关于煤矿井下锂离子蓄电池充电机的设计

王继强

摘 要：主要针对煤矿井下大容量锂离子蓄电池充电机的设计，满足防爆要求的同时，实现与BMS之间的CAN总线通讯，根据BMS给定的电池状态，改变充电模式。充电机的输出电流、电压等参数的精度满足锂离子蓄电池充电的需求。同时对充电过程中出现的异常状况提供各种保护。

关键词：锂电池 充电机 CAN通讯

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0105-01

目前铅酸蓄电池在煤矿井下电机车、单轨吊、支架搬运车等大型运输设备上普遍应用，但由于铅酸电池本质上存在体积大，重量沉，能量密度低，充电时间长等缺点，并且在放电过程中存在吸氢现象，存在安全隐患。由于磷酸铁锂电池的广泛应用，国家安标中心也出台相关标准允许100 Ah以下的磷酸铁锂电池应用于煤矿井下，由于磷酸铁锂电池体积小，重量轻，能量密度高，充放电循环寿命长等优势，必定将替代传统铅酸电池而广泛应用于煤矿井下，因此设计开发一种适用于磷酸铁锂电池充电的矿用充电机也是非常有必要的。

1 充电机性能原理

采用先进的IGBT控制技术及高性能电能质量优化控制技术，实现充电过程中能量的高品质转换；结合高性能DSP数字处理器和高精度采样、控制技术，通过先进的矢量控制算法配合锂电池组成熟的充电工艺，实现高效、节能，对电网无污染、输出纹波小对锂电池无伤害、运行成本低等优点，其性能可与国外知名品牌相媲美。

2 充电机主参数的确定

煤矿井下普遍供电电源为三相660 V，因此将本充电机输入电压等级定为660 V（+10～-15%），根据相关标准以及国家矿用产品安全标志中心的规定，目前煤矿用锂离子蓄电池电源箱的额定电压最高为320 V，故将本充电机的输出电压范围定为50～400 V，在主参数确认的基础上，根据《NB/T33001-2010电动汽车非车载传导式充电机技术条件》进而确定其余参数。输入侧功率因数：COSΦ>0.95；输入侧电流谐波总畸变率：<8%；输出电流控制范围：0～120 A；输出电流精度：±0.5%F.S；输出电压精度： ±0.5%F.S；输出电压纹波：≤1%F.S。

3 防爆設计

由于该充电机应用于煤矿井下，必须满足GB3836以及煤矿电气设备的相关规定，充电机外部需设计相关的防爆外壳，充电所需的正负极与待充电源箱的正负极通过隔爆型插销连接器相连，于此同时为了满足充电机与电源箱内的BMS的通讯，采用本安型插销连接器作为通讯CAN总线通讯的连接。因此该充电机防爆型式确定为隔爆兼本质安全型Exd[ib]I Mb。在有防爆外壳的情况下，急需解决的就是充电机工作过程中的发热问题，首先确定充电机的工作制，锂离子蓄电池电源箱的充电时间一般约为3个小时，因此充电机的工作制定为短时工作制；其次确认散热型式，目前煤矿井下电气设备的散热方式主要有，自然冷却，风冷，水冷等，考虑到充电机实际使用环境不易通水，以及发热功率不大等因素，将充电机的散热方式定为热管自然冷却。将充电机内部主要发热元件如：IGBT，干式变压器等元件通过导热硅脂与散热铜板相连，铜板作为隔爆外壳的一部分，铜板的背面固定有热管散热器。元件产生的热量可通过铜管散热器排出。充电机内部其余元件发热量很小，仅仅依靠防爆箱体的自身热容即可满足其散热要求。

4 充电机的特点及功能

该充电机具备功率因数高，输入侧电流谐波总畸变率小对电网无污染，输入电压范围宽，电压波动范围宽，充电效率高好等特点。具备掉电保护、过压保护、过流保护、短路保护、极性反接保护、缺相保护、过温保护等多种保护功能。可根据BMS发送的信息对电源箱进行充电，也可根据自身编制的工艺对电源箱进行充电（恒压限流、恒流、脉冲、变流充电、恒功率充电）。由于采用IGBT控制技术，系统可以输出自由定制宽度和幅值的正负脉冲电流，采用脉冲充电工艺，转换效率高，充电时间短，充电效率大幅提高，节约工作时间，同时软件还具有输出电压、输出电流校准功能。基于新一代微软.NET平台的充电集中监控管理软件，具有良好的人机交互功能，通过简单的操作就能编辑并组态多种复杂充放电工艺，控制工艺可达到999个阶段，每阶段的多种采集参数均可参与控制；具有强大的数据查询、分析、管理功能，便于用户进行生产管理与决策。充电机输出波形与普通铅酸电池充电机输出波形的对比（如图1，2）。

该充电机的设计，解决了煤矿井下锂电池电源箱的充电问题，为磷酸铁锂电池在煤矿行业的应用和发展提供了基础，能够推动煤矿大型辅助运输设备产品的升级和技术革新，符合建立绿色环保型矿山的远大憧憬。

参考文献

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[2] 周立功.CAN总线设计详解[Z].

[3] 张辉，曹丽娜.现代通讯原理与技术[M].西安电子科技大学出版社，2002.