(a) 放电电压
肖楠1， 陈忠霞1， 常龙1， 于志豪1， 郭海2
(1.山东科技大学 机械电子工程学院， 山东 青岛 266590； 2.国家海洋技术中心， 天津 300112)
摘要：针对目前国内矿山辅助运输车辆采用的铅酸蓄电池动力源存在循环寿命短、维护成本高等问题，提出将磷酸铁锂离子电池应用到矿山车辆上。通过分析单体电池容量及内阻对锂离子电池单体特性不一致性的影响，研究了锂离子电池成组特性；并根据国家相关煤安标准，自主研发了适用于矿山辅助运输车辆的磷酸铁锂动力电源系统，主要包括锂离子电池组、电池管理系统以及防爆箱体。样机试验结果表明，该电源系统可以应用于多种矿山辅助运输车辆，并且能够满足使用要求。
关键词：矿山车辆； 辅助运输； 磷酸铁锂离子电池； 动力电源
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1021.004.html
矿山辅助运输车辆主要包括电机车、单轨吊、无轨胶轮车、卡轨车、齿轨车等[1]，其动力源主要有架线供电、柴油机、蓄电池等。架线式供电存在井下架线高度受限、人员触电的安全隐患及实际使用不灵活的缺点[2]。柴油机具有动力大的优点，但是尾气污染严重、噪声大[3]。
目前应用于矿山车辆的动力电池多为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池能量密度低，循环寿命短(300～500次)，维护成本高。铅酸电池的生产、使用及报废等都会造成严重的污染，而且在充电时，电解硫酸铅会析出氢离子，造成潜在的安全隐患，国家已逐步限制其使用[4]。近年来多种新材料电池得到了快速发展，许多专家学者正在从事新能源运输车辆的研究[5]。本文从锂离子电池及其成组特性、电池管理系统及防爆箱体3个方面来研究磷酸铁锂动力电源系统。
近年来，涌现出了锂离子电池、镍氢电池、镉镍电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、锌空电池、MH-Ni电池等多种新能源电池，其中锂离子电池得到了快速发展[6]。
锂离子电池中的磷酸铁锂离子电池是目前我国公认的具有广阔应用前景的车辆动力电池，具有以下优点：① 良好的环保性能。磷酸铁锂离子电池不含任何重金属，无毒，无污染，符合欧洲RoHS规定。② 使用寿命长。在室温下1C充放电循环2 000次，容量保持率为80%以上[7]。③ 安全性高。酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，结构更加稳定。磷酸铁锂离子电池重在400～500 ℃高温下具有稳定性，保证了电池内在的高安全性，不会因过充、温度过高、短路、撞击而发生爆炸或燃烧。④ 锂离子电池比能量大。在相同体积或质量下，锂离子电池比镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池的容量高[8]。⑤ 充电速度快、自放电少。磷酸铁锂离子电池可大电流3C快速充放电，在专用充电机下，2C充电30 min内即可使电池电量充到90%以上。⑥ 充放电效率高，达98%以上。⑦ 磷酸铁锂离子电池在20 ℃左右性能最好，因此特别适用于煤矿井下温度环境和基本恒温条件。
随着锂离子电池技术的不断成熟，矿用车辆使用新能源电池作为动力源是大势所趋[9]。磷酸铁锂蓄电池的特性特别适合应用于煤矿井下，将磷酸铁锂蓄电池应用于煤矿电机车对于提高矿山装备行业技术水平，提高煤矿运输系统工作效率，推动煤矿安全高效生产和环保节能，具有重大现实意义[5]。
在实际使用中，需要将多个锂离子电池串联成组来满足用户对电压的要求。由于在电池制造过程中各种误差和偏差的影响，同一批次不同单体电池的特性会有所不同，电池组在使用过程中老化程度的不一致也会增加各单体电池的不一致性，因此，电池组的使用寿命会缩短数倍甚至十几倍，成为制约其推广应用的关键[10]。
描述锂离子电池成组特性的参数主要包括充放电电压、内阻特性和容量。因此，锂离子电池在出厂的时候都必须将参数相近的进行归类[11]。
将16个分配好的磷酸铁锂蓄电池(威能100 A·h)串联成组后进行放电试验，其特性如图1所示。图1(a)中,前面平滑的曲线为0.2C放电，从120 min后开始进行0.2C脉冲放电。从图1(b)中可以明显看出，单体电池稳态下的电压仍然存在较大差异，这主要是由单体电池的容量和内阻差异造成的[8]。从图1(c)和图1(d)可以看出，单体电池在脉冲放电过程中的电压也存在较大差异，但它的不一致性与图1(b)中表现的并不一致，这主要是由单体电池的极化内阻差异造成的[12]。图2为磷酸铁锂离子电池组0.2C的充电特性曲线，同样表现出单体电池的容量、内阻差异。可见，分配好的电池组在充放电过程中仍存在一定的差异。如果在电池使用过程中不进行相应的控制，这些差异还会逐步加大，严重影响电池组的寿命[13]。因此，需要设计电池管理系统来对电池组中的每个单体电池进行管理，以提高电池组的寿命。
矿山辅助运输车辆磷酸铁锂动力电源系统主要包括锂离子电池组、电池管理系统以及防爆箱体，其中电池组选用成组特性较好的锂离子电池组，防爆箱体设计为多腔结构。
3.1 电池管理系统总体结构
典型的电池管理系统应具备以下功能[14]：单体电池、电池箱关键部位的温度检测；电池组电流检测；单体电池电压检测；均衡控制。对于矿用锂离子电池运输车辆，电池管理系统还应满足《矿用锂离子电池安全技术要求》和《矿用隔爆(兼本安)型锂离子电池电源安全技术要求》中规定的构成、防爆、保护等各项指标：① 运输车辆用电源单个锂离子电池的标称容量不超过100 A·h。② 必须采用隔爆或隔爆兼本安的防爆型式，放置电池的隔爆腔体应能承受不小于1.5 MPa的静压试验。③ 在隔爆腔体内电池只能采用串联方式，其容量不能超过32 000 W·h。④ 电池隔爆腔体内不得放置除温度传感器之外的任何电器元件。
(a) 放电电压
(b) 区域A放大图
(c) 区域B放大图
(d) 区域C放大图
图1 磷酸铁锂离子电池组的放电特性曲线
图2 磷酸铁锂离子电池组的充电特性曲线
根据以上要求，矿用车辆动力电源需要采用单个锂离子电池串联成电池模块，然后进行隔爆处理，再并联使用,以满足运输车辆的电压及容量需要[15]。电池管理系统分为模块管理系统与总成管理系统2级，模块管理系统由总成管理系统统一管理。电池管理系统的总体结构如图3所示，多个锂离子电池串联成组后放入隔爆箱的电池腔内，由模块控制器统一管理；然后多个防爆箱体通过接线腔接线连接到总成防爆箱，由总成管理系统统一协调管理各个模块管理系统。
图3 电池管理系统总体结构
模块管理系统又包括功率开关、单体控制器、模块控制器、CAN接口电路和外围电路等。根据相关标准要求，将蓄电池组和温度传感器放入隔爆箱的电池腔内。单体控制器主要通过SPI总线配合模块控制器完成对单个锂离子电池电压的采集和均衡管理。模块控制器主要完成的任务：通过A/D接口电路完成电池组电流采集；配合电池腔内的温度传感器对每个单体电池的温度进行采集；控制功率开关完成蓄电池组的充放电开关以及过流、过压、短路等保护；通过CAN通信接口电路完成与总成管理系统的数据传输。
电池管理系统通信网络如图4所示，通过总成控制器、模块控制器、单体控制器的数据通信，并结合外围电路，实现以下功能：单体电池的电压和温度检测,电池组的电压、电流、电池容量检测等，单体电池过充电压保护,单体电池过充电压保护失效检测,单体电池过放电压保护,单体电池过放电压保护失效检测,充电过流保护,放电过流保护,输出短路保护,温度保护,均衡充电控制,电池信息采集线开路保护等。此外,电池管理系统还具备信息传输接口。
图4 电池管理系统通信网络
3.2 电池管理系统实现
3.2.1 温度检测
由于矿山车辆动力电源数量较多，每节单体电池都对应一个温度传感器，故采用一线总线温度传感器18B20，所有的18B20共用3条接线，大大简化了现场接线工作量，根据各节电池编号给相应的温度传感器编号，一旦写入编号，温度传感器与电池便具有一一对应关系[16]。
3.2.2 均衡管理
由于磷酸铁锂离子电池的个体性能差异，必须采用适应其特点的管理系统对充放电过程进行均衡控制，有效解决成组锂离子动力电池安全性和寿命问题。能量均衡管理方法有能耗型和能量转移型2种。能量转移型管理方法用贮能器件将充电电流分流回馈，达到节约电能的目的。该方法节约的电能较少，与之对应的电路结构非常复杂。所以，本文选择成本低、结构简单、稳定可靠的能耗型均衡管理方法[17]。
3.2.3 运行检测与保护
本文采用基于霍尔传感器的间接测量法[18]实现电流检测。电压检测系统采用电池监视器LTC6803配合ARM-Cortex芯片STM32F103RCT6，系统运行稳定可靠[19]。
在矿车运行的全过程中，对电源系统的各项参数进行实时检测。一旦检测到故障，系统就会采取相应动作，保证矿车运行的安全稳定。例如：总成管理系统发现某个电池发生欠压、过压等故障时会报警，如果故障不能及时排除也会报警；总成管理系统检测到输出短路等故障后，直接断电。
某大学已成功研制出适用于单轨吊的DXBL99840/250C型锂离子电池动力电源系统、适用于2.5 t电机车的DXBL19200/48C型锂离子电池动力电源系统、适用于8 t电机车的DXBL76800/192C型锂离子电池动力电源系统。技术参数见表1。
表1 电源系统参数
以单轨吊为例，其电源系统采用78串4并的结构，即78个单体电池串联组成电源模块，4个模块再并联组成系统。每个模块都是独立的防爆箱体，相互之间具有互换性。模块防爆箱采用三腔结构，即电池腔、控制腔和接线腔[16]。总成箱体是独立的两腔结构防爆箱体，即控制腔和接线腔。
分析了矿山锂离子电池运输车辆的研究意义和锂离子电池及其成组特性，设计了磷酸铁锂动力电源系统，并研制了样机。样机试验结果表明，该电源系统可以应用于多种矿山辅助运输车辆，并且能够满足使用要求。
参考文献：
[1] 张俊峰, 李克民, 崔丽平. 煤矿辅助运输系统的适应性分析[J].煤炭技术,2009,28(5):58-59.
[2] 杨韬仁. 我国煤矿辅助运输的现状和无轨胶轮技术的应用[J].煤炭科学技术,2006,34(3):21-23.
[3] 杨勇翔. 煤矿井下柴油机车污染及防治措施[J].煤矿设计,1988(12):33-38.
[4] 袁晓明. 煤矿车辆用蓄电池技术[J].工矿自动化,2011,37(6):26-28．
[5] 王步康,金江,袁晓明. 矿用电动无轨运输车辆发展现状与关键技术[J].煤炭科学技术2015,43(1):74-76.
[6] 路慧, 苏金然. 锂离子蓄电池的市场发展[J].电源技术, 2006,30(7):597-598.
[7] ZHANG Guoqing, ZHANG Lei, RAO Zhonghao, et al. Manufacture and performance tests of lithium iron phosphate batteries used as electric vehicle power[J].Journal of Automotive Safety and Energy, 2011, 2(1):68-71.
[8] LIN, C H, HSIEH C Y, CHEN K H. A Li-ion battery charger with smooth control circuit and builtin resistance compensator for achieving stable and fast charging[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2010, 57(2): 506-517.
[9] 刘迎灿. 矿用电机车蓄电池系统使用现状分析及升级改造方向研究[J]. 煤炭工程, 2012(10):121-122.
[10] 王震坡, 孙逢春, 林程. 不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析[J].北京理工大学学报, 2006,26(7): 577-580.
[11] 王佳元, 孙泽昌, 魏学哲,等. 电动汽车动力电池分选方法研究[J]. 电源技术, 2012,36(1):94-98.
[12] 林成涛, 仇斌, 陈全世,等. 电动汽车电池非线性等效电路模型的研究[J].汽车工程,2006,28(1):38-42.
[13] STUART T, ZHU W.Fast equalization for large lithium ion batteries[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2009, 24(7):27-31.
[14] STUART T A, ZHU W. Modularized battery management for large lithium ion cells[J]. Journal of Power Sources, 2011,196(1):458-464.
[15] 肖林京, 常龙, 张瑞雪,等. 煤矿避难硐室锂离子电池后备电源系统设计[J]. 工矿自动化,2014,42(7):73-77.
[16] 于志豪, 常龙, 肖林京,等. 一线总线器件异步读写实现方法[J].自动化仪表,2014,35(1):88-91.
[17] 肖林京, 常龙, 张瑞雪,等. 基于TLC6803串联锂离子电池组电压检测及均衡系统[J].测控技术2015,34(4):43-47.
[18] 于志豪, 肖林京, 常龙,等. 锂离子电池动力电源电流检测系统的设计[J].电源技术,2014,38(4):640-643.
[19] 于志豪, 常龙, 肖林京,等. 锂离子电池动力电源单体电池电压检测系统设计[J].电源技术,2014,38(5):832-834.
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)
Abstract：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 LiFeO4 battery 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.
Key words：mine vehicle; auxiliary transportation; LiFeO4 battery; power supply
收稿日期：2015-11-30；
修回日期：2016-04-20；责任编辑：胡娴。
基金项目：山东省高等学校科技计划项目(J15LN18)；青岛市黄岛区科技项目(2014-1-39，2014-1-36)；山东科技大学研究生科技创新基金项目(YC150322)。
作者简介：肖楠(1993-)，女，山东沂水人，硕士研究生，主要研究方向为矿用锂电池管理系统，E-mail:xiaomin0@163.com。
中图分类号：TD611
文献标志码：A 网络出版时间：2016-06-01 10:21