本相對(duì)較高。此外，鉛酸蓄電池中的鉛是重金屬，存在污染，與綠色環(huán)保的概念背道而馳。

近年來，大容量鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)和應(yīng)用取得了長足的技術(shù)突破，在已投入市場的蓄電池礦用電機(jī)車中也有鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用[2]。礦用電機(jī)車主要使用環(huán)境為煤礦井下，蓄電池電源設(shè)計(jì)必須符合防爆國家標(biāo)準(zhǔn)要求，且電池放置于密閉的隔爆外殼內(nèi)，嚴(yán)禁使用會(huì)析出或釋放有毒有害、可燃性或污染環(huán)境的電池。從全生命周期來看，鋰離子電池成本相對(duì)較低，隨著鋰離子電池技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷突破與進(jìn)步，其成本會(huì)大幅下降，前景十分廣闊，礦用機(jī)車電源全面使用鋰離子電源也是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2 磷酸鐵鋰離子蓄電池特點(diǎn)

磷酸鐵鋰離子蓄電池是一種正極材料為磷酸亞鐵鋰（LiFePO4）的新型蓄電池，它主要依靠磷酸亞鐵鋰在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)來工作。在充、放電過程中，磷酸亞鐵鋰在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌。該電池?zé)o記憶效應(yīng)，在充電時(shí)無須考慮電池電量，隨用隨充。目前，磷酸鐵鋰離子蓄電池在移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車、國家電網(wǎng)儲(chǔ)能等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。磷酸鐵鋰離子蓄電池與其他蓄電池相比，特性和優(yōu)點(diǎn)都很突出[3,4]。

（1）壽命長。一般鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池循環(huán)壽命在300 次左右，磷酸鐵鋰離子蓄電池1C 循環(huán)壽命普遍達(dá)1 500 ～2 000 次，平均使用壽命為6 年，是鉛酸電池的5 倍、鎳氫電池的4 倍，在低放電深度下甚至可達(dá)幾萬次[5]。

（2）安全性高。磷酸鐵鋰離子蓄電池的正極材料電化學(xué)性能比較穩(wěn)定，在使用過程中電池結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)因?yàn)槎搪贰⑦^充、過放等因素發(fā)生爆炸，且在充電過程中不會(huì)有氫氣等析出[6]。

（3）環(huán)保性優(yōu)越。磷酸鐵鋰離子蓄電池不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，在生產(chǎn)和使用過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，屬于真正的綠色電池和環(huán)保電池。

（4）充、放電優(yōu)勢(shì)強(qiáng)。磷酸鐵鋰離子蓄電池可大電流進(jìn)行充、放電，在快速充電模式下可以使電池在1 ～2 h 內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿充，在不使用時(shí)可長時(shí)間存放，充滿電儲(chǔ)存1 個(gè)月后的自放電率為1%～2%。此外，在大電流放電時(shí),對(duì)電池不會(huì)有損傷。

（5）體積小、重量輕。磷酸鐵鋰離子蓄電池的能量高，目前已達(dá)到100 ～220 （W·h）/kg，是鉛酸電池的6 ～7 倍，鎳氫電池的2 ～3 倍，相同容量下體積只有鉛酸蓄電池的1/5。

（6）單體電池電壓高，放電平臺(tái)平穩(wěn)。磷酸鐵鋰離子蓄電池的單體標(biāo)稱電壓為3.2 V，鉛酸電池只有2.0 V，鎳氫電池為1.2 V。同樣等級(jí)額定電壓下，磷酸鐵鋰離子蓄電池串聯(lián)少、穩(wěn)定性好、故障率低。

鉛酸電池、鎳氫電池以及磷酸鐵鋰離子蓄電池的對(duì)比總結(jié)如表1 所示。

表1 常用蓄電池技術(shù)參數(shù)比較

3 礦用電機(jī)車電源裝置

電源裝置由控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及防爆結(jié)構(gòu)3 部分組成，具體如下。

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)電源的核心部分，主要完成對(duì)電池的實(shí)時(shí)管理、檢測(cè)及保護(hù)等。利用通信接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互通信，完成數(shù)據(jù)共享和控制功能。監(jiān)測(cè)電源中的電池故障、充放電系統(tǒng)故障、檢測(cè)故障以及通信故障等，同時(shí)通過液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)信息。電源裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電源裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 電池管理系統(tǒng)

根據(jù)《礦用鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求》的規(guī)定，利用電池管理系統(tǒng)采集電源箱內(nèi)每個(gè)單體電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單體電池過充保護(hù)、單體電池過放保護(hù)、充電過流保護(hù)、放電過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)、溫度保護(hù)、均衡控制以及電池信息采集線開路等功能。電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 防爆安全結(jié)構(gòu)

礦用機(jī)車鋰離子電源主要應(yīng)用于煤礦井下，更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆氣體的區(qū)域進(jìn)行工作，因此防爆設(shè)計(jì)必不可少且尤為重要。電源轉(zhuǎn)置不僅要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行散熱、防水、防震以及防灰塵等設(shè)計(jì)。

3.4 電源裝置實(shí)現(xiàn)

電源裝置設(shè)計(jì)要求符合《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求（試行）》和《礦用鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求》等相關(guān)規(guī)定。單體電池選用容量為100 Ah 的磷酸鐵鋰離子蓄電池，由64 支單體電池串聯(lián)組成，共分為4 組，每組16 支。系統(tǒng)對(duì)每支單體進(jìn)行電壓采樣和溫度采集，通過電池管理系統(tǒng)可對(duì)單體電壓、溫度進(jìn)行整定。當(dāng)實(shí)際采樣值超過/低于整定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并采取相應(yīng)的處理措施和執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。管理系統(tǒng)的核心功能是實(shí)時(shí)保護(hù)，對(duì)工作過程中出現(xiàn)過流、短路、斷路以及斷線等實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。電源裝置控制系統(tǒng)是電源裝置的執(zhí)行單元，通過對(duì)工作參數(shù)的采集來決定電源執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)到有交流電源接入時(shí)，電源轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，停止對(duì)外供電；反之，電源向負(fù)載供電?？刂葡到y(tǒng)通過通信接口傳輸電源狀態(tài)和一些設(shè)備參數(shù)，同時(shí)通過本地LCD 也可以實(shí)時(shí)了解電源狀態(tài)。

4 基于磷酸鐵鋰離子蓄電池的電源裝置測(cè)試

電源裝置研制成功后，對(duì)其電壓采集、溫度采集、電流監(jiān)測(cè)等進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試連接如圖3 所示。

圖3 測(cè)試連接

4.1 電壓采集測(cè)試

使用萬用表測(cè)量所有單體鋰電池的電壓，并觀察LCD 顯示的數(shù)據(jù)。選擇其中16 節(jié)電池進(jìn)行說明，將萬用表的測(cè)量數(shù)據(jù)與電源裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和記錄，如表2 所示。

表2 電壓測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)實(shí)際測(cè)量后，電池組電壓基本維持在3.2 V 以上。8#電池實(shí)際測(cè)量值與萬用表測(cè)量值誤差最大為3 mV，其余測(cè)量誤差都很小，電壓采集準(zhǔn)確度很高，達(dá)到了較高的指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

4.2 電流監(jiān)測(cè)測(cè)試

電流監(jiān)測(cè)測(cè)試模擬負(fù)載采用滑動(dòng)變阻器裝置，電源裝置與滑動(dòng)變阻器構(gòu)成工作回路如圖3 所示。本測(cè)試目的在于檢驗(yàn)電源裝置的性能和測(cè)量準(zhǔn)確性，暫不考慮現(xiàn)場實(shí)際使用功率，因此模擬負(fù)載隨機(jī)選取10 Ω、20 Ω、30 Ω 這3 個(gè)檔位。在回路中串入萬用表測(cè)試電路電流，電源裝置檢測(cè)到的電流值在本地LCD 顯示，具體數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 電流監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際測(cè)量分析后，電源裝置的電流測(cè)量精度較高，誤差基本控制在±0.03 A 之內(nèi)。

4.3 溫度檢測(cè)

電源裝置內(nèi)部每支電池都安裝1 個(gè)溫度傳感器，因?yàn)樗须姵囟及惭b在同一隔爆腔內(nèi)，所以除了遇到特殊情況，所有傳感器溫度基本接近。隨機(jī)選取1 個(gè)電源裝置電池組溫度檢測(cè)傳感器，分別在電源裝置上電工作時(shí)、帶載1 h 后以及停止工作1 h 后進(jìn)行3 次測(cè)試，用紅外測(cè)溫儀測(cè)試溫度并進(jìn)行記錄比較，具體數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 電池溫度采集測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過測(cè)試，電源裝置測(cè)量值與紅外測(cè)溫儀測(cè)量值的誤差較小，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié) 論

通過測(cè)試，該電源裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，達(dá)到實(shí)用、可靠的使用要求。但是由于電源裝置未取得安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，未來將繼續(xù)改進(jìn)完善，生產(chǎn)樣機(jī)進(jìn)行安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證工作。隨著國家對(duì)礦用設(shè)備安全要求的提高和鋰離子蓄電池組應(yīng)用技術(shù)的突破，加上國家新能源戰(zhàn)略的部署，鉛酸蓄電池在礦用電機(jī)車動(dòng)力電源的比重將大大減小，磷酸鐵鋰離子蓄電池的占比將逐步提升。