礦山輔助運輸車輛磷酸鐵鋰動力電源系統

肖楠，　陳忠霞，　常龍，　于志豪，　郭海

(1.山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島　266590； 2.國家海洋技術中心， 天津　300112)

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礦山輔助運輸車輛磷酸鐵鋰動力電源系統

肖楠1，陳忠霞1，常龍1，于志豪1，郭海2

(1.山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島266590； 2.國家海洋技術中心， 天津300112)

針對目前國內礦山輔助運輸車輛采用的鉛酸蓄電池動力源存在循環壽命短、維護成本高等問題，提出將磷酸鐵鋰離子電池應用到礦山車輛上。通過分析單體電池容量及內阻對鋰離子電池單體特性不一致性的影響，研究了鋰離子電池成組特性；并根據國家相關煤安標準，自主研發了適用于礦山輔助運輸車輛的磷酸鐵鋰動力電源系統，主要包括鋰離子電池組、電池管理系統以及防爆箱體。樣機試驗結果表明，該電源系統可以應用于多種礦山輔助運輸車輛，并且能夠滿足使用要求。

礦山車輛； 輔助運輸； 磷酸鐵鋰離子電池； 動力電源

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1021.004.html

0　引言

礦山輔助運輸車輛主要包括電機車、單軌吊、無軌膠輪車、卡軌車、齒軌車等[1]，其動力源主要有架線供電、柴油機、蓄電池等。架線式供電存在井下架線高度受限、人員觸電的安全隱患及實際使用不靈活的缺點[2]。柴油機具有動力大的優點，但是尾氣污染嚴重、噪聲大[3]。

目前應用于礦山車輛的動力電池多為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池能量密度低，循環壽命短(300～500次)，維護成本高。鉛酸電池的生產、使用及報廢等都會造成嚴重的污染，而且在充電時，電解硫酸鉛會析出氫離子，造成潛在的安全隱患，國家已逐步限制其使用[4]。近年來多種新材料電池得到了快速發展，許多專家學者正在從事新能源運輸車輛的研究[5]。本文從鋰離子電池及其成組特性、電池管理系統及防爆箱體3個方面來研究磷酸鐵鋰動力電源系統。

1　礦用鋰離子電池的研究意義

近年來，涌現出了鋰離子電池、鎳氫電池、鎘鎳電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、鋅空電池、MH-Ni電池等多種新能源電池，其中鋰離子電池得到了快速發展[6]。

鋰離子電池中的磷酸鐵鋰離子電池是目前我國公認的具有廣闊應用前景的車輛動力電池，具有以下優點：① 良好的環保性能。磷酸鐵鋰離子電池不含任何重金屬，無毒，無污染，符合歐洲RoHS規定。② 使用壽命長。在室溫下1C充放電循環2 000次，容量保持率為80%以上[7]。③ 安全性高。酸根化學鍵的結合力比傳統的過渡金屬氧化物結構化學鍵強，結構更加穩定。磷酸鐵鋰離子電池重在400～500 ℃高溫下具有穩定性，保證了電池內在的高安全性，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而發生爆炸或燃燒。④ 鋰離子電池比能量大。在相同體積或質量下，鋰離子電池比鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池的容量高[8]。⑤ 充電速度快、自放電少。磷酸鐵鋰離子電池可大電流3C快速充放電，在專用充電機下，2C充電30 min內即可使電池電量充到90%以上。⑥ 充放電效率高，達98%以上。⑦ 磷酸鐵鋰離子電池在20 ℃左右性能最好，因此特別適用于煤礦井下溫度環境和基本恒溫條件。

隨著鋰離子電池技術的不斷成熟，礦用車輛使用新能源電池作為動力源是大勢所趨[9]。磷酸鐵鋰蓄電池的特性特別適合應用于煤礦井下，將磷酸鐵鋰蓄電池應用于煤礦電機車對于提高礦山裝備行業技術水平，提高煤礦運輸系統工作效率，推動煤礦安全高效生產和環保節能，具有重大現實意義[5]。

2　鋰離子電池及其成組特性

在實際使用中，需要將多個鋰離子電池串聯成組來滿足用戶對電壓的要求。由于在電池制造過程中各種誤差和偏差的影響，同一批次不同單體電池的特性會有所不同，電池組在使用過程中老化程度的不一致也會增加各單體電池的不一致性，因此，電池組的使用壽命會縮短數倍甚至十幾倍，成為制約其推廣應用的關鍵[10]。

描述鋰離子電池成組特性的參數主要包括充放電電壓、內阻特性和容量。因此，鋰離子電池在出廠的時候都必須將參數相近的進行歸類[11]。

將16個分配好的磷酸鐵鋰蓄電池(威能100 A·h)串聯成組后進行放電試驗，其特性如圖1所示。圖1(a)中,前面平滑的曲線為0.2C放電，從120 min后開始進行0.2C脈沖放電。從圖1(b)中可以明顯看出，單體電池穩態下的電壓仍然存在較大差異，這主要是由單體電池的容量和內阻差異造成的[8]。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，單體電池在脈沖放電過程中的電壓也存在較大差異，但它的不一致性與圖1(b)中表現的并不一致，這主要是由單體電池的極化內阻差異造成的[12]。圖2為磷酸鐵鋰離子電池組0.2C的充電特性曲線，同樣表現出單體電池的容量、內阻差異。可見，分配好的電池組在充放電過程中仍存在一定的差異。如果在電池使用過程中不進行相應的控制，這些差異還會逐步加大，嚴重影響電池組的壽命[13]。因此，需要設計電池管理系統來對電池組中的每個單體電池進行管理，以提高電池組的壽命。

3　電池管理系統

礦山輔助運輸車輛磷酸鐵鋰動力電源系統主要包括鋰離子電池組、電池管理系統以及防爆箱體，其中電池組選用成組特性較好的鋰離子電池組，防爆箱體設計為多腔結構。

3.1電池管理系統總體結構

典型的電池管理系統應具備以下功能[14]：單體電池、電池箱關鍵部位的溫度檢測；電池組電流檢測；單體電池電壓檢測；均衡控制。對于礦用鋰離子電池運輸車輛，電池管理系統還應滿足《礦用鋰離子電池安全技術要求》和《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子電池電源安全技術要求》中規定的構成、防爆、保護等各項指標：① 運輸車輛用電源單個鋰離子電池的標稱容量不超過100 A·h。② 必須采用隔爆或隔爆兼本安的防爆型式，放置電池的隔爆腔體應能承受不小于1.5 MPa的靜壓試驗。③ 在隔爆腔體內電池只能采用串聯方式，其容量不能超過32 000 W·h。④ 電池隔爆腔體內不得放置除溫度傳感器之外的任何電器元件。

(a) 放電電壓

(b) 區域A放大圖

(c) 區域B放大圖

(d) 區域C放大圖

圖2　磷酸鐵鋰離子電池組的充電特性曲線

根據以上要求，礦用車輛動力電源需要采用單個鋰離子電池串聯成電池模塊，然后進行隔爆處理，再并聯使用,以滿足運輸車輛的電壓及容量需要[15]。電池管理系統分為模塊管理系統與總成管理系統2級，模塊管理系統由總成管理系統統一管理。電池管理系統的總體結構如圖3所示，多個鋰離子電池串聯成組后放入隔爆箱的電池腔內，由模塊控制器統一管理；然后多個防爆箱體通過接線腔接線連接到總成防爆箱，由總成管理系統統一協調管理各個模塊管理系統。

圖3　電池管理系統總體結構

模塊管理系統又包括功率開關、單體控制器、模塊控制器、CAN接口電路和外圍電路等。根據相關標準要求，將蓄電池組和溫度傳感器放入隔爆箱的電池腔內。單體控制器主要通過SPI總線配合模塊控制器完成對單個鋰離子電池電壓的采集和均衡管理。模塊控制器主要完成的任務：通過A/D接口電路完成電池組電流采集；配合電池腔內的溫度傳感器對每個單體電池的溫度進行采集；控制功率開關完成蓄電池組的充放電開關以及過流、過壓、短路等保護；通過CAN通信接口電路完成與總成管理系統的數據傳輸。

電池管理系統通信網絡如圖4所示，通過總成控制器、模塊控制器、單體控制器的數據通信，并結合外圍電路，實現以下功能：單體電池的電壓和溫度檢測,電池組的電壓、電流、電池容量檢測等，單體電池過充電壓保護,單體電池過充電壓保護失效檢測,單體電池過放電壓保護,單體電池過放電壓保護失效檢測,充電過流保護,放電過流保護,輸出短路保護,溫度保護,均衡充電控制,電池信息采集線開路保護等。此外,電池管理系統還具備信息傳輸接口。

圖4　電池管理系統通信網絡

3.2電池管理系統實現

3.2.1溫度檢測

由于礦山車輛動力電源數量較多，每節單體電池都對應一個溫度傳感器，故采用一線總線溫度傳感器18B20，所有的18B20共用3條接線，大大簡化了現場接線工作量，根據各節電池編號給相應的溫度傳感器編號，一旦寫入編號，溫度傳感器與電池便具有一一對應關系[16]。

3.2.2均衡管理

由于磷酸鐵鋰離子電池的個體性能差異，必須采用適應其特點的管理系統對充放電過程進行均衡控制，有效解決成組鋰離子動力電池安全性和壽命問題。能量均衡管理方法有能耗型和能量轉移型2種。能量轉移型管理方法用貯能器件將充電電流分流回饋，達到節約電能的目的。該方法節約的電能較少，與之對應的電路結構非常復雜。所以，本文選擇成本低、結構簡單、穩定可靠的能耗型均衡管理方法[17]。

3.2.3運行檢測與保護

本文采用基于霍爾傳感器的間接測量法[18]實現電流檢測。電壓檢測系統采用電池監視器LTC6803配合ARM-Cortex芯片STM32F103RCT6，系統運行穩定可靠[19]。

在礦車運行的全過程中，對電源系統的各項參數進行實時檢測。一旦檢測到故障，系統就會采取相應動作，保證礦車運行的安全穩定。例如：總成管理系統發現某個電池發生欠壓、過壓等故障時會報警，如果故障不能及時排除也會報警；總成管理系統檢測到輸出短路等故障后，直接斷電。

4　動力電源系統樣機

某大學已成功研制出適用于單軌吊的DXBL99840/250C型鋰離子電池動力電源系統、適用于2.5 t電機車的DXBL19200/48C型鋰離子電池動力電源系統、適用于8 t電機車的DXBL76800/192C型鋰離子電池動力電源系統。技術參數見表1。

表1　電源系統參數

以單軌吊為例，其電源系統采用78串4并的結構，即78個單體電池串聯組成電源模塊，4個模塊再并聯組成系統。每個模塊都是獨立的防爆箱體，相互之間具有互換性。模塊防爆箱采用三腔結構，即電池腔、控制腔和接線腔[16]。總成箱體是獨立的兩腔結構防爆箱體，即控制腔和接線腔。

5　結語

分析了礦山鋰離子電池運輸車輛的研究意義和鋰離子電池及其成組特性，設計了磷酸鐵鋰動力電源系統，并研制了樣機。樣機試驗結果表明，該電源系統可以應用于多種礦山輔助運輸車輛，并且能夠滿足使用要求。

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LiFeO4battery power supply system for mine auxiliary transportation vehicle

XIAO Nan1,CHEN Zhongxia1,CHANG Long1,YU Zhihao1，GUO Hai2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China; 2.National Ocean Technology Centre, Tianjin 300112, China)

For problems of short cycle life and high maintenance cost of existing power supply of domestic mine auxiliary transportation vehicle which uses lead-acid batteries as power supply, the paper proposed application of LiFeO4battery to the mine vehicle. Firstly, characteristics of the lithium battery group was studied through analyzing influence of cell capacity and resistance characteristics on li-ion battery inconsistency, and then li-ion battery power supply system that can be used for the mine transportation vehicle was developed according to related security standard of coal mine, mainly including li-ion battery pack, battery management system and explosion-proof box. The test results of prototype show that the power supply system can be applied to a variety of auxiliary transportation vehicles, and can meet use requirements.

mine vehicle; auxiliary transportation; LiFeO4battery; power supply

2015-11-30；

2016-04-20；責任編輯：胡嫻。

山東省高等學校科技計劃項目(J15LN18)；青島市黃島區科技項目(2014-1-39，2014-1-36)；山東科技大學研究生科技創新基金項目(YC150322)。

肖楠(1993-)，女，山東沂水人，碩士研究生，主要研究方向為礦用鋰電池管理系統，E-mail:xiaomin0@163.com。

TD611

A網絡出版時間：2016-06-01 10:21