王繼強

摘 要：主要針對煤礦井下大容量鋰離子蓄電池充電機的設(shè)計，滿足防爆要求的同時，實現(xiàn)與BMS之間的CAN總線通訊，根據(jù)BMS給定的電池狀態(tài)，改變充電模式。充電機的輸出電流、電壓等參數(shù)的精度滿足鋰離子蓄電池充電的需求。同時對充電過程中出現(xiàn)的異常狀況提供各種保護(hù)。

關(guān)鍵詞：鋰電池 充電機 CAN通訊

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0105-01

目前鉛酸蓄電池在煤礦井下電機車、單軌吊、支架搬運車等大型運輸設(shè)備上普遍應(yīng)用，但由于鉛酸電池本質(zhì)上存在體積大，重量沉，能量密度低，充電時間長等缺點，并且在放電過程中存在吸氫現(xiàn)象，存在安全隱患。由于磷酸鐵鋰電池的廣泛應(yīng)用，國家安標(biāo)中心也出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許100 Ah以下的磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于煤礦井下，由于磷酸鐵鋰電池體積小，重量輕，能量密度高，充放電循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，必定將替代傳統(tǒng)鉛酸電池而廣泛應(yīng)用于煤礦井下，因此設(shè)計開發(fā)一種適用于磷酸鐵鋰電池充電的礦用充電機也是非常有必要的。

1 充電機性能原理

采用先進(jìn)的IGBT控制技術(shù)及高性能電能質(zhì)量優(yōu)化控制技術(shù)，實現(xiàn)充電過程中能量的高品質(zhì)轉(zhuǎn)換；結(jié)合高性能DSP數(shù)字處理器和高精度采樣、控制技術(shù)，通過先進(jìn)的矢量控制算法配合鋰電池組成熟的充電工藝，實現(xiàn)高效、節(jié)能，對電網(wǎng)無污染、輸出紋波小對鋰電池?zé)o傷害、運行成本低等優(yōu)點，其性能可與國外知名品牌相媲美。

2 充電機主參數(shù)的確定

煤礦井下普遍供電電源為三相660 V，因此將本充電機輸入電壓等級定為660 V（+10～-15%），根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心的規(guī)定，目前煤礦用鋰離子蓄電池電源箱的額定電壓最高為320 V，故將本充電機的輸出電壓范圍定為50～400 V，在主參數(shù)確認(rèn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)《NB/T33001-2010電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機技術(shù)條件》進(jìn)而確定其余參數(shù)。輸入側(cè)功率因數(shù)：COSΦ>0.95；輸入側(cè)電流諧波總畸變率：<8%；輸出電流控制范圍：0～120 A；輸出電流精度：±0.5%F.S；輸出電壓精度： ±0.5%F.S；輸出電壓紋波：≤1%F.S。

3 防爆設(shè)計

由于該充電機應(yīng)用于煤礦井下，必須滿足GB3836以及煤礦電氣設(shè)備的相關(guān)規(guī)定，充電機外部需設(shè)計相關(guān)的防爆外殼，充電所需的正負(fù)極與待充電源箱的正負(fù)極通過隔爆型插銷連接器相連，于此同時為了滿足充電機與電源箱內(nèi)的BMS的通訊，采用本安型插銷連接器作為通訊CAN總線通訊的連接。因此該充電機防爆型式確定為隔爆兼本質(zhì)安全型Exd[ib]I Mb。在有防爆外殼的情況下，急需解決的就是充電機工作過程中的發(fā)熱問題，首先確定充電機的工作制，鋰離子蓄電池電源箱的充電時間一般約為3個小時，因此充電機的工作制定為短時工作制；其次確認(rèn)散熱型式，目前煤礦井下電氣設(shè)備的散熱方式主要有，自然冷卻，風(fēng)冷，水冷等，考慮到充電機實際使用環(huán)境不易通水，以及發(fā)熱功率不大等因素，將充電機的散熱方式定為熱管自然冷卻。將充電機內(nèi)部主要發(fā)熱元件如：IGBT，干式變壓器等元件通過導(dǎo)熱硅脂與散熱銅板相連，銅板作為隔爆外殼的一部分，銅板的背面固定有熱管散熱器。元件產(chǎn)生的熱量可通過銅管散熱器排出。充電機內(nèi)部其余元件發(fā)熱量很小，僅僅依靠防爆箱體的自身熱容即可滿足其散熱要求。

4 充電機的特點及功能

該充電機具備功率因數(shù)高，輸入側(cè)電流諧波總畸變率小對電網(wǎng)無污染，輸入電壓范圍寬，電壓波動范圍寬，充電效率高好等特點。具備掉電保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、極性反接保護(hù)、缺相保護(hù)、過溫保護(hù)等多種保護(hù)功能?？筛鶕?jù)BMS發(fā)送的信息對電源箱進(jìn)行充電，也可根據(jù)自身編制的工藝對電源箱進(jìn)行充電（恒壓限流、恒流、脈沖、變流充電、恒功率充電）。由于采用IGBT控制技術(shù)，系統(tǒng)可以輸出自由定制寬度和幅值的正負(fù)脈沖電流，采用脈沖充電工藝，轉(zhuǎn)換效率高，充電時間短，充電效率大幅提高，節(jié)約工作時間，同時軟件還具有輸出電壓、輸出電流校準(zhǔn)功能?；谛乱淮④?NET平臺的充電集中監(jiān)控管理軟件，具有良好的人機交互功能，通過簡單的操作就能編輯并組態(tài)多種復(fù)雜充放電工藝，控制工藝可達(dá)到999個階段，每階段的多種采集參數(shù)均可參與控制；具有強大的數(shù)據(jù)查詢、分析、管理功能，便于用戶進(jìn)行生產(chǎn)管理與決策。充電機輸出波形與普通鉛酸電池充電機輸出波形的對比（如圖1，2）。

該充電機的設(shè)計，解決了煤礦井下鋰電池電源箱的充電問題，為磷酸鐵鋰電池在煤礦行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展提供了基礎(chǔ)，能夠推動煤礦大型輔助運輸設(shè)備產(chǎn)品的升級和技術(shù)革新，符合建立綠色環(huán)保型礦山的遠(yuǎn)大憧憬。

參考文獻(xiàn)

[1] 王兆安.電力電子技術(shù)[D].5版.西安交通大學(xué).

[2] 周立功.CAN總線設(shè)計詳解[Z].

[3] 張輝，曹麗娜.現(xiàn)代通訊原理與技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2002.