鋰離子動(dòng)力電池在煤礦中的應(yīng)用

摘 要

鋰離子電池以其優(yōu)異的性能在各行業(yè)備受青睞，針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池在煤礦井下的應(yīng)用以及對(duì)煤礦井下防爆應(yīng)用的特點(diǎn)，研究適合于鋰離子動(dòng)力電池的智能化充電器，論文主要闡述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這將為動(dòng)力鋰離子電池取代鉛酸蓄電池充電器提供重要的指導(dǎo)作用，推動(dòng)動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，既符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展理念，又在高端、智能化的電池管理系統(tǒng)上開(kāi)拓新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鋰離子動(dòng)力電池 充電器

鋰離子電池是20世紀(jì)末研發(fā)成功的新型高能電池，而鋰離子動(dòng)力電池是指容量在3Ah以上的鋰離子電池。近年來(lái)，鋰離子動(dòng)力電池相對(duì)于鉛酸、鎳氫電池等，就能量、體積、壽命、環(huán)保等多方面，其具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，并且國(guó)內(nèi)外紛紛掀起研究鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的熱潮并取得了一定的成果，但在煤礦機(jī)電裝備上至今還未使用。如今，礦用重要運(yùn)輸設(shè)備，例如礦用電機(jī)車的能量提供主要還是依靠傳統(tǒng)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(shí)間長(zhǎng)等一系列缺點(diǎn)，而鋰離子動(dòng)力電池則可以完全克服這些缺點(diǎn)，所以在煤礦設(shè)備上推廣應(yīng)用鋰離子動(dòng)力電池優(yōu)勢(shì)明顯、潛力巨大。論文以礦用鉛酸蓄電池充電器為研究對(duì)象，并根據(jù)礦用電機(jī)車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，借鑒過(guò)去的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行技術(shù)移植、改進(jìn)和創(chuàng)新，其研究目標(biāo)是推廣動(dòng)力鋰離子電池充電器取代傳統(tǒng)的礦用鉛酸蓄電池充電器，設(shè)計(jì)出符合煤礦下電機(jī)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(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地介紹了信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)、SOC估算以及電池均衡電路的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)將為動(dòng)力鋰離子電池取代鉛酸蓄電池充電器提供重要的指導(dǎo)作用，推動(dòng)鋰離子動(dòng)力電池在煤礦上應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

鋰離子動(dòng)力電池充電充電系統(tǒng)由充電器主電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、采樣電路、鋰離子動(dòng)力電池組和電池管理系統(tǒng)組成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)延續(xù)了之前的礦用鉛酸蓄電池充電器的模塊化設(shè)計(jì)模式，便于系統(tǒng)的再次開(kāi)發(fā)和維修檢查。充電器以380V/50Hz三相交流電為系統(tǒng)的輸入電源，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本減小、設(shè)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(jí)電力變換的設(shè)計(jì)，即前級(jí)部分是三相工頻整流和高頻單相逆變，后級(jí)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(jí)電路，實(shí)現(xiàn)變壓和隔離。系統(tǒng)選用型號(hào)為FF300R17ME4的IGBT單相逆變器作為電子開(kāi)關(guān)部分，通過(guò)PWM控制方式來(lái)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率來(lái)改變輸出脈沖的占空比，進(jìn)而改變輸出電壓值和輸出電流值?？刂葡到y(tǒng)以DSPIC30F6010A為控制核心，實(shí)時(shí)采集主電路和電池管理系統(tǒng)的相關(guān)信號(hào)（電壓、電流、溫度等），然后針對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行一系列控制算法處理，一方面產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制控制電路來(lái)調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流充電電壓的目的，另一方面通過(guò)檢測(cè)信號(hào)來(lái)保護(hù)主電路，同時(shí)主電路還加入了預(yù)充電電路和指示電路來(lái)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)有效安全的工作。為了保證鋰離子電池組安全穩(wěn)定的運(yùn)行，設(shè)計(jì)出具有礦用特色的電池管理系統(tǒng)，主要由電池保護(hù)板和通信模塊組成，選用ST公司的STM32F103RBT6為保護(hù)板。動(dòng)力鋰離子電池組是由32節(jié)SE60AHA型磷酸鐵鋰鋰離子單體電池串聯(lián)組合而成，可提供120V的供電電壓。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本動(dòng)力鋰離子充電器采用高頻雙極性PWM控制 技術(shù)，不僅解決了電路輸出的諧波問(wèn)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(zhǔn)穩(wěn)定，同時(shí)高頻的加入也簡(jiǎn)化了濾波電路，進(jìn)而凸顯出充電器小型化、輕量化的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)以DSP為控制核心單元，外加數(shù)據(jù)采集單元、驅(qū)動(dòng)控制單元和人機(jī)接口單元組成，其工作原理為：數(shù)據(jù)采集電路對(duì)主電路中有關(guān)點(diǎn)的電壓、電流及功率器件溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)接受電池管理系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)信息，DSP根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和控制策略進(jìn)行分析和計(jì)算，一方面針對(duì)不同的充電狀態(tài)，給出相對(duì)應(yīng)的PWM數(shù)字信號(hào)波，再將此信號(hào)傳送給移相脈沖控制單元，形成脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的占空比，實(shí)現(xiàn)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(jù)檢測(cè)值判斷電路是否出現(xiàn)異常，進(jìn)行故障處理，停止輸出，有效防止事故的發(fā)生。同時(shí)主控部分也將相關(guān)采集信號(hào)通過(guò)CAN通信模塊傳送至人機(jī)接口模塊，使相關(guān)參數(shù)在顯示屏上得以顯示，便于數(shù)據(jù)的記錄和分析?？刂葡到y(tǒng)以TI公司的DSPIC30F6010A為核心，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和信息處理，同時(shí)控制電池組的充放電，確保整個(gè)系統(tǒng)的有序工作。移相脈沖控制電路由UCC3895芯片為核心組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PI控制及保護(hù)功能。電池管理系統(tǒng)采用STM32F103RBT6 作為控制器，通過(guò)雙總線通信與ADI公司生產(chǎn)的AD7280A鋰離子電池監(jiān)控芯片功能模塊連接在一起，完成信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、功能調(diào)用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能，并把數(shù)據(jù)傳送給DSPIC30F6010A進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示及相應(yīng)保護(hù)。人機(jī)接模塊以STC12C5A60S2芯片為核心，確保和單片機(jī)的有效數(shù)據(jù)傳輸?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)模式保證系統(tǒng)各組成部分之間資源分配合理，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)和信息、綜合設(shè)定值和反饋值，保證高質(zhì)量的輸出電壓波形和較完善的系統(tǒng)控制性能，確?？刂频臏?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

3 小結(jié)

文章首先介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池在礦下電機(jī)車上的應(yīng)用進(jìn)行研究就是想借鑒以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，把過(guò)去的設(shè)計(jì)理念與原則針對(duì)礦用電機(jī)車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)移植、改進(jìn)和在創(chuàng)新，其研究目標(biāo)是推廣動(dòng)力鋰離子電池充電器取代傳統(tǒng)的礦用鉛酸蓄電池充電器，設(shè)計(jì)出符合礦下電機(jī)車充電的鋰離子電池充電器。

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作者簡(jiǎn)介

許明艷（1988-），女，安徽省安慶市人。碩士研究生。主要研究方向?yàn)槊旱V電氣設(shè)備的研制。

作者單位

江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225009endprint