礦用隔爆型鋰電池電源在電機車上的應用

屠宇　隋榮峙

摘 要：本文介紹礦用隔爆型磷酸鐵鋰電池電源以及控制系統的設計原理，并與目前煤礦電機車上常規使用的防爆特殊性鉛酸蓄電池電源進行比較，增加了智能控制、信息通訊與顯示、故障報警等多種功能，具有更加安全、可靠、使用方便等特點，并經過煤礦實際試驗，得出礦用隔爆型鋰電池動力電源雖然剛剛起步，但是優點顯而易見，在未來煤礦生產現代化中，必定會有廣大的發展空間。

關鍵詞：磷酸鐵鋰電池 鉛酸蓄電池 煤礦電機車

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0057-02

1 磷酸鐵鋰電池原理

鋰離子電池是20世紀90年代初出現的新型蓄電池，經過多年的發展，現已在電子產品、電動工具、不間斷電源、電動自行車、電動汽車等多領域得到大范圍的應用。根據鋰離子電池正極材料的不同，鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、三元系電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池等幾大類，其中磷酸鐵鋰電池倍率性能良好且循環壽命最長、安全性能最好，在電動汽車、電動自行車、通信電源等方面得到廣泛應用，并不斷進入重要電源領域。筆者工廠就是應用安全可靠的磷酸鐵鋰電池串聯成大容量電源，為了適合煤礦環境下電氣設備使用的特殊要求，設計生產礦用隔爆型磷酸鐵鋰電池電源（以下稱鋰電池電源）作為8t煤礦電機車動力電源，并進行工業試驗（見圖1）。

1.1 礦用隔爆型鋰電池電源設計原理

目前，煤礦電機車所使用的鉛酸蓄電池電源工作方式，大都是經過瓦斯斷電儀（檢測作業環境），再經過司機控制器（啟動，制動電機車），給直流電機提供電能。該廠 8t礦用電機車的鉛酸蓄電池電源采用2V 70只（每只容量440AH）串聯而成140V直流電源（總容量61.6kWh），來給2臺15kW直流電機提供電能。因此，（見圖2）為了達到電源容量不小于原有鉛酸蓄電池電源，通過計算磷酸鐵鋰電池電源采用單體磷酸鐵鋰電池3.2V，標量110Ah，45只串聯組成，形成144V直流電源（容量15.8kWh），從而達到原有容量采用4組鋰電池電源并聯（總容量63.2kWh）。由于鋰電池電源是在煤礦井下工作，因此，在結構設計必須滿足GB3838-2010《爆炸性環境用設備》和《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術要求（試行）》相關要求。

1.2 礦用隔爆型鋰電池電源控制系統設計

為了讓礦用隔爆型鋰電池電源更安全、更可靠地工作和便于日常維護，設計了鋰電池管理系統BMS。該電池管理系統電源管理系統BMS由主控單元（BCU）、分控單元（SBCU）、信息檢測、電流傳感器、顯示器等幾部分構成（見圖3），對所有單體電池的電壓、溫度、電流、容量、絕緣等參數進行實時檢測，以保證鋰電池電源正常工作， 具有以下功能。

1.2.1 數據采集功能

BMS進入工作狀態后，檢測單元自動采集各單體電池電壓和溫度、電池組總電壓、充放電電流，并將全部信息傳送到主控單元進行數據分析和采取相應控制。

1.2.2 安全保護功能

主控單元對采集到的數據進行分析和判斷，當達到系統設定的各項保護條件時，主控單元將自動做出保護措施。保護措施分為三級，由輕到重分別為黃色警告、紅色警告、斷電電路3種保護，保護范圍包括過充電保護、過放電保護、過電流保護、高溫保護、低溫保護、絕緣監測、采集線開路監測等。

1.2.3 SOC估算功能

采用開路電壓法和安時積分法對電池組荷點狀態進行準確度較高的估算，以便用戶實時了解電池組剩余電量和可行駛里程。

1.2.4 均衡功能

BMS為電池組提供均衡功能，當達到設定條件時系統將發出均衡質量，使電池組內各單體電池處于相近的荷電狀態，保證電池一致性。均衡方式采用放電均衡。

1.2.5 通訊功能

BMS內部通過CAN總線實現檢測單元和主控單元的通訊，并預留多路RS485借口，實現對充電機和整車控制器的通訊。

1.2.6 顯示功能

BMS附帶獨立顯示器，可通過此顯示器直接觀察電池電壓、溫度、電流、SOC狀態和各種報警信息（見圖4）。

2 磷酸鐵鋰電池電源與鉛酸蓄電池電源比較

2.1 使用壽命對比

鉛酸蓄電池循環使用壽命最好600次，最多可以使用1.8年。而磷酸鐵鋰電池循環使用壽命達到1960次以上，至少可以使用6年。

2.2 安全性能對比

鉛酸蓄電池在使用過程中，會產生一定量的氫氣，同時發出大量的熱能，一旦鉛酸蓄電池質量出現問題，會給礦山安全生產帶來隱患。而磷酸鐵鋰電池中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會大量發熱或是形成強氧化性物質，安全可靠。

2.3 容量對比

現在8t煤礦電機車上使用的一臺DXT440＼140電源裝置，是70只2V鉛酸蓄電池組成，理論容量61.6kWh。同樣，在8t煤礦電機車上用磷酸鐵鋰電池電源，理論容量約63.2kWh，大于鉛酸蓄容量。

2.4 電池保護方法對比

鉛酸蓄電池電源僅僅用插銷連接器中的熔斷器進行保護，而酸鐵鋰電池電源配有鋰電池控制箱時檢測各個鋰電池電壓和溫度、電池組總電壓、充放電電流，并將全部信息傳送到控制板進行數據分析和自動采取保護措施。

綜合上述比較，與傳統的鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池性能具有明顯的優勢：磷酸鐵鋰離子電池比容量高，相同重量的條件下其儲存能量約為鉛酸電池的3～4倍；單體磷酸鐵輸出電壓為3.2V，高于鉛酸電池；倍率性能較好，1C放電容量可達0.1C放電容量的90%以上；此外，其使用壽命也達到鉛酸電池的3倍以上，而且外加電池管理系統更加保證了鋰電池的使用年限和高效使用，更主要的是現行電機車可以和隔爆型鋰電池電源無縫連接，上車直接使用。與此同時，鋰電池不含重金屬與稀有金屬，無毒，無污染，符合環保要求，為絕對的綠色環保電池。

最后，在8t煤礦電機車上實際應用隔爆型鋰電池電源的過程中，司機師傅普遍反映鋰電池電源較以前電源，具有輸出電壓平穩、續航能力強、智能化高等優點，不過也提出鋰電池電源也有技術含量高、不易掌握、維修困難大等不足，我們技術人員將會總結經驗，結合實際情況，把產品做得更好。

參考文獻

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