矿用电机车蓄电池电源装置的设计

刘亮平

（北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013）

0 引 言

矿用电机车是煤矿井下的主要运输设备之一，用来运输材料、设备以及人员等，是不可或缺的机电设备。当前使用的矿用电机车经多年发展改进而来，包括有轨式、无轨式以及牵引式等多种形式，但其使用的动力电源主要是铅酸蓄电池，具有生产工艺成熟、成本低、放电电流大等优势。随着科学技术的发展，铅酸电池的缺点也比较明显，其续航能力差，在充放电过程中会释放污染环境的气体。此外，铅酸蓄电池能量密度低、寿命短、回收困难，已经严重影响矿用电机车的智能化升级，制约煤矿智能化发展速度。基于此，采用绿色、高效、安全可靠的蓄电池将成为今后矿用电机车电源的必然趋势[1]。

1 矿用电机车蓄电池概况

目前，矿用电机车中的电源主要采用铅酸蓄电池，也有少量使用锂离子蓄电池。20 世纪50 年代，铅酸电池在我国就开始广泛应用，其技术成熟、价格便宜、安全可靠，将其作为机车动力源无火花引爆风险，适合煤矿井下环境使用。与此同时，其充电时间长且循环寿命只有300 次左右，需长期维护，后期运用成本相对较高。此外，铅酸蓄电池中的铅是重金属，存在污染，与绿色环保的概念背道而驰。

近年来，大容量锂离子动力电池的研发和应用取得了长足的技术突破，在已投入市场的蓄电池矿用电机车中也有锂离子动力电池的应用[2]。矿用电机车主要使用环境为煤矿井下，蓄电池电源设计必须符合防爆国家标准要求，且电池放置于密闭的隔爆外壳内，严禁使用会析出或释放有毒有害、可燃性或污染环境的电池。从全生命周期来看，锂离子电池成本相对较低，随着锂离子电池技术和生产工艺的不断突破与进步，其成本会大幅下降，前景十分广阔，矿用机车电源全面使用锂离子电源也是未来发展的重要趋势。

2 磷酸铁锂离子蓄电池特点

磷酸铁锂离子蓄电池是一种正极材料为磷酸亚铁锂（LiFePO4）的新型蓄电池，它主要依靠磷酸亚铁锂在正极和负极之间的移动来工作。在充、放电过程中，磷酸亚铁锂在正负极之间往返嵌入和脱嵌。该电池无记忆效应，在充电时无须考虑电池电量，随用随充。目前，磷酸铁锂离子蓄电池在移动通信、电动汽车、国家电网储能等多个行业领域广泛使用。磷酸铁锂离子蓄电池与其他蓄电池相比，特性和优点都很突出[3,4]。

（1）寿命长。一般铅酸蓄电池、镍氢蓄电池循环寿命在300 次左右，磷酸铁锂离子蓄电池1C 循环寿命普遍达1 500 ～2 000 次，平均使用寿命为6 年，是铅酸电池的5 倍、镍氢电池的4 倍，在低放电深度下甚至可达几万次[5]。

（2）安全性高。磷酸铁锂离子蓄电池的正极材料电化学性能比较稳定，在使用过程中电池结构不会发生变化，不会因为短路、过充、过放等因素发生爆炸，且在充电过程中不会有氢气等析出[6]。

（3）环保性优越。磷酸铁锂离子蓄电池不含镉、铅、汞等有害物质，在生产和使用过程中不会对环境造成危害，属于真正的绿色电池和环保电池。

（4）充、放电优势强。磷酸铁锂离子蓄电池可大电流进行充、放电，在快速充电模式下可以使电池在1 ～2 h 内实现满充，在不使用时可长时间存放，充满电储存1 个月后的自放电率为1%～2%。此外，在大电流放电时,对电池不会有损伤。

（5）体积小、重量轻。磷酸铁锂离子蓄电池的能量高，目前已达到100 ～220 （W·h）/kg，是铅酸电池的6 ～7 倍，镍氢电池的2 ～3 倍，相同容量下体积只有铅酸蓄电池的1/5。

（6）单体电池电压高，放电平台平稳。磷酸铁锂离子蓄电池的单体标称电压为3.2 V，铅酸电池只有2.0 V，镍氢电池为1.2 V。同样等级额定电压下，磷酸铁锂离子蓄电池串联少、稳定性好、故障率低。

铅酸电池、镍氢电池以及磷酸铁锂离子蓄电池的对比总结如表1 所示。

表1 常用蓄电池技术参数比较

3 矿用电机车电源装置

电源装置由控制系统、电池管理系统以及防爆结构3 部分组成，具体如下。

3.1 控制系统

控制系统是整个电源的核心部分，主要完成对电池的实时管理、检测及保护等。利用通信接口实现设备之间的相互通信，完成数据共享和控制功能。监测电源中的电池故障、充放电系统故障、检测故障以及通信故障等，同时通过液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）实时显示系统信息。电源装置控制系统结构如图1 所示。

图1 电源装置控制系统结构

3.2 电池管理系统

根据《矿用锂离子蓄电池安全技术要求》的规定，利用电池管理系统采集电源箱内每个单体电池的电压、电流、温度等数据，实现单体电池过充保护、单体电池过放保护、充电过流保护、放电过流保护、输出短路保护、温度保护、均衡控制以及电池信息采集线开路等功能。电池管理系统结构如图2 所示。

图2 电池管理系统结构

3.3 防爆安全结构

矿用机车锂离子电源主要应用于煤矿井下，更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆气体的区域进行工作，因此防爆设计必不可少且尤为重要。电源转置不仅要进行防爆设计，还要进行散热、防水、防震以及防灰尘等设计。

3.4 电源装置实现

电源装置设计要求符合《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求（试行）》和《矿用锂离子蓄电池安全技术要求》等相关规定。单体电池选用容量为100 Ah 的磷酸铁锂离子蓄电池，由64 支单体电池串联组成，共分为4 组，每组16 支。系统对每支单体进行电压采样和温度采集，通过电池管理系统可对单体电压、温度进行整定。当实际采样值超过/低于整定值时，系统进行报警，并采取相应的处理措施和执行相应动作。管理系统的核心功能是实时保护，对工作过程中出现过流、短路、断路以及断线等实现保护作用。电源装置控制系统是电源装置的执行单元，通过对工作参数的采集来决定电源执行动作。当检测到有交流电源接入时，电源转入充电状态，停止对外供电；反之，电源向负载供电。控制系统通过通信接口传输电源状态和一些设备参数，同时通过本地LCD 也可以实时了解电源状态。

4 基于磷酸铁锂离子蓄电池的电源装置测试

电源装置研制成功后，对其电压采集、温度采集、电流监测等进行测试。测试连接如图3 所示。

图3 测试连接

4.1 电压采集测试

使用万用表测量所有单体锂电池的电压，并观察LCD 显示的数据。选择其中16 节电池进行说明，将万用表的测量数据与电源装置的测量数据进行比较和记录，如表2 所示。

表2 电压测试数据对比

经实际测量后，电池组电压基本维持在3.2 V 以上。8#电池实际测量值与万用表测量值误差最大为3 mV，其余测量误差都很小，电压采集准确度很高，达到了较高的指标设计要求。

4.2 电流监测测试

电流监测测试模拟负载采用滑动变阻器装置，电源装置与滑动变阻器构成工作回路如图3 所示。本测试目的在于检验电源装置的性能和测量准确性，暂不考虑现场实际使用功率，因此模拟负载随机选取10 Ω、20 Ω、30 Ω 这3 个档位。在回路中串入万用表测试电路电流，电源装置检测到的电流值在本地LCD 显示，具体数据如表3 所示。

表3 电流监测结果

经过实际测量分析后，电源装置的电流测量精度较高，误差基本控制在±0.03 A 之内。

4.3 温度检测

电源装置内部每支电池都安装1 个温度传感器，因为所有电池都安装在同一隔爆腔内，所以除了遇到特殊情况，所有传感器温度基本接近。随机选取1 个电源装置电池组温度检测传感器，分别在电源装置上电工作时、带载1 h 后以及停止工作1 h 后进行3 次测试，用红外测温仪测试温度并进行记录比较，具体数据如表4 所示。

表4 电池温度采集测试结果

经过测试，电源装置测量值与红外测温仪测量值的误差较小，测量准确可靠。

5 结 论

通过测试，该电源装置能够实现基本功能，达到实用、可靠的使用要求。但是由于电源装置未取得安全标准认证，只能在实验室进行测试验证，未来将继续改进完善，生产样机进行安全标准认证工作。随着国家对矿用设备安全要求的提高和锂离子蓄电池组应用技术的突破，加上国家新能源战略的部署，铅酸蓄电池在矿用电机车动力电源的比重将大大减小，磷酸铁锂离子蓄电池的占比将逐步提升。