煤矿井下电机车蓄电池充电技术研究进展

煤矿井下电机车蓄电池充电技术研究进展

穆莉莉陈超

（安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001）

摘要：综述了煤矿井下电机车蓄电池充电技术的最新研究进展。对有关充电技术的性能和特点进行了分类和评述，分别论述了铅酸蓄电池和锂离子电池的充电新工艺，讨论了各种充电技术上存在的技术缺陷和改进措施，对充电机的发展趋势做了展望。

关键词：煤矿电机车，蓄电池，充电工艺

引言

煤矿井下电机车蓄电池是一种将化学能直接转化成电能的动力装置,它依靠内部的阳极板、阴极板与电解液的可逆化学反应来实现电能的补充和释放，电机车蓄电池充电技术的好坏直接关系着蓄电池的使用寿命，不正确的充电方式会加剧内部的极化反应从而降低其使用寿命。因此，矿用蓄电池充电技术的发展和技术进步一直得到广泛重视，对充电的快速性、稳定性、安全性、智能化等要求成为重要的研究方向。

传统的人工充电和恒流、恒压等充电工艺都与理想的充电曲线有着较大的偏差，并且传统的晶闸管充电电路谐波大（对电网有冲击）、效率低，安全可靠性差，且充电机体积大、吨位重。随着可控硅材料的应用、高频开关电源技术的成熟及智能化网络化技术的发展，蓄电池的充电技术有了很大的突破。尤其随着新能源汽车的发展，将新能源汽车先进的协调管理充电过程运用到煤矿井下电机车上，使得煤矿电机车的蓄电池充电技术得到了崭新的发展。

当前煤矿井下电机车所使用蓄电池有铅酸电池蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池，其中铅酸蓄电池具有技术成熟、应用广泛、成本低等优点，而锂离子蓄电池和镍氢电池在能量密度和安全性方面有很大优势，本文将从铅酸蓄电池及锂离子电池两种主要蓄电池材料的充电新技术新工艺展开论述。

1.矿用蓄电池充电理论基础和方法

上世纪60年代，美国科学家提出了马斯曲线，马斯充电曲线为蓄电池充电提供了理论依据[1]，在充电过程中，若充电电流按马斯曲线规律变化，则可大大缩短充电时间，又保证了低出气率，并且对电池的容量和寿命也没有影响。根据马斯曲线，蓄电池初始充电电流很大但是蓄电池内部的极化现象会随着充电电流的加大而严重。

传统的充电方法主要采用恒流和恒压充电法，这两种方法控制简单[2]，但恒流充电法在充电后期会使出气过多,恒压充电法在充电初期充电电流过大，造成使用电池寿命降低，极板弯曲甚至报废，已经很少使用。

快速充电法是根据马斯曲线利用蓄电池在充电前中期采用较大电流充电，并且在充电过程中适当加入一定的间歇停充时间和一些极化电压来消除极化现象，最终达到缩短充电时间的目的[3-4]，目前使用较多的快速充电方法主要有以下几种：

多阶段充电法：此充电法将充电过程分成多个阶段，每个阶段之间的充电电流和充电电压不相同，完成每个阶段所需的充电时间也不相同，一般说来，最初阶段的充电电流要大，随着充电阶段的逐个完成，充电电压增大，最后阶段的充电电流较小，多阶段充电法相比传统充电法使得充电参数更加接近马斯曲线，同时也缩短了充电时间[5]，常用的有二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。

改进型变电压间歇脉冲快速充电法：充电前期，将充电电压分为若干段，各段采用一定电压，并且在前期采用大电流进行充电，若初始电流大于此时的马斯曲线充电电流，则进入变压间歇充电，在间歇停充期间加入反向激化脉冲电流，用于消除极化现象，使得下一轮充电合理进行，只要电池组中一节电池电压达到规定值时，则进入最后采用小电流充电的浮充阶段[6]。

改进型变电流间歇脉冲快速充电法：在限定充电电压条件下，采用变电流间歇方式加大充电电流，并且在此过程中加入时间限幅以保证每段充电的合理进行，蓄电池的充电变电流只有同时满足停充电压和时间限幅时，才能停充5分钟，然后进入下一阶段，达到缩短充电时间和保护蓄电池的目的，在变电流充电方式中一般加入暂停按键以实现充电电源的人工启停，给充电操作带来了灵活性[7]。

脉冲式充电法：这种充电法是采用脉冲式的充电电流对蓄电池两端进行充电，同时在充电过程中加入一定的停充时间；脉冲电流使得蓄电池电池增多的同时使得蓄电池内部的浓差极化和欧姆极化现象增强，而间歇的时间能够调整脉冲电压也能使得下一轮充电有效进行[8]。

2.铅酸蓄电池充电技术

铅酸蓄电池充电机从开始使用至今经历了硅整流充电、可控硅相控电源、高频开关电源、DSP智能控制等充电机技术，充电机总体呈现出充电效率高,充电过程安全可靠、自重轻等特点。

上世纪80年代GWZCA140/v-dI[9]系列井下防爆蓄电池电机车型充电机在充电过程中采用硅整流稳压自动充电方法,硅整流充电机在充电电路上将电抗器加入到稳压电源和蓄电池之间，使得充电机兼有恒流充电和恒压充电两种充电方法的优势，避免了蓄电池充电初期的过大电流，有效调整了充电过程中电压的变化范围，缩短了充电时间，但硅整流充电机缺乏控制温升装置、控制与保护电路。KGCK和KGCA这两种系列隔爆型充电机[10-11]采用可控硅的相控电源技术，其控制回路由快速充电和常规充电构成，充电机整流主电路由三相半控桥式带续流二极管以及变压器的电路组成，充电机采用快速充电时整个过程随着充电电压的升降变化因而能够去除蓄电池内部的极化现象，并且充电过程中一旦最大允许电流超过规定值时由继电器动作停止充电，使得充电机上的复合散热结构控制腔体内部最高温度在14度以下，但是这类充电机存在着体积大不方便移动、充电效率低、电流电压不能实时监测、充电过程能量消耗大的缺点。

杨伟珍[12]在20世纪90年代末采用IGBT做开关元件设计了一种新型充电机，应用可关断绝缘栅极双极晶体管直流斩波控制原理调整充电电流大小，结构上比KGCK型充电机体积小，满负荷运行时效率高，工作时功率因数高。充电机所需要的电源是从电网380V交流电经过整流、滤波后得到的，比原来的充电机省去了电源变压器。充电机内部IGBT的工频很高，所以要得到脉动很小的充电电流所需的平波电抗器的电感量很少，因此减轻了充电机的自重，采用了电压、电流双闭环控制，在性能和节能上有很大的改进，但是该方案没有考虑到充电电压为660V的这种情况，并且没有实现隔离输入和输出电压，存在安全隐患。

张小群[13]在2006年基于DSP技术研发了一种新型矿用电机车蓄电池充电装置，这种充电装置可分为整流电路、Buck斩波电路、H桥变换电路、外围接口电路4个部分。整流电路将主电路三相380～933V输入电压整流成538～933V的直流电；Buck电路保证了H桥变换电路的输入电压控制在660V内，并且考虑让IGBT管的耐压值留有一定的余量始终正常工作；H桥变换电路是整个电路的核心，通过开关电源专用集成芯片对其开关管的控制，产生蓄电池所需要的可调节的电流和电压；外围电路包括电流、电压、温度A/D采样，时钟显示，液晶显示和继电器控制。充电系统内部以DSP为核心，配以接口电路、采样电路、IGBT电路等按照预置自动控制充电过程，对充电过程中的充电数据进行采集。充电装置中充电电压从电网经过整流电路和Buck电路后得到所需的输出电压，比传统充电机解决了输入电压和输出电压的电气隔离问题，但是其电路中两级变换使用的是传统的刀开关，不利于提高系统效率，并且方案结构复杂。

李凤锦[14]提出了一种基于三电平DC-DC变换器的井下蓄电池机车充电机的设计方案，在此方案之前从未有将零电压零电流软开关（ZVZCS）三电平DC-DC变换器的拓扑结构应用在煤矿蓄电池电机车充电机上的案例，多以相控电源技术为主。充电机的控制电路以DSP芯片为核心，包括模拟量采集调理电路、键盘及显示电路、IGBT的驱动和保护部分在内构成；主电路除了整流电路、滤波电路外比传统充电机还多了电磁干扰电源滤波器（EMI滤波器）和三电平DC-DC变换器等部分，使用了国外基于DC-DC变换控制的单片机和DSP作为核心控制器，控制系统具有更高的PWM精度，移相控制更容易，输出波形中的上升沿和下降沿死区时间可限制在某一范围。充电机利用隔爆型热管散热器进行散热，其利用工作介质吸收和释放汽化潜热这种独特的传递热量的方式，并且散热器与防爆电气的箱体都在充电机壳体上，是一个完整的部分，不仅很好的解决了充电机自身的防爆问题同时也解决了充电过程中IGBT耐压管的散热问题，因此充电机的自重比原充电机减少了很多，在充电效率上有了很大提高。

彭聪[15]基于高频双极性PWM控制技术研发了一种新型智能充电装置，充电系统主电路由三相不可控二极管整流电路和电容滤波电路、IGBT单相逆变器、高频变压器、快速二极管整流滤波组成，其中高频变压器不仅能够实现前后两级电路之间的电气隔离，还能对电压进行有效变换，高频PWM控制简化了滤波电路，同时也解决了电路输出的谐波问题，充电系统在内部增加了电压检测、温度采集、过流检测电路以及预充电电路和指示电路，从而提高了系统的安全性能，除此之外还加入了人机接口电路方便即使调整充电参数。

贺凯等[16]设计了一套新型矿用蓄电池无线充电系统，此系统基于电磁感应耦合原理，改进了传统煤矿机车充电系统结构，用松耦合变压器代替紧耦合变压器，并且将这个充电机的核心部件的初、次级端磁芯分开，充电过程中能量会经过初级端到次级端实现无线充电，该系统相比于传统的蓄电池充电机不受充电硐室环境的限制，安全性能高。

枣庄矿业集团对煤矿用特殊型铅蓄电池的特点进行了研究[17]，发现高导硅酸盐复合电解液技术（铅晶蓄电池）具有独特的工艺及生产技术，综合了铅酸蓄电池及碱性蓄电池的多项优点并且很好的符合煤矿安全生产的要求，使得铅晶蓄电池完全能够代替传统的蓄电池。

目前国外连续提出了一些新颖的充电方法以实现最佳充电模式，同时结合合理的充电控制模式，更好的处理充电过程中常规控制方法难以解决的问题，欧美等发达国家研制工作还在进行中[18]。

NottenPHL等[19]对电池用大电流快速充电法进行充电，这种充电方法首先采用大电流使得电池在5分钟内的电池容量能够达到一半，电池内部的极化反应随着电池的充电过程越剧烈，这时采用涓流充电直至电池充满，大电流充电法和其他充电法相比就是通过大电流缩短充电时间从而达到快充的目的。

AlvarezJ[20]等在智能充电法上做了一些研究，在充电过程中根据之前充电与放电过程，考虑到实际的充电状态和电池记录能力对电池进行数据实时采集，这种充电法提高充电效率，更重要的是缩短了充电时间。

AsadiH[21]在多阶段恒流充电方法的基础上，除了采用模糊控制外使用遗传逻辑算法使得电池的充电效率得到提高，优化了多阶段恒流充电的各阶段过程，同时采用最小交流阻抗频率进行充电，经实验证明电池的温升要小于多阶段恒流充电方法和常规充电方法。

总体来说，由于煤矿井下电机车铅酸蓄电池全部简单串联组合而成，传统充电机没有任何充分管理或保护措施，主要靠人工控制。如前所述，新型充电机，也只是引入单片机或DSP控制，并没有像电动汽车及其充电桩那样协调管理充电过程。因此，对于铅酸蓄电池来说，协调管理充电过程是未来蓄电池的一个重要的发展方向。

3.锂离子电池充电技术

铅酸蓄电池充电时间过长，充电繁琐，寿命过短，维护要求高，蓄电池充电系统的维护每年需投入大量资金，且实际生产应用中存在较多的安全隐患。锂离子电池以能量体积比高，自放电率小、无记忆效应、安全性能高等优点，逐渐成为煤矿井下电机车蓄电池的发展方向。随着锂离子电池技术的提高，车载大规模磷酸铁锂电池的装备应用，为电机车蓄电池的发展方向开辟了一条新的道路，煤矿实际生产中对新一代的蓄电池技术表现了很高的期望[22-24]。例如，武汉一家专门研究矿井特种车辆的单位成功地将SE100AHA锂离子电池应用于煤矿井下电机车中，太原矿机电发展有限公司在煤矿井下防爆型单轨吊车上使用单体800Ah动力锂离子蓄电池，中航锂电有限公司现在已经研发和生产成熟的产品有40-50Ah大容量动力锂离子电池。目前，全球电池企业以生产单体小容量锂离子电池为主。国外如A123公司主要生产单体容量为2.5Ah的圆柱形锂离子电池，俄罗斯和德国的一些公司的蓄电池式电机车开发项目也在积极尝试使用锂离子蓄电池[25]。

目前，煤矿井下电机车锂离子电池仍大量沿用了铅酸蓄电池的充电方法，由于电池组容量较大，采用传统的充电方式效率低，充电时间长，严重阻碍了锂离子蓄电池在煤矿井下电机车上的推广。因此，对锂离子电池组的充电方法和均衡充电问题进行研究将具有重要的意义和应用价值。

吕文强[26]等提出了动力电池组均衡充电协调控制策略研究，其以电池电压作为均衡控制变量,引入平均值和极差的概念来判断是否开启均衡系统，设计了均衡模糊控制器，制定了均衡充电协调控制策略。

陈明磊[27]在设计的不间断电源中采用了新的均衡方法，这种方法基于能量转移型均衡方法，避免了能量消耗型均衡的操作不方便、散热差、能量浪费的弊端，同时也放大了能量转移型均衡电流大、能量浪费少的优点，并且提高了均衡效率，通过在单节电池中加入电量补偿使得个别低电压的电池尽快与整个电池组电压保持一致，从而实现充电和放电过程均衡的效果。这种方法也存在瑕疵，个别高电压电池向电池组电压看齐时需要消耗电量同时也需要散热。

芮骐骅[28]采用了另一种电阻分流型均衡技术，这种方法容易实现，能像能量转移型方法使低电压电池升压的同时对高压电池分流，更重要的特点是稳定可靠。采用这种方法的电池管理系统（BMS）要确定均衡电流值的大小，如果电流值选择的不恰当会影响BMS的均衡效果。

高金辉[29]提出了两种新型双向均衡法，并且在锂离子电池间不一致性的基础上建立了双向均衡结构，这种均衡法不同基于剩余电量SOC均衡法[30]和基于电池充电电压的均衡法[31]。这两种方法基于粒子滤波PF法[32]能对不同的SOC界限进行具体分析，系统采用先给高SOC电池放电均衡法，同时均衡至±2％<S>界限范围时，均衡时间较短、损耗较低；系统采用先给低SOC电池充电，同时均衡至±1％<S>界限范围时，均衡结果的一致性好。该方法与传统的均衡方法相比不仅能够使高SOC电池放电，而且更能准确的反映电池的电量状态，延长电池寿命，提高电池充电和放电的可靠性。

高丽丽[33]在现有能量转移式均衡方法的基础上，应用动态均衡技术，设计了一种新型的均衡电路方案，这种依据正、反激式变压器原理设计的，在测量电路中采用光电耦合器作为开关，相比与传统电路中电压检测部分减少了硬开关的数量，并且在电路中充分利用二极管和场效应管的特性有效地控制了电池组的电压，这种新的均衡电路比传统的均衡控制具有检测精度高、效率高、能量耗散低的优点。

尹鹏[34]针对锂离子电池组并联电路中的环流现象和由于电池组的端电压不同或电池组的端电压相同但内阻不同而产生的电流不均衡现象，设计了并联均流电路，使得给电路中MOS管一个适当的脉冲就能使得两种不同的电流在经过一段时间后达到均衡，从而提高了电池的使用寿命，并且试验证明这种电路工作稳定可靠，适合在煤矿井下电机车上使用。

综上所述，目前锂离子电池组在均衡技术上面做了很多的研究，但仍存在很多的不足，仍有许多亟待改进的技术。例如，未来可在锂离子均衡电路中加入集成度更高的模块化元件使电池组的串联级数能够得到扩展；同时降低电池管理系统的复杂度、采取容量均衡和电压均衡相结合的方式、及更加智能化的SOC估计算法使均衡电路更加可靠；并且均衡方式正朝着非耗散型方向发展，从而降低能量耗散，提高均衡效率。

总之，目前锂离子电池的关键技术、电极材料和产品研究都日趋成熟，但是在实际使用过程中锂离子电池会因为过充电/放电、高温等问题影响电池寿命，甚至危及电池安全。锂离子电池组中各电池之间由于制作工艺差异、电池自放电率不同、使用环境不同等原因使得电池之间存在不一致性，以及连续充放电循环导致的差异，最终导致电池组充电时以最小容量的电池为标准，从而影响电池组的使用寿命。

4.总结

本文就煤矿井下铅酸蓄电池和锂离子蓄电池充电技术和发展现状进行了阐述，其中铅酸蓄电池的充电工艺从传统的恒压、恒流等充电法发展到目前的改进型变电压/流充电法等，不仅能够很好地接近充电曲线，而且还能极大程度减少充电过程中的极化现象。同时在充电电路上实现了很大的改进，使得充电机自身重量减轻，安全性得到了提高，充电时间缩短，效率也大幅度提升，蓄电池以往的起火，爆炸等安全问题得到解决。结合新能源汽车锂离子蓄电池的协调均衡充电管理系统，煤矿井下电机车锂离子蓄电池也在均衡充电管理系统上做了大量的研究，取得了很多的技术进步。总之，未来煤矿井下电机车的蓄电池充电将更加智能化、更安全、更低损耗、寿命更长等。

参考文献:

[1]张维戈.动力蓄电池微机控制充放电装置的研制[J].北方交通大学学报,1998,22(6).101-104.

[2]许明艳.矿用铅酸蓄电池充电器关键技术研究[D].淮南：安徽理工大学,2014.

[3]林旭民.论煤矿防爆电机车蓄电池的快速充电[J].煤炭技术,2003,22(6):23-25.