礦用鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車隔爆兼本安型主控箱的研制及應(yīng)用

邢 晨

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

1 概 述

當(dāng)前，煤礦井下的無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備主要以防爆柴油車輛為主。長(zhǎng)期使用發(fā)現(xiàn)，大量的防爆柴油無軌膠輪車使用時(shí)產(chǎn)生的尾氣和噪聲嚴(yán)重影響井下從業(yè)人員的健康，并存在一定的安全隱患。因此，我國(guó)對(duì)新能源汽車研制、開發(fā)、推廣的重視與日俱增，針對(duì)煤礦井下專用的純電動(dòng)無軌膠輪車成為企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)?，F(xiàn)在井下使用的純電動(dòng)無軌膠輪車主要有兩種車型：鉛酸電池重型車和鋰電池輕型車[1]?，F(xiàn)在鉛酸電池重型車在國(guó)內(nèi)外已廣泛使用，有良好的技術(shù)支持和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，但電池質(zhì)量大、體積大、維護(hù)困難[2]是短時(shí)間內(nèi)無法改善的缺陷。鋰離子蓄電池輕型車使用的蓄電池能量密度高[3]，通過對(duì)整車電氣系統(tǒng)的優(yōu)化，可以有效地減少能量消耗、提高電池壽命、增加續(xù)航里程[4]，有很好的研究前景。

礦用鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車的整車電氣系統(tǒng)主要包括整車低壓控制系統(tǒng)、整車自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和高壓動(dòng)力系統(tǒng)。整車低壓控制系統(tǒng)由控制單元和執(zhí)行單元兩部分組成，控制模塊作為控制單元根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，配套的眾多低壓用電設(shè)備作為執(zhí)行單元接收控制單元的命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。整車自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)整車的各種狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，報(bào)警并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，保障整車安全。電池管理系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)控鋰離子蓄電池的工作狀態(tài)，既保證車輛運(yùn)行時(shí)電池的安全性，又確保充分發(fā)揮電池的性能[5]。高壓動(dòng)力系統(tǒng)由整車控制器、電機(jī)控制器和永磁電機(jī)組成[6]。

考慮到整車的質(zhì)量與車輛續(xù)航能力的相互影響，將整車低壓控制系統(tǒng)的控制單元、整車自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、高壓動(dòng)力系統(tǒng)的整車控制器和電機(jī)控制器集成于主控箱，從而減輕整車質(zhì)量，提高續(xù)航里程。整車電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車電氣結(jié)構(gòu)圖

2 主控箱電氣硬件設(shè)計(jì)

圖2 主控箱電氣硬件設(shè)計(jì)圖

主控箱將整車低壓控制系統(tǒng)的控制單元、整車自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、高壓動(dòng)力系統(tǒng)的整車控制器和電機(jī)控制器集成于一體，作為整車的控制核心，既需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的能量供給，又需要對(duì)各個(gè)用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制。根據(jù)不同的功能，主控箱內(nèi)部進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，包括：主控模塊，本安隔離模塊，隔爆設(shè)備控制模塊，12V本安電源，24V電源，整車控制器和電機(jī)控制器，如圖2所示。這樣的設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①減少強(qiáng)電動(dòng)力線路對(duì)弱電控制線路的電磁干擾；②本安線路和端子排布有利于達(dá)到《GB 3836.4-2010爆炸環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》[7]中的要求；③方便維修與更換[8]。

主控箱在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)車輛啟動(dòng)的需要，能量按一定的邏輯順序供給。整車啟動(dòng)需要鑰匙信號(hào)，鑰匙信號(hào)取自本質(zhì)安全設(shè)備，所以主控箱內(nèi)的主控模塊和隔離模塊由24V電源模塊和12V本安電源始終供電[9]。接收到鑰匙信號(hào)后，主控模塊控制所有低壓設(shè)備上電，對(duì)整車關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，并將所有監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息匯總到本質(zhì)安全顯示屏上。若無報(bào)警信息，鑰匙信號(hào)可以控制主控箱閉合高壓回路，實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力供給與控制。所有模塊協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)整車的啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)每個(gè)模塊的功能各有側(cè)重。

主控模塊對(duì)外通過CAN總線與電池箱進(jìn)行通訊，采集電池箱BMS的重要信息；對(duì)內(nèi)與本安隔離模塊、整車控制器和隔爆設(shè)備控制模塊通訊，匯總這些模塊采集到的整車信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，然后對(duì)相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出控制指令。

本安隔離模塊與車輛的所有本質(zhì)安全設(shè)備連接，包括本安控制器、本安油門踏板、本安顯示屏、本安甲烷傳感器等。本安隔離模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：給本安設(shè)備供電；將主控模塊的隔爆信號(hào)變?yōu)楸景残盘?hào)并通訊到相應(yīng)的本安設(shè)備。主控箱內(nèi)的12V本安電源直接給本安隔離模塊的本安側(cè)供電，并通過本安隔離模塊為所有本安設(shè)備供電。本安隔離模塊一共采集了15路開關(guān)量，3路模擬量和1路頻率量，這些信號(hào)通過隔離電路，將信號(hào)隔離處理后傳輸給主控模塊。開關(guān)量和頻率量的隔離電路如圖3所示，模擬量隔離電路如圖4所示。同時(shí)，主控板將非本安CAN信號(hào)傳輸給本安隔離模塊，本安隔離模塊將信號(hào)隔離處理后，得到兩路本安CAN信號(hào)，將這兩路信號(hào)分別傳輸給兩塊本安顯示屏，由顯示屏顯示整車的綜合信息。

圖3 開關(guān)量和頻率量的隔離電路

隔爆設(shè)備控制模塊與車輛上所有的低壓隔爆設(shè)備連接，包括各類隔爆電機(jī)、隔爆燈、隔爆喇叭等。每一個(gè)外接設(shè)備連接一路隔爆設(shè)備控制模塊內(nèi)部的控制電路，通過電路中的繼電器控制設(shè)備的供電，從而實(shí)現(xiàn)隔爆設(shè)備控制模塊控制外接設(shè)備。并且在每一路輸出電路上設(shè)置保險(xiǎn)，防止外接設(shè)備短路燒壞隔爆設(shè)備控制模塊。

圖4 模擬量隔離電路

整車控制器接收油門踏板和制動(dòng)踏板的信號(hào)，將兩個(gè)信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制器識(shí)別的數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換好的信號(hào)傳輸給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)接收的信號(hào)控制輸出的相電流，從而控制電動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速。同時(shí)整車控制器也要接收電動(dòng)機(jī)和電機(jī)控制器的監(jiān)測(cè)信息并將信息傳輸給主控模塊。

3 主控箱的軟件設(shè)計(jì)

主控箱在軟件上需要實(shí)現(xiàn)對(duì)整車電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。對(duì)于純電動(dòng)車來說，整車控制的核心程序是純電動(dòng)車的啟停程序，如圖5所示。

圖5 整車啟停程序流程圖

主控模塊和本安隔離模塊由電池箱內(nèi)的24V電源直接供電，無論整車啟動(dòng)還是停止，主控模塊和本安隔離模塊始終處于上電狀態(tài)。當(dāng)鑰匙開關(guān)手動(dòng)到上電檔，主控模塊接收到鑰匙ON信號(hào)后，主控模塊給整車控制器和電機(jī)控制器供電[10]。整車控制器和電機(jī)控制器上電工作后，嘗試與主控模塊通訊。如果通訊成功，整車控制器和電機(jī)控制器把自身的狀態(tài)上報(bào)主控模塊；如果通訊超時(shí)，整車控制器和電機(jī)控制器繼續(xù)向主控模塊發(fā)送通訊請(qǐng)求，直至通訊成功或停止啟動(dòng)整車。當(dāng)整車控制器和電機(jī)控制器成功與主控模塊通訊后，主控模塊同時(shí)與電池箱的BMS通訊，然后根據(jù)接收這三者的信息進(jìn)行故障診斷。

根據(jù)《煤礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛安全技術(shù)要求(試行)》的規(guī)定，礦用純電動(dòng)鋰電池?zé)o軌膠輪車必須具備自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要通過硬件采集相應(yīng)的信息，并通過軟件編譯匯總，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)的功能，其中需要采集的信息主要有：?jiǎn)误w電池最低電壓，單體電池最高電壓，單體電池最高溫度，電池SOC值，電機(jī)控制器溫度，電動(dòng)機(jī)溫度等。這些報(bào)警值在整車的CAN協(xié)議中有單獨(dú)的報(bào)文，如果這些信息超過或低于預(yù)設(shè)的閾值，主控模塊將這些信息對(duì)應(yīng)的報(bào)文通訊屏幕的同時(shí)，也要通訊整車控制器和電池箱。屏幕接收到CAN報(bào)文后顯示相應(yīng)的圖標(biāo)并進(jìn)行報(bào)警；整車控制器和電池箱接收到相應(yīng)報(bào)文后，整車控制器控制電機(jī)停止工作，電池箱斷開高壓電能量輸出的繼電器，停止能量供應(yīng)。最終整車停止運(yùn)行，保障整車安全。整車相應(yīng)報(bào)警的過程如圖6所示。

4 主控箱的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

對(duì)主控箱進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)主要需要檢測(cè)三部分系統(tǒng)：低壓供電設(shè)備的控制，牽引電機(jī)的控制和自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行。其中低壓供電設(shè)備包括本質(zhì)安全設(shè)備和隔爆設(shè)備，本質(zhì)安全設(shè)備除了控制功能的監(jiān)測(cè)還需要對(duì)其本質(zhì)安全電路進(jìn)行試驗(yàn)，主要包括火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)和介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

低壓供電設(shè)備根據(jù)駕駛員的操作，可以實(shí)現(xiàn)：前燈、后燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈等燈光信號(hào)的控制；為液壓泵站提供動(dòng)力；為水循環(huán)散熱系統(tǒng)提供動(dòng)力；通過多種傳感器監(jiān)測(cè)整車狀態(tài)，并通過屏幕顯示整車狀態(tài)。主控箱安裝固定前，需要監(jiān)測(cè)這些功能是否實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行主控箱的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將所有關(guān)聯(lián)設(shè)備接好，每項(xiàng)功能逐一試驗(yàn)，檢驗(yàn)功能是否實(shí)現(xiàn)且實(shí)現(xiàn)的功能是否達(dá)到預(yù)期的目的。并且，出于安全考慮，需要對(duì)本安隔離模塊進(jìn)行火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)和介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。對(duì)本安隔離模塊的輸出節(jié)點(diǎn)選擇正常和故障狀態(tài)下的短路和通斷進(jìn)行火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中無火花點(diǎn)燃為合格[11]。然后對(duì)本安隔離模塊內(nèi)部的光耦進(jìn)行介電強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，施加規(guī)定電壓值，歷時(shí)1min未發(fā)生閃絡(luò)和擊穿及任何破壞性放電現(xiàn)象，則說明實(shí)驗(yàn)合格。

圖6 整車報(bào)警流程圖

礦用純電動(dòng)鋰電池?zé)o軌膠輪車使用的牽引電機(jī)是永磁電機(jī)，在主控箱安裝固定前需要簡(jiǎn)單的檢測(cè)主控箱內(nèi)部的電機(jī)控制器是否正常工作。使用電機(jī)仿真器連接到主控箱，通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸觀察屏幕顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然后測(cè)量牽引電機(jī)三相動(dòng)力電極A、B或C相對(duì)主控箱直流供電的負(fù)極，電機(jī)控制器正常工作時(shí)能看到規(guī)律的占空比電壓輸出，如圖7所示。

圖7 占空比電壓輸出示意圖

自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)屬于整車系統(tǒng)的安全屏障，為保證產(chǎn)品質(zhì)量必須進(jìn)行檢測(cè)。自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于硬件采集、CAN報(bào)文通訊和顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。當(dāng)整車處于工作狀態(tài)時(shí)，傳感器處于實(shí)時(shí)工作的狀態(tài)，時(shí)刻將采集點(diǎn)的信息采集并通訊給主控模塊。主控模塊內(nèi)部會(huì)根據(jù)程序提前設(shè)定閾值，當(dāng)采集的信息超過或低于閾值時(shí)，主控模塊將產(chǎn)生報(bào)警的CAN報(bào)文，并通過CAN總線將報(bào)警CAN報(bào)文通訊到其他模塊，整車電氣系統(tǒng)將根據(jù)報(bào)警CAN報(bào)文進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車的自動(dòng)保護(hù)。所以可以通過向CAN總線發(fā)送虛假的報(bào)警CAN報(bào)文，檢驗(yàn)自動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

主控箱已經(jīng)成功使用于WLR-19礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車。WLR-19礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車車體重5t，最大車速25km/h，續(xù)航里程100km。經(jīng)過長(zhǎng)期試運(yùn)行，主控箱的功能完善，重量小，故障率低，方便后期維護(hù)，符合設(shè)計(jì)的最初目標(biāo)?，F(xiàn)WLR-19礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車在鄂爾多斯馬泰壕煤礦使用，使用效果良好。