肖楠，　陳忠霞，　常龍，　于志豪，　郭海

(1.山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院， 山東 青島　266590； 2.國家海洋技術(shù)中心， 天津　300112)

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礦山輔助運輸車輛磷酸鐵鋰動力電源系統(tǒng)

肖楠1，陳忠霞1，常龍1，于志豪1，郭海2

(1.山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院， 山東 青島266590； 2.國家海洋技術(shù)中心， 天津300112)

針對目前國內(nèi)礦山輔助運輸車輛采用的鉛酸蓄電池動力源存在循環(huán)壽命短、維護成本高等問題，提出將磷酸鐵鋰離子電池應(yīng)用到礦山車輛上。通過分析單體電池容量及內(nèi)阻對鋰離子電池單體特性不一致性的影響，研究了鋰離子電池成組特性；并根據(jù)國家相關(guān)煤安標(biāo)準(zhǔn)，自主研發(fā)了適用于礦山輔助運輸車輛的磷酸鐵鋰動力電源系統(tǒng)，主要包括鋰離子電池組、電池管理系統(tǒng)以及防爆箱體。樣機試驗結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種礦山輔助運輸車輛，并且能夠滿足使用要求。

礦山車輛； 輔助運輸； 磷酸鐵鋰離子電池； 動力電源

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1021.004.html

0　引言

礦山輔助運輸車輛主要包括電機車、單軌吊、無軌膠輪車、卡軌車、齒軌車等[1]，其動力源主要有架線供電、柴油機、蓄電池等。架線式供電存在井下架線高度受限、人員觸電的安全隱患及實際使用不靈活的缺點[2]。柴油機具有動力大的優(yōu)點，但是尾氣污染嚴(yán)重、噪聲大[3]。

目前應(yīng)用于礦山車輛的動力電池多為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池能量密度低，循環(huán)壽命短(300～500次)，維護成本高。鉛酸電池的生產(chǎn)、使用及報廢等都會造成嚴(yán)重的污染，而且在充電時，電解硫酸鉛會析出氫離子，造成潛在的安全隱患，國家已逐步限制其使用[4]。近年來多種新材料電池得到了快速發(fā)展，許多專家學(xué)者正在從事新能源運輸車輛的研究[5]。本文從鋰離子電池及其成組特性、電池管理系統(tǒng)及防爆箱體3個方面來研究磷酸鐵鋰動力電源系統(tǒng)。

1　礦用鋰離子電池的研究意義

近年來，涌現(xiàn)出了鋰離子電池、鎳氫電池、鎘鎳電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、鋅空電池、MH-Ni電池等多種新能源電池，其中鋰離子電池得到了快速發(fā)展[6]。

鋰離子電池中的磷酸鐵鋰離子電池是目前我國公認的具有廣闊應(yīng)用前景的車輛動力電池，具有以下優(yōu)點：① 良好的環(huán)保性能。磷酸鐵鋰離子電池不含任何重金屬，無毒，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定。② 使用壽命長。在室溫下1C充放電循環(huán)2 000次，容量保持率為80%以上[7]。③ 安全性高。酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵強，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。磷酸鐵鋰離子電池重在400～500 ℃高溫下具有穩(wěn)定性，保證了電池內(nèi)在的高安全性，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而發(fā)生爆炸或燃燒。④ 鋰離子電池比能量大。在相同體積或質(zhì)量下，鋰離子電池比鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池的容量高[8]。⑤ 充電速度快、自放電少。磷酸鐵鋰離子電池可大電流3C快速充放電，在專用充電機下，2C充電30 min內(nèi)即可使電池電量充到90%以上。⑥ 充放電效率高，達98%以上。⑦ 磷酸鐵鋰離子電池在20 ℃左右性能最好，因此特別適用于煤礦井下溫度環(huán)境和基本恒溫條件。

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷成熟，礦用車輛使用新能源電池作為動力源是大勢所趨[9]。磷酸鐵鋰蓄電池的特性特別適合應(yīng)用于煤礦井下，將磷酸鐵鋰蓄電池應(yīng)用于煤礦電機車對于提高礦山裝備行業(yè)技術(shù)水平，提高煤礦運輸系統(tǒng)工作效率，推動煤礦安全高效生產(chǎn)和環(huán)保節(jié)能，具有重大現(xiàn)實意義[5]。

2　鋰離子電池及其成組特性

在實際使用中，需要將多個鋰離子電池串聯(lián)成組來滿足用戶對電壓的要求。由于在電池制造過程中各種誤差和偏差的影響，同一批次不同單體電池的特性會有所不同，電池組在使用過程中老化程度的不一致也會增加各單體電池的不一致性，因此，電池組的使用壽命會縮短數(shù)倍甚至十幾倍，成為制約其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[10]。

描述鋰離子電池成組特性的參數(shù)主要包括充放電電壓、內(nèi)阻特性和容量。因此，鋰離子電池在出廠的時候都必須將參數(shù)相近的進行歸類[11]。

將16個分配好的磷酸鐵鋰蓄電池(威能100 A·h)串聯(lián)成組后進行放電試驗，其特性如圖1所示。圖1(a)中,前面平滑的曲線為0.2C放電，從120 min后開始進行0.2C脈沖放電。從圖1(b)中可以明顯看出，單體電池穩(wěn)態(tài)下的電壓仍然存在較大差異，這主要是由單體電池的容量和內(nèi)阻差異造成的[8]。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，單體電池在脈沖放電過程中的電壓也存在較大差異，但它的不一致性與圖1(b)中表現(xiàn)的并不一致，這主要是由單體電池的極化內(nèi)阻差異造成的[12]。圖2為磷酸鐵鋰離子電池組0.2C的充電特性曲線，同樣表現(xiàn)出單體電池的容量、內(nèi)阻差異?？梢?，分配好的電池組在充放電過程中仍存在一定的差異。如果在電池使用過程中不進行相應(yīng)的控制，這些差異還會逐步加大，嚴(yán)重影響電池組的壽命[13]。因此，需要設(shè)計電池管理系統(tǒng)來對電池組中的每個單體電池進行管理，以提高電池組的壽命。

3　電池管理系統(tǒng)

礦山輔助運輸車輛磷酸鐵鋰動力電源系統(tǒng)主要包括鋰離子電池組、電池管理系統(tǒng)以及防爆箱體，其中電池組選用成組特性較好的鋰離子電池組，防爆箱體設(shè)計為多腔結(jié)構(gòu)。

3.1電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

典型的電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能[14]：單體電池、電池箱關(guān)鍵部位的溫度檢測；電池組電流檢測；單體電池電壓檢測；均衡控制。對于礦用鋰離子電池運輸車輛，電池管理系統(tǒng)還應(yīng)滿足《礦用鋰離子電池安全技術(shù)要求》和《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子電池電源安全技術(shù)要求》中規(guī)定的構(gòu)成、防爆、保護等各項指標(biāo)：① 運輸車輛用電源單個鋰離子電池的標(biāo)稱容量不超過100 A·h。② 必須采用隔爆或隔爆兼本安的防爆型式，放置電池的隔爆腔體應(yīng)能承受不小于1.5 MPa的靜壓試驗。③ 在隔爆腔體內(nèi)電池只能采用串聯(lián)方式，其容量不能超過32 000 W·h。④ 電池隔爆腔體內(nèi)不得放置除溫度傳感器之外的任何電器元件。

(a) 放電電壓

(b) 區(qū)域A放大圖

(c) 區(qū)域B放大圖

(d) 區(qū)域C放大圖

圖2　磷酸鐵鋰離子電池組的充電特性曲線

根據(jù)以上要求，礦用車輛動力電源需要采用單個鋰離子電池串聯(lián)成電池模塊，然后進行隔爆處理，再并聯(lián)使用,以滿足運輸車輛的電壓及容量需要[15]。電池管理系統(tǒng)分為模塊管理系統(tǒng)與總成管理系統(tǒng)2級，模塊管理系統(tǒng)由總成管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理。電池管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，多個鋰離子電池串聯(lián)成組后放入隔爆箱的電池腔內(nèi)，由模塊控制器統(tǒng)一管理；然后多個防爆箱體通過接線腔接線連接到總成防爆箱，由總成管理系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理各個模塊管理系統(tǒng)。

圖3　電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

模塊管理系統(tǒng)又包括功率開關(guān)、單體控制器、模塊控制器、CAN接口電路和外圍電路等。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，將蓄電池組和溫度傳感器放入隔爆箱的電池腔內(nèi)。單體控制器主要通過SPI總線配合模塊控制器完成對單個鋰離子電池電壓的采集和均衡管理。模塊控制器主要完成的任務(wù)：通過A/D接口電路完成電池組電流采集；配合電池腔內(nèi)的溫度傳感器對每個單體電池的溫度進行采集；控制功率開關(guān)完成蓄電池組的充放電開關(guān)以及過流、過壓、短路等保護；通過CAN通信接口電路完成與總成管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，通過總成控制器、模塊控制器、單體控制器的數(shù)據(jù)通信，并結(jié)合外圍電路，實現(xiàn)以下功能：單體電池的電壓和溫度檢測,電池組的電壓、電流、電池容量檢測等，單體電池過充電壓保護,單體電池過充電壓保護失效檢測,單體電池過放電壓保護,單體電池過放電壓保護失效檢測,充電過流保護,放電過流保護,輸出短路保護,溫度保護,均衡充電控制,電池信息采集線開路保護等。此外,電池管理系統(tǒng)還具備信息傳輸接口。

圖4　電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

3.2電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1溫度檢測

由于礦山車輛動力電源數(shù)量較多，每節(jié)單體電池都對應(yīng)一個溫度傳感器，故采用一線總線溫度傳感器18B20，所有的18B20共用3條接線，大大簡化了現(xiàn)場接線工作量，根據(jù)各節(jié)電池編號給相應(yīng)的溫度傳感器編號，一旦寫入編號，溫度傳感器與電池便具有一一對應(yīng)關(guān)系[16]。

3.2.2均衡管理

由于磷酸鐵鋰離子電池的個體性能差異，必須采用適應(yīng)其特點的管理系統(tǒng)對充放電過程進行均衡控制，有效解決成組鋰離子動力電池安全性和壽命問題。能量均衡管理方法有能耗型和能量轉(zhuǎn)移型2種。能量轉(zhuǎn)移型管理方法用貯能器件將充電電流分流回饋，達到節(jié)約電能的目的。該方法節(jié)約的電能較少，與之對應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。所以，本文選擇成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的能耗型均衡管理方法[17]。

3.2.3運行檢測與保護

本文采用基于霍爾傳感器的間接測量法[18]實現(xiàn)電流檢測。電壓檢測系統(tǒng)采用電池監(jiān)視器LTC6803配合ARM-Cortex芯片STM32F103RCT6，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠[19]。

在礦車運行的全過程中，對電源系統(tǒng)的各項參數(shù)進行實時檢測。一旦檢測到故障，系統(tǒng)就會采取相應(yīng)動作，保證礦車運行的安全穩(wěn)定。例如：總成管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個電池發(fā)生欠壓、過壓等故障時會報警，如果故障不能及時排除也會報警；總成管理系統(tǒng)檢測到輸出短路等故障后，直接斷電。

4　動力電源系統(tǒng)樣機

某大學(xué)已成功研制出適用于單軌吊的DXBL99840/250C型鋰離子電池動力電源系統(tǒng)、適用于2.5 t電機車的DXBL19200/48C型鋰離子電池動力電源系統(tǒng)、適用于8 t電機車的DXBL76800/192C型鋰離子電池動力電源系統(tǒng)。技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　電源系統(tǒng)參數(shù)

以單軌吊為例，其電源系統(tǒng)采用78串4并的結(jié)構(gòu)，即78個單體電池串聯(lián)組成電源模塊，4個模塊再并聯(lián)組成系統(tǒng)。每個模塊都是獨立的防爆箱體，相互之間具有互換性。模塊防爆箱采用三腔結(jié)構(gòu)，即電池腔、控制腔和接線腔[16]。總成箱體是獨立的兩腔結(jié)構(gòu)防爆箱體，即控制腔和接線腔。

5　結(jié)語

分析了礦山鋰離子電池運輸車輛的研究意義和鋰離子電池及其成組特性，設(shè)計了磷酸鐵鋰動力電源系統(tǒng)，并研制了樣機。樣機試驗結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種礦山輔助運輸車輛，并且能夠滿足使用要求。

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LiFeO4battery power supply system for mine auxiliary transportation vehicle

XIAO Nan1,CHEN Zhongxia1,CHANG Long1,YU Zhihao1，GUO Hai2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China; 2.National Ocean Technology Centre, Tianjin 300112, China)

For problems of short cycle life and high maintenance cost of existing power supply of domestic mine auxiliary transportation vehicle which uses lead-acid batteries as power supply, the paper proposed application of LiFeO4battery to the mine vehicle. Firstly, characteristics of the lithium battery group was studied through analyzing influence of cell capacity and resistance characteristics on li-ion battery inconsistency, and then li-ion battery power supply system that can be used for the mine transportation vehicle was developed according to related security standard of coal mine, mainly including li-ion battery pack, battery management system and explosion-proof box. The test results of prototype show that the power supply system can be applied to a variety of auxiliary transportation vehicles, and can meet use requirements.

mine vehicle; auxiliary transportation; LiFeO4battery; power supply

2015-11-30；

2016-04-20；責(zé)任編輯：胡嫻。

山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖?J15LN18)；青島市黃島區(qū)科技項目(2014-1-39，2014-1-36)；山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(YC150322)。

肖楠(1993-)，女，山東沂水人，碩士研究生，主要研究方向為礦用鋰電池管理系統(tǒng)，E-mail:xiaomin0@163.com。

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A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-01 10:21