礦用電機車高效率充電技術研究

茹瑞鵬

0 引言

礦用電機車是煤礦主要的運輸工具之一，在煤礦中具有重要的作用。電機車供電方式主要有兩種：架空線供電與蓄電池供電。架空線供電適合低瓦斯濃度的煤礦，對于高瓦斯濃度的煤礦則必須采用蓄電池進行供電。我國的煤礦目前以高瓦斯煤礦為主，所以蓄電池為動力的電機車為主流。

文獻[1]研究了多輸入等級的礦用電機車充電技術，多個電壓等級均可以作為輸入電源為電機車充電。文獻[2]研究了礦用電機車的無線充電技術，為礦用電機車的充電引入了一種可以選擇的方式。文獻[3]研究了一種直流斬波充電技術，并給出了一個設計實例。文獻[4]研究了一種礦用電機車智能充電技術。但是以上方案均存在著充電效率偏低的問題，很少可以達到90%以上的充電效率，本文研究的礦用電機車充電技術可以實現高效率充電，為礦用電機車的充電技術的發展引入一種新的思路。

1 Buck電路分析

如圖1所示為傳統的Buck電路電路圖[5-6]，其中Ud為直流電源、V1為可控開關、VD1為續流二極管，L為電感，C為電容，R為負載。

當V1處于開通狀態時，Ud向負載供電；當V1處于斷開狀態時，電感L上的電流不能突變，所以電感L繼續向負載供電，并經過續流二極管進行續流，直到電感上的電能釋放完畢[7]。在此過程中，存在著電感電流斷續的情況，那么負載電壓與輸入電壓之間的正比關系不成立，進而導致控制難度增加，不利于電池充電策略的實現，為了解決這個問題，本文提出了一種改進型Buck電路。

圖1 Buck電路圖

2 改進型Buck電路

圖2為改進型Buck電路，如圖所示續流二極管被可控開關替代。此電路最大的特點為無論V1的占空比為多少，均可以保證電感L1的電流連續，進而保證負載上的電壓與輸入直流電源成正比關系，比例便是開關V1的占空比，進而可以使控制策略更為簡單。

圖2 改進型Buck電路

3 改進型Buck電路換流分析

圖3是電感L1上的電流在一個周期內的波形圖。下面分階段分析電流特性。

t0-t1：t0時刻，V1加開通脈沖，V2加關斷脈沖，Ud向電容和負載供電，電感電流逐漸增大，最終穩定在某一固定值。電路中的電流流向如圖4所示，t1-t2：t1時刻，V1加關斷脈沖，V2加開通脈沖，V1關斷，直流電源Ud停止向負載和電容供電。電感電流不能突變，其通過V2的體二極管續流，且繼續向負載、電容供電，電流逐漸減小。因為體二極管的導通壓降給V2施加反壓，故V2不能開通。電路中電流流向如圖5所示。

圖3 電感電流波形圖

圖4 t0-t1，電路中電流流向圖

圖5 t1-t2，電路中電流流向

t2-t3：在t2時刻，電感L的能量釋放完畢，V2體二極管關斷，電容電壓給V2施加正向電壓，V2導通，V2實現了零電壓開通，損耗小。V2導通以后，電流從電容的正極流出，經電感L和V2流向電容負極，同時電容向負載供電。電路中電流流向如圖6所示。

圖6 t2-t3，電路中電流流向

t3-t4：在t3時刻，V1加開通脈沖，V2加關斷脈沖，因為存在死區，V1會首先關斷，電感電流通過V1的體二極管續流，V1繼續保持關斷狀態。此時，電容再向電源Ud放電，當電感電流下降到零后，V1導通，電源Ud向電容和負載供電，電感上的電流逐漸增大。可見，V1實現了軟開關，其開通損耗小。電路中電流流向如圖7所示。

圖7 t3-t4，電路中電流流向

綜上，用IGBT替換續流二極管，可實現電感電流不斷續，且可控開關管均實現軟開關，效率得到提高。

4 仿真和實驗

為了驗證本文結論的正確性，在Matlab/Simu?link中搭建了仿真電路，進行了仿真，參數如表格1所示。

表1 Buck電路參數

設定V1的占空比為0.7和0.1，得到如圖8所示的仿真波形，從圖中可以看出，當占空比為0.7時，輸出電壓為70 V；當占空比為0.1時，輸出電壓為10 V，證明了輸出電壓與輸入電壓的的比值為占空比的結論。

圖8 不同占空比下的輸出電壓

圖9 Buck電路的輸出效率測量值

搭建了實驗驗證平臺，驗證電路具有較高的效率。使用功率儀同時測量輸入端和輸出端的功率，并從功率儀中讀出效率。如圖9所示，（a）圖為輸入端的功率、（b）圖如輸出端的效率，兩幅圖中均顯示整個系統的效率，為98.22%。此時，占空比為0.69，可以看出存在一定的偏差，但是在合理范圍之內，也驗證了輸出電壓與輸入電壓的比值為占空比。

5 結論

本文提出了一種基于改進型Buck電路的礦用電機車充電裝置，可以實現電機車高效率充電，且輸出電壓與輸入電壓的成正比，進而使得控制較為簡單，在此基礎之上可以實現電機車的恒流恒壓充電策略、間歇充電策略等多種充電策略，且可以保持高效率。

參考文獻：

［1］劉鋒，王慶亮，薦波濤.多輸入電壓等級礦用鋰電池電機車充電技術研究［J］.煤礦現代化，2015（01）：56-58.

［2］時劍文，邱利軍，孫珂.礦用電機車無線充電系統松耦合變壓器研究［J］.工礦自動化，2017（02）：61-66.

［3］郭俊，曹以龍.新型礦用電機車蓄電池充電裝置［J］.煤礦機電，2007（01）：63-65.

［4］劉峻，張偉.礦用蓄電池電機車直流斬波充電裝置的研究［J］.煤礦設計，1998（03）：15-18.

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［6］劉樹林，劉健，寇蕾，等.Buck DC/DC變換器的輸出紋波電壓分析及其應用［J］.電工技術學報，2007（02）：91-97.

［7］陳澤潔，辛蒙娟，閆姚針，等.雙向DC/DC變換器的設計與仿真研究［J］.機電工程技術，2017（03）：1-5.