鋰離子動力電池在煤礦中的應用

摘 要

鋰離子電池以其優異的性能在各行業備受青睞，針對鋰離子動力電池在煤礦井下的應用以及對煤礦井下防爆應用的特點，研究適合于鋰離子動力電池的智能化充電器，論文主要闡述系統的總體設計、控制系統的設計，這將為動力鋰離子電池取代鉛酸蓄電池充電器提供重要的指導作用，推動動力鋰離子電池應用范圍的不斷擴大，既符合現代社會的發展理念，又在高端、智能化的電池管理系統上開拓新的經濟增長點。

【關鍵詞】鋰離子動力電池 充電器

鋰離子電池是20世紀末研發成功的新型高能電池，而鋰離子動力電池是指容量在3Ah以上的鋰離子電池。近年來，鋰離子動力電池相對于鉛酸、鎳氫電池等，就能量、體積、壽命、環保等多方面，其具有無可比擬的優勢，并且國內外紛紛掀起研究鋰離子動力電池管理系統的熱潮并取得了一定的成果，但在煤礦機電裝備上至今還未使用。如今，礦用重要運輸設備，例如礦用電機車的能量提供主要還是依靠傳統的鉛酸蓄電池，它存在著體積大，重量重，工作效率低，可靠性差，充電時間長等一系列缺點，而鋰離子動力電池則可以完全克服這些缺點，所以在煤礦設備上推廣應用鋰離子動力電池優勢明顯、潛力巨大。論文以礦用鉛酸蓄電池充電器為研究對象，并根據礦用電機車的實際應用環境和特點，借鑒過去的設計理念及設計經驗，進行技術移植、改進和創新，其研究目標是推廣動力鋰離子電池充電器取代傳統的礦用鉛酸蓄電池充電器，設計出符合煤礦下電機車充電的鋰離子電池充電器。論文具體介紹了鋰離子電池充電器系統的總體設計、控制系統系統設計以及電池管理系統的設計，系統地介紹了信號采集電路的設計、SOC估算以及電池均衡電路的設計。此設計將為動力鋰離子電池取代鉛酸蓄電池充電器提供重要的指導作用，推動鋰離子動力電池在煤礦上應用范圍的不斷擴大。

1 系統整體設計

鋰離子動力電池充電充電系統由充電器主電路、保護電路、驅動控制電路、采樣電路、鋰離子動力電池組和電池管理系統組成，系統整體設計延續了之前的礦用鉛酸蓄電池充電器的模塊化設計模式，便于系統的再次開發和維修檢查。充電器以380V/50Hz三相交流電為系統的輸入電源，為了實現系統設計的成本減小、設備的小型化、輕量化以及便于維修，鋰電池充電器主電路采用前后兩級電力變換的設計，即前級部分是三相工頻整流和高頻單相逆變，后級部分是高頻整流濾波，中間采用高頻變壓器（20KHz）連接前后兩級電路，實現變壓和隔離。系統選用型號為FF300R17ME4的IGBT單相逆變器作為電子開關部分，通過PWM控制方式來控制其導通和關斷的頻率來改變輸出脈沖的占空比，進而改變輸出電壓值和輸出電流值。控制系統以DSPIC30F6010A為控制核心，實時采集主電路和電池管理系統的相關信號（電壓、電流、溫度等），然后針對采集的信號進行一系列控制算法處理，一方面產生相應的PWM控制信號，通過驅動控制控制電路來調節IGBT的導通脈沖占空比，實現穩定直流充電電壓的目的，另一方面通過檢測信號來保護主電路，同時主電路還加入了預充電電路和指示電路來保護整個系統有效安全的工作。為了保證鋰離子電池組安全穩定的運行，設計出具有礦用特色的電池管理系統，主要由電池保護板和通信模塊組成，選用ST公司的STM32F103RBT6為保護板。動力鋰離子電池組是由32節SE60AHA型磷酸鐵鋰鋰離子單體電池串聯組合而成，可提供120V的供電電壓。

2 控制系統設計

本動力鋰離子充電器采用高頻雙極性PWM控制 技術，不僅解決了電路輸出的諧波問題，高頻PWM控制有效的減少輸出電壓的諧波含量，保證電路輸出的精準穩定，同時高頻的加入也簡化了濾波電路，進而凸顯出充電器小型化、輕量化的設計優勢?？刂葡到y以DSP為控制核心單元，外加數據采集單元、驅動控制單元和人機接口單元組成，其工作原理為：數據采集電路對主電路中有關點的電壓、電流及功率器件溫度等參數進行實時數據采集，同時接受電池管理系統傳送的數據信息，DSP根據預先設定的程序和控制策略進行分析和計算，一方面針對不同的充電狀態，給出相對應的PWM數字信號波，再將此信號傳送給移相脈沖控制單元，形成脈沖驅動信號，經過驅動電路控制IGBT的占空比，實現蓄電池的智能化充電且保證輸出電壓有較高的精度，另一方面根據檢測值判斷電路是否出現異常，進行故障處理，停止輸出，有效防止事故的發生。同時主控部分也將相關采集信號通過CAN通信模塊傳送至人機接口模塊，使相關參數在顯示屏上得以顯示，便于數據的記錄和分析?？刂葡到y以TI公司的DSPIC30F6010A為核心，負責控制系統的統一管理和信息處理，同時控制電池組的充放電，確保整個系統的有序工作。移相脈沖控制電路由UCC3895芯片為核心組成，實現系統的PI控制及保護功能。電池管理系統采用STM32F103RBT6 作為控制器，通過雙總線通信與ADI公司生產的AD7280A鋰離子電池監控芯片功能模塊連接在一起，完成信號檢測、數據處理、功能調用、數據存儲、數據通信等功能，并把數據傳送給DSPIC30F6010A進行檢測，實現信號的顯示及相應保護。人機接模塊以STC12C5A60S2芯片為核心，確保和單片機的有效數據傳輸。控制系統通過模塊化的設計模式保證系統各組成部分之間資源分配合理，實時交換數據和信息、綜合設定值和反饋值，保證高質量的輸出電壓波形和較完善的系統控制性能，確?？刂频臏蚀_性、實時性和可靠性。

3 小結

文章首先介紹了系統的總體設計以及控制系統系統設計，針對動力鋰離子電池在礦下電機車上的應用進行研究就是想借鑒以往的設計經驗，把過去的設計理念與原則針對礦用電機車的實際應用環境和特點，進行技術移植、改進和在創新，其研究目標是推廣動力鋰離子電池充電器取代傳統的礦用鉛酸蓄電池充電器，設計出符合礦下電機車充電的鋰離子電池充電器。

參考文獻

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作者簡介

許明艷（1988-），女，安徽省安慶市人。碩士研究生。主要研究方向為煤礦電氣設備的研制。

作者單位

江蘇省揚州技師學院 江蘇省揚州市 225009endprint