矿用隔爆型锂电池电源在电机车上的应用

屠宇　隋荣峙

摘 要：本文介绍矿用隔爆型磷酸铁锂电池电源以及控制系统的设计原理，并与目前煤矿电机车上常规使用的防爆特殊性铅酸蓄电池电源进行比较，增加了智能控制、信息通讯与显示、故障报警等多种功能，具有更加安全、可靠、使用方便等特点，并经过煤矿实际试验，得出矿用隔爆型锂电池动力电源虽然刚刚起步，但是优点显而易见，在未来煤矿生产现代化中，必定会有广大的发展空间。

关键词：磷酸铁锂电池 铅酸蓄电池 煤矿电机车

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0057-02

1 磷酸铁锂电池原理

锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型蓄电池，经过多年的发展，现已在电子产品、电动工具、不间断电源、电动自行车、电动汽车等多领域得到大范围的应用。根据锂离子电池正极材料的不同，锂离子电池可分为钴酸锂电池、三元系电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池等几大类，其中磷酸铁锂电池倍率性能良好且循环寿命最长、安全性能最好，在电动汽车、电动自行车、通信电源等方面得到广泛应用，并不断进入重要电源领域。笔者工厂就是应用安全可靠的磷酸铁锂电池串联成大容量电源，为了适合煤矿环境下电气设备使用的特殊要求，设计生产矿用隔爆型磷酸铁锂电池电源（以下称锂电池电源）作为8t煤矿电机车动力电源，并进行工业试验（见图1）。

1.1 矿用隔爆型锂电池电源设计原理

目前，煤矿电机车所使用的铅酸蓄电池电源工作方式，大都是经过瓦斯断电仪（检测作业环境），再经过司机控制器（启动，制动电机车），给直流电机提供电能。该厂 8t矿用电机车的铅酸蓄电池电源采用2V 70只（每只容量440AH）串联而成140V直流电源（总容量61.6kWh），来给2台15kW直流电机提供电能。因此，（见图2）为了达到电源容量不小于原有铅酸蓄电池电源，通过计算磷酸铁锂电池电源采用单体磷酸铁锂电池3.2V，标量110Ah，45只串联组成，形成144V直流电源（容量15.8kWh），从而达到原有容量采用4组锂电池电源并联（总容量63.2kWh）。由于锂电池电源是在煤矿井下工作，因此，在结构设计必须满足GB3838-2010《爆炸性环境用设备》和《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求（试行）》相关要求。

1.2 矿用隔爆型锂电池电源控制系统设计

为了让矿用隔爆型锂电池电源更安全、更可靠地工作和便于日常维护，设计了锂电池管理系统BMS。该电池管理系统电源管理系统BMS由主控单元（BCU）、分控单元（SBCU）、信息检测、电流传感器、显示器等几部分构成（见图3），对所有单体电池的电压、温度、电流、容量、绝缘等参数进行实时检测，以保证锂电池电源正常工作， 具有以下功能。

1.2.1 数据采集功能

BMS进入工作状态后，检测单元自动采集各单体电池电压和温度、电池组总电压、充放电电流，并将全部信息传送到主控单元进行数据分析和采取相应控制。

1.2.2 安全保护功能

主控单元对采集到的数据进行分析和判断，当达到系统设定的各项保护条件时，主控单元将自动做出保护措施。保护措施分为三级，由轻到重分别为黄色警告、红色警告、断电电路3种保护，保护范围包括过充电保护、过放电保护、过电流保护、高温保护、低温保护、绝缘监测、采集线开路监测等。

1.2.3 SOC估算功能

采用开路电压法和安时积分法对电池组荷点状态进行准确度较高的估算，以便用户实时了解电池组剩余电量和可行驶里程。

1.2.4 均衡功能

BMS為电池组提供均衡功能，当达到设定条件时系统将发出均衡质量，使电池组内各单体电池处于相近的荷电状态，保证电池一致性。均衡方式采用放电均衡。

1.2.5 通讯功能

BMS内部通过CAN总线实现检测单元和主控单元的通讯，并预留多路RS485借口，实现对充电机和整车控制器的通讯。

1.2.6 显示功能

BMS附带独立显示器，可通过此显示器直接观察电池电压、温度、电流、SOC状态和各种报警信息（见图4）。

2 磷酸铁锂电池电源与铅酸蓄电池电源比较

2.1 使用寿命对比

铅酸蓄电池循环使用寿命最好600次，最多可以使用1.8年。而磷酸铁锂电池循环使用寿命达到1960次以上，至少可以使用6年。

2.2 安全性能对比

铅酸蓄电池在使用过程中，会产生一定量的氢气，同时发出大量的热能，一旦铅酸蓄电池质量出现问题，会给矿山安全生产带来隐患。而磷酸铁锂电池中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会大量发热或是形成强氧化性物质，安全可靠。

2.3 容量对比

现在8t煤矿电机车上使用的一台DXT440＼140电源装置，是70只2V铅酸蓄电池组成，理论容量61.6kWh。同样，在8t煤矿电机车上用磷酸铁锂电池电源，理论容量约63.2kWh，大于铅酸蓄容量。

2.4 电池保护方法对比

铅酸蓄电池电源仅仅用插销连接器中的熔断器进行保护，而酸铁锂电池电源配有锂电池控制箱时检测各个锂电池电压和温度、电池组总电压、充放电电流，并将全部信息传送到控制板进行数据分析和自动采取保护措施。

综合上述比较，与传统的铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池性能具有明显的优势：磷酸铁锂离子电池比容量高，相同重量的条件下其储存能量约为铅酸电池的3～4倍；单体磷酸铁输出电压为3.2V，高于铅酸电池；倍率性能较好，1C放电容量可达0.1C放电容量的90%以上；此外，其使用寿命也达到铅酸电池的3倍以上，而且外加电池管理系统更加保证了锂电池的使用年限和高效使用，更主要的是现行电机车可以和隔爆型锂电池电源无缝连接，上车直接使用。与此同时，锂电池不含重金属与稀有金属，无毒，无污染，符合环保要求，为绝对的绿色环保电池。

最后，在8t煤矿电机车上实际应用隔爆型锂电池电源的过程中，司机师傅普遍反映锂电池电源较以前电源，具有输出电压平稳、续航能力强、智能化高等优点，不过也提出锂电池电源也有技术含量高、不易掌握、维修困难大等不足，我们技术人员将会总结经验，结合实际情况，把产品做得更好。

参考文献

[1] 贾冬梅.锂离子电池正极材料市场分析[J].精细与专用化学品，2012，20（4）：37-41.

[2] 苏云.基于磷酸铁锂电池电源装置在煤矿蓄电池电机车中的研究与应用[J].煤矿机电，2015（2）：51-53，55.

[3] 佚名.锂离子电池原理与关键技术[J].电源技术， 2017，41（3）：501.