礦用隔爆型鋰電池電源在電機車上的應用

屠宇　隋榮峙

摘 要：本文介紹礦用隔爆型磷酸鐵鋰電池電源以及控制系統(tǒng)的設計原理，并與目前煤礦電機車上常規(guī)使用的防爆特殊性鉛酸蓄電池電源進行比較，增加了智能控制、信息通訊與顯示、故障報警等多種功能，具有更加安全、可靠、使用方便等特點，并經過煤礦實際試驗，得出礦用隔爆型鋰電池動力電源雖然剛剛起步，但是優(yōu)點顯而易見，在未來煤礦生產現(xiàn)代化中，必定會有廣大的發(fā)展空間。

關鍵詞：磷酸鐵鋰電池 鉛酸蓄電池 煤礦電機車

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0057-02

1 磷酸鐵鋰電池原理

鋰離子電池是20世紀90年代初出現(xiàn)的新型蓄電池，經過多年的發(fā)展，現(xiàn)已在電子產品、電動工具、不間斷電源、電動自行車、電動汽車等多領域得到大范圍的應用。根據(jù)鋰離子電池正極材料的不同，鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、三元系電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池等幾大類，其中磷酸鐵鋰電池倍率性能良好且循環(huán)壽命最長、安全性能最好，在電動汽車、電動自行車、通信電源等方面得到廣泛應用，并不斷進入重要電源領域。筆者工廠就是應用安全可靠的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成大容量電源，為了適合煤礦環(huán)境下電氣設備使用的特殊要求，設計生產礦用隔爆型磷酸鐵鋰電池電源（以下稱鋰電池電源）作為8t煤礦電機車動力電源，并進行工業(yè)試驗（見圖1）。

1.1 礦用隔爆型鋰電池電源設計原理

目前，煤礦電機車所使用的鉛酸蓄電池電源工作方式，大都是經過瓦斯斷電儀（檢測作業(yè)環(huán)境），再經過司機控制器（啟動，制動電機車），給直流電機提供電能。該廠 8t礦用電機車的鉛酸蓄電池電源采用2V 70只（每只容量440AH）串聯(lián)而成140V直流電源（總容量61.6kWh），來給2臺15kW直流電機提供電能。因此，（見圖2）為了達到電源容量不小于原有鉛酸蓄電池電源，通過計算磷酸鐵鋰電池電源采用單體磷酸鐵鋰電池3.2V，標量110Ah，45只串聯(lián)組成，形成144V直流電源（容量15.8kWh），從而達到原有容量采用4組鋰電池電源并聯(lián)（總容量63.2kWh）。由于鋰電池電源是在煤礦井下工作，因此，在結構設計必須滿足GB3838-2010《爆炸性環(huán)境用設備》和《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術要求（試行）》相關要求。

1.2 礦用隔爆型鋰電池電源控制系統(tǒng)設計

為了讓礦用隔爆型鋰電池電源更安全、更可靠地工作和便于日常維護，設計了鋰電池管理系統(tǒng)BMS。該電池管理系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)BMS由主控單元（BCU）、分控單元（SBCU）、信息檢測、電流傳感器、顯示器等幾部分構成（見圖3），對所有單體電池的電壓、溫度、電流、容量、絕緣等參數(shù)進行實時檢測，以保證鋰電池電源正常工作， 具有以下功能。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集功能

BMS進入工作狀態(tài)后，檢測單元自動采集各單體電池電壓和溫度、電池組總電壓、充放電電流，并將全部信息傳送到主控單元進行數(shù)據(jù)分析和采取相應控制。

1.2.2 安全保護功能

主控單元對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和判斷，當達到系統(tǒng)設定的各項保護條件時，主控單元將自動做出保護措施。保護措施分為三級，由輕到重分別為黃色警告、紅色警告、斷電電路3種保護，保護范圍包括過充電保護、過放電保護、過電流保護、高溫保護、低溫保護、絕緣監(jiān)測、采集線開路監(jiān)測等。

1.2.3 SOC估算功能

采用開路電壓法和安時積分法對電池組荷點狀態(tài)進行準確度較高的估算，以便用戶實時了解電池組剩余電量和可行駛里程。

1.2.4 均衡功能

BMS為電池組提供均衡功能，當達到設定條件時系統(tǒng)將發(fā)出均衡質量，使電池組內各單體電池處于相近的荷電狀態(tài)，保證電池一致性。均衡方式采用放電均衡。

1.2.5 通訊功能

BMS內部通過CAN總線實現(xiàn)檢測單元和主控單元的通訊，并預留多路RS485借口，實現(xiàn)對充電機和整車控制器的通訊。

1.2.6 顯示功能

BMS附帶獨立顯示器，可通過此顯示器直接觀察電池電壓、溫度、電流、SOC狀態(tài)和各種報警信息（見圖4）。

2 磷酸鐵鋰電池電源與鉛酸蓄電池電源比較

2.1 使用壽命對比

鉛酸蓄電池循環(huán)使用壽命最好600次，最多可以使用1.8年。而磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用壽命達到1960次以上，至少可以使用6年。

2.2 安全性能對比

鉛酸蓄電池在使用過程中，會產生一定量的氫氣，同時發(fā)出大量的熱能，一旦鉛酸蓄電池質量出現(xiàn)問題，會給礦山安全生產帶來隱患。而磷酸鐵鋰電池中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會大量發(fā)熱或是形成強氧化性物質，安全可靠。

2.3 容量對比

現(xiàn)在8t煤礦電機車上使用的一臺DXT440＼140電源裝置，是70只2V鉛酸蓄電池組成，理論容量61.6kWh。同樣，在8t煤礦電機車上用磷酸鐵鋰電池電源，理論容量約63.2kWh，大于鉛酸蓄容量。

2.4 電池保護方法對比

鉛酸蓄電池電源僅僅用插銷連接器中的熔斷器進行保護，而酸鐵鋰電池電源配有鋰電池控制箱時檢測各個鋰電池電壓和溫度、電池組總電壓、充放電電流，并將全部信息傳送到控制板進行數(shù)據(jù)分析和自動采取保護措施。

綜合上述比較，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池性能具有明顯的優(yōu)勢：磷酸鐵鋰離子電池比容量高，相同重量的條件下其儲存能量約為鉛酸電池的3～4倍；單體磷酸鐵輸出電壓為3.2V，高于鉛酸電池；倍率性能較好，1C放電容量可達0.1C放電容量的90%以上；此外，其使用壽命也達到鉛酸電池的3倍以上，而且外加電池管理系統(tǒng)更加保證了鋰電池的使用年限和高效使用，更主要的是現(xiàn)行電機車可以和隔爆型鋰電池電源無縫連接，上車直接使用。與此同時，鋰電池不含重金屬與稀有金屬，無毒，無污染，符合環(huán)保要求，為絕對的綠色環(huán)保電池。

最后，在8t煤礦電機車上實際應用隔爆型鋰電池電源的過程中，司機師傅普遍反映鋰電池電源較以前電源，具有輸出電壓平穩(wěn)、續(xù)航能力強、智能化高等優(yōu)點，不過也提出鋰電池電源也有技術含量高、不易掌握、維修困難大等不足，我們技術人員將會總結經驗，結合實際情況，把產品做得更好。

參考文獻

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