關于煤礦井下鋰離子蓄電池充電機的設計

王繼強

摘 要：主要針對煤礦井下大容量鋰離子蓄電池充電機的設計，滿足防爆要求的同時，實現與BMS之間的CAN總線通訊，根據BMS給定的電池狀態，改變充電模式。充電機的輸出電流、電壓等參數的精度滿足鋰離子蓄電池充電的需求。同時對充電過程中出現的異常狀況提供各種保護。

關鍵詞：鋰電池 充電機 CAN通訊

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0105-01

目前鉛酸蓄電池在煤礦井下電機車、單軌吊、支架搬運車等大型運輸設備上普遍應用，但由于鉛酸電池本質上存在體積大，重量沉，能量密度低，充電時間長等缺點，并且在放電過程中存在吸氫現象，存在安全隱患。由于磷酸鐵鋰電池的廣泛應用，國家安標中心也出臺相關標準允許100 Ah以下的磷酸鐵鋰電池應用于煤礦井下，由于磷酸鐵鋰電池體積小，重量輕，能量密度高，充放電循環壽命長等優勢，必定將替代傳統鉛酸電池而廣泛應用于煤礦井下，因此設計開發一種適用于磷酸鐵鋰電池充電的礦用充電機也是非常有必要的。

1 充電機性能原理

采用先進的IGBT控制技術及高性能電能質量優化控制技術，實現充電過程中能量的高品質轉換；結合高性能DSP數字處理器和高精度采樣、控制技術，通過先進的矢量控制算法配合鋰電池組成熟的充電工藝，實現高效、節能，對電網無污染、輸出紋波小對鋰電池無傷害、運行成本低等優點，其性能可與國外知名品牌相媲美。

2 充電機主參數的確定

煤礦井下普遍供電電源為三相660 V，因此將本充電機輸入電壓等級定為660 V（+10～-15%），根據相關標準以及國家礦用產品安全標志中心的規定，目前煤礦用鋰離子蓄電池電源箱的額定電壓最高為320 V，故將本充電機的輸出電壓范圍定為50～400 V，在主參數確認的基礎上，根據《NB/T33001-2010電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》進而確定其余參數。輸入側功率因數：COSΦ>0.95；輸入側電流諧波總畸變率：<8%；輸出電流控制范圍：0～120 A；輸出電流精度：±0.5%F.S；輸出電壓精度： ±0.5%F.S；輸出電壓紋波：≤1%F.S。

3 防爆設計

由于該充電機應用于煤礦井下，必須滿足GB3836以及煤礦電氣設備的相關規定，充電機外部需設計相關的防爆外殼，充電所需的正負極與待充電源箱的正負極通過隔爆型插銷連接器相連，于此同時為了滿足充電機與電源箱內的BMS的通訊，采用本安型插銷連接器作為通訊CAN總線通訊的連接。因此該充電機防爆型式確定為隔爆兼本質安全型Exd[ib]I Mb。在有防爆外殼的情況下，急需解決的就是充電機工作過程中的發熱問題，首先確定充電機的工作制，鋰離子蓄電池電源箱的充電時間一般約為3個小時，因此充電機的工作制定為短時工作制；其次確認散熱型式，目前煤礦井下電氣設備的散熱方式主要有，自然冷卻，風冷，水冷等，考慮到充電機實際使用環境不易通水，以及發熱功率不大等因素，將充電機的散熱方式定為熱管自然冷卻。將充電機內部主要發熱元件如：IGBT，干式變壓器等元件通過導熱硅脂與散熱銅板相連，銅板作為隔爆外殼的一部分，銅板的背面固定有熱管散熱器。元件產生的熱量可通過銅管散熱器排出。充電機內部其余元件發熱量很小，僅僅依靠防爆箱體的自身熱容即可滿足其散熱要求。

4 充電機的特點及功能

該充電機具備功率因數高，輸入側電流諧波總畸變率小對電網無污染，輸入電壓范圍寬，電壓波動范圍寬，充電效率高好等特點。具備掉電保護、過壓保護、過流保護、短路保護、極性反接保護、缺相保護、過溫保護等多種保護功能。可根據BMS發送的信息對電源箱進行充電，也可根據自身編制的工藝對電源箱進行充電（恒壓限流、恒流、脈沖、變流充電、恒功率充電）。由于采用IGBT控制技術，系統可以輸出自由定制寬度和幅值的正負脈沖電流，采用脈沖充電工藝，轉換效率高，充電時間短，充電效率大幅提高，節約工作時間，同時軟件還具有輸出電壓、輸出電流校準功能。基于新一代微軟.NET平臺的充電集中監控管理軟件，具有良好的人機交互功能，通過簡單的操作就能編輯并組態多種復雜充放電工藝，控制工藝可達到999個階段，每階段的多種采集參數均可參與控制；具有強大的數據查詢、分析、管理功能，便于用戶進行生產管理與決策。充電機輸出波形與普通鉛酸電池充電機輸出波形的對比（如圖1，2）。

該充電機的設計，解決了煤礦井下鋰電池電源箱的充電問題，為磷酸鐵鋰電池在煤礦行業的應用和發展提供了基礎，能夠推動煤礦大型輔助運輸設備產品的升級和技術革新，符合建立綠色環保型礦山的遠大憧憬。

參考文獻

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