CN102923133A - 一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，包括1套矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统和两组矿用锂离子蓄电池电机车电源总成；矿用锂离子蓄电池电机车电源总成由防爆箱、锂电池模块、锂电池模块管理系统和总成控制管理系统组成；锂电池模块管理系统用于实现单体锂电池的电压检测、单体锂电池充放电过程中的均衡管理、单体锂电池温度检测、电池组的充放电电流检测、多个电池组并联输出时电压差异造成的环流阻断、充电信号检测与自动使能和输出控制接口；在欠压、过流等故障发生时，锂电池模块管理系统直接对锂电池模块进行保护；该矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统具有无污染、使用寿命长的优点。

Description

一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统

技术领域

本发明属于一种动力总成系统，适用于电机车，具体地说,涉及一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，属于电气技术领域。

背景技术

矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具，并且在煤矿中使用的数量越来越多，矿用电机车通常使用铅酸蓄电池作为动力电源，目前铅酸蓄电池仍占主导地位。铅酸蓄电池电机车不需要电池管理系统控制，使用比较简单。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

1、使用中：经常出现漏酸，会烧烂衣服，接线柱受硫酸腐蚀经常出现接触不良不能正常充电使用等现象，造成维修人员工作量增大。

2、初充电和日常充电中对人体危害很大，由于硫酸的挥发性和毒性都很强，产生的刺激性气味对工作人员的心身健康造成威胁。

3、通过加入电流让硫酸与铅进行化学反映：由于这种设备是由硫酸和蒸馏水混合后发生电流使煤矿设备正常工作，所以初充电和日常充电中酸水配合必需严格按煤矿设备说明书进行配置，否则将缩短煤矿设备的使用寿命，由于需要经常调整硫酸和蒸馏水的比例，所以要有专业人员负责维护保养，需要投入大量的人力物力。

4、铅酸蓄电池可使用500个循环，但在实际使用中一般只能达到400个循环，使用寿命低。

5、铅酸蓄电池煤矿设备的使用寿命一般为2年。

6、铅酸蓄电池由于采用的原材料为不环保的铅和酸，故产品价格较为廉价，使用后的旧蓄电池对环境污染很大。

铅酸电池因存在以上缺点而在使用中受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，克服了现有技术中铅酸蓄电池毒性高、使用寿命低、难以检测充放电状态的缺陷，采用本发明的矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统具有无污染、使用寿命长的优点。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，其特征在于：所述锂离子蓄电池电机车动力总成系统包括1套矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统和两组矿用锂离子蓄电池电机车电源总成；

矿用锂离子蓄电池电机车电源总成由防爆箱、锂电池模块、锂电池模块管理系统和总成控制管理系统组成；

防爆箱包括防爆总成控制箱和防爆电池箱；

防爆电池箱包括电池腔、防爆电池箱控制腔和防爆电池箱接线腔，锂电池模块放置在电池腔内，锂电池模块管理系统放置在防爆电池箱控制腔内，防爆电池箱接线腔用来对外连线；

防爆总成控制箱包括防爆总成控制箱控制腔和防爆总成控制箱接线腔，总成控制管理系统放置在防爆总成控制箱控制腔内，防爆总成控制箱接线腔用来对外连线；

锂电池模块由锂电池、熔断器、数字温度传感器和连接导线组成，锂电池由多个单体锂电池串联构成，锂电池模块之间的输出则由总成控制管理系统进行调节，输出连接方式为所有锂电池模块组合的子集；

锂电池模块管理系统用于实现单体锂电池的电压检测、单体锂电池充放电过程中的均衡管理、单体锂电池温度检测、电池组的充放电电流检测、多个电池组并联输出时电压差异造成的环流阻断、充电信号检测与自动使能和输出控制接口。

一种优化方案，所述总成控制管理系统包括总成控制器、充电导引电路与充放电接口、用户通信接口、故障报警与状态显示单元以及防爆接口。

另一种优化方案，所述矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统，配有接触器开关、接触器开关、接触器开关、两个直流串励电机，两个直流串励电机包括第一电机和第二电机；

第一电机为电机车的两个前轮驱动电机，受IGBT1斩波控制，第二电机为电机车的两个后轮驱动电机，受IGBT2控制，第一电机与第二电机可单独或同时工作；

接触器开关、接触器开关、接触器开关用于选择驱动电机工作时的电源，第一锂离子电源作为第一电机的专用电源，第二锂离子电源作为第二电机的专用电源；

第一锂离子电源通过接触器开关可作为第二电机的备用电源或第二锂离子电源通过接触器开关可作为第一电机的备用电源。

所述通过IGBT斩波控制调节电机车的行驶速度，通过接触器开关的切换选择锂离子电源，驱动电机为防爆电机。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：锂电池模块管理系统可实现单体锂电池的电压检测、单体锂电池充放电过程中的均衡管理、单体锂电池温度检测、电池组的充放电电流检测、多个电池组并联输出时电压差异造成的环流阻断、充电信号检测与自动使能和输出控制接口，它作为执行单元不具备均衡决策功能，即锂电池模块管理系统的工作状态直接由总成控制管理系统来决定，但是在欠压、过流等故障发生时，锂电池模块管理系统可直接对锂电池模块进行保护，系统整体具有无污染、使用寿命长的优点。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

附图1是本发明实施例中防爆电池箱的内部组成示意图；

附图2是本发明实施例中防爆总成控制箱的内部组成示意图；

附图3是本发明实施例中矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统的

结构示意图；

图中，

1-锂电池模块，2-锂电池模块管理系统，3-总成控制管理系统，4-防爆电池箱，5-防爆总成控制箱，6-电池腔，7-防爆电池箱控制腔，9-防爆总成控制箱控制腔，11-锂电池，12-熔断器，13-数字温度传感器，14-总成控制器，15-充电导引电路，16-充放电接口，17-用户通信接口，18-故障报警与状态显示单元，19-电机车控制器，20-充电装置，21-牵引电机，22-第一锂离子电源，23-第二锂离子电源。

具体实施方式

实施例，如图1、图2所示，一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，包括1套矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统和两组矿用锂离子蓄电池电机车电源总成。

矿用锂离子蓄电池电机车电源总成采用模块化成组、分层集中控制的策略，由防爆箱、锂电池模块1、锂电池模块管理系统2和总成控制管理系统3组成，其中锂电池模块管理系统2和总成控制管理系统3又合称为锂电源管理系统。

防爆箱包括防爆总成控制箱5和两个防爆电池箱4，图中仅画出两个防爆电池箱4与一个防爆总成控制箱5配合，还可以采用多个防爆电池箱4与一个防爆总成控制箱5配合。

其中防爆电池箱4分为3个防爆腔：电池腔6、防爆电池箱控制腔7和防爆电池箱接线腔，锂电池模块1放置在电池腔6内，锂电池模块管理系统2放置在防爆电池箱控制腔7内，防爆电池箱接线腔用来对外连线。

防爆总成控制箱5分为两个防爆腔：防爆总成控制箱控制腔9和防爆总成控制箱接线腔，总成控制管理系统3放置在防爆总成控制箱控制腔9内，防爆总成控制箱接线腔用来对外连线。

防爆电池箱4和防爆总成控制箱5之间的接口包括D类型的控制信号线和C类型的功率母线，连接有防爆要求；

锂电池模块1与锂电池模块管理系统2之间的接口包括A类型的单体电压检测信号线、B类型的单体温度检测信号线，以及C类型的功率母线，均位于防爆电池箱4内部，连接有防爆要求。

防爆总成控制箱5与充电装置之间的E类接口，以及防爆总成控制箱5与电机车控制器之间的F类接口均有防爆要求。

锂电池模块1位于防爆电池箱4内的电池腔6内,由锂电池11、熔断器12、数字温度传感器13和连接导线组成，除此之外不含其它任何电子器件，锂电池11由多个单体锂电池串联构成，单体锂电池的容量均不超过100Ah，锂电池模块1之间的输出则由总成控制管理系统3进行调节，输出连接方式为所有锂电池模块1组合的子集。

若将N节电池串联，则单体电压检测总线的数量为N+1条，单体温度检测采用3总线的数字温度传感器13，还有2条输出功率母线。每个锂电池模块1需要1个锂电池模块管理系统2进行电池状态的管理与维护。

锂电池模块管理系统2可实现单体锂电池的电压检测、单体锂电池充放电过程中的均衡管理、单体锂电池温度检测、电池组的充放电电流检测、多个电池组并联输出时电压差异造成的环流阻断、充电信号检测与自动使能和输出控制接口，它作为执行单元不具备均衡决策功能，即锂电池模块管理系统2的工作状态直接由总成控制管理系统3来决定，但是在欠压、过流等故障发生时，锂电池模块管理系统2可直接对锂电池模块1进行保护，此时不需要总成控制管理系统3参入。

总成控制管理系统3包括总成控制器14、充电导引电路15与充放电接口16、用户通信接口17、故障报警与状态显示单元18以及防爆接口，总成控制器14的型号为STM32F107。

总成控制管理系统3对每一个防爆电池箱4提供C类和D类接口，这些接口之间的地位是等价的，防爆电池箱4可以连接至任意的接口上，但这些接口内部是互不连通的，其状态受总成控制器14的控制，譬如C类功率母线并不是简单的在内部直接并联，而是通过功率器件来控制各个母线的连接状态。总成控制管理系统3可通过D类控制接口，获取锂电池模块1中任一个单体锂电池的运行信息，可对各锂电池模块1的状态进行监视，并可实现电池状态显示与数据存贮功能，当出现异常时报警同时切断该模块与母线的连接。

由于E类充放电接口16中包含了功率线路、通信线路和控制线路，电池充电或放电时，总成控制器14可通过E类接口与充电装置20或负载进行数据交换和能量交换。电机车控制器19不需要进行数据交换，只采用F类功率母线连接，向矿用电机车牵引电机21供电。其他用户设备或PC机可通过用户通信接口17进行连接。

如图3所示，矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统，配有两个直流串励电机、接触器和IGBT，两个直流串励电机包括第一电机M1和第二电机M2；

第一电机M1为电机车的两个前轮驱动电机，受IGBT1斩波控制，第二电机M2为电机车的两个后轮驱动电机，受IGBT2控制，第一电机M1与第二电机M2可单独任一个工作，也可两个同时工作，输出功率需求较大时，一般采用双电机工作模式。

接触器开关K1、接触器开关K12、接触器开关K2主要用于选择驱动电机工作时的电源，通常接触器开关K12断开，第一锂离子电源22作为第一电机M1的专用电源，第二锂离子电源23作为第二电机M2的专用电源，故障或维修情况下，第一锂离子电源22可作为第二电机M2的备用电源，第二锂离子电源23可作为第一电机M1的备用电源。

通过IGBT斩波控制调节电机车的行驶速度，通过接触器开关的切换选择锂离子电源，驱动电机为防爆电机。

本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明内容，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是根据本发明技术方案所作的改进，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，其特征在于：所述锂离子蓄电池电机车动力总成系统包括1套矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统和两组矿用锂离子蓄电池电机车电源总成；

矿用锂离子蓄电池电机车电源总成由防爆箱、锂电池模块（1）、锂电池模块管理系统（2）和总成控制管理系统（3）组成；

防爆箱包括防爆总成控制箱（5）和防爆电池箱（4）；

防爆电池箱（4）包括电池腔（6）、防爆电池箱控制腔（7）和防爆电池箱接线腔，锂电池模块（1）放置在电池腔（6）内，锂电池模块管理系统（2）放置在防爆电池箱控制腔（7）内，防爆电池箱接线腔用来对外连线；

防爆总成控制箱（5）包括防爆总成控制箱控制腔（9）和防爆总成控制箱接线腔，总成控制管理系统（3）放置在防爆总成控制箱控制腔（9）内，防爆总成控制箱接线腔用来对外连线；

锂电池模块（1）由锂电池（11）、熔断器（12）、数字温度传感器（13）和连接导线组成，锂电池（11）由多个单体锂电池串联构成，锂电池模块（1）之间的输出则由总成控制管理系统（3）进行调节，输出连接方式为所有锂电池模块（1）组合的子集；

锂电池模块管理系统（2）用于实现单体锂电池的电压检测、单体锂电池充放电过程中的均衡管理、单体锂电池温度检测、电池组的充放电电流检测、多个电池组并联输出时电压差异造成的环流阻断、充电信号检测与自动使能和输出控制接口。

2.如权利要求1所述的一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，其特征在于：所述总成控制管理系统（3）包括总成控制器（14）、充电导引电路（15）与充放电接口（16）、用户通信接口（17）、故障报警与状态显示单元（18）以及防爆接口。

3.如权利要求2所述的一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，其特征在于：所述矿用锂离子蓄电池电机车动力驱动系统，配有接触器开关（K1）、接触器开关（K12）、接触器开关（K2）、两个直流串励电机，两个直流串励电机包括第一电机（M1）和第二电机（M2）；

第一电机（M1）为电机车的两个前轮驱动电机，受IGBT1斩波控制，第二电机（M2）为电机车的两个后轮驱动电机，受IGBT2控制，第一电机（M1）与第二电机（M2）可单独或同时工作；

接触器开关（K1）、接触器开关（K12）、接触器开关（K2）用于选择驱动电机工作时的电源，第一锂离子电源（22）作为第一电机（M1）的专用电源，第二锂离子电源（23）作为第二电机（M2）的专用电源；

第一锂离子电源（22）通过接触器开关（K1）、接触器开关（K12）可作为第二电机（M2）的备用电源或第二锂离子电源（23）通过接触器开关（K2）、接触器开关（K12）可作为第一电机（M1）的备用电源。

4.如权利要求3所述的一种矿用锂离子蓄电池电机车动力总成系统，其特征在于：所述通过IGBT斩波控制调节电机车的行驶速度，通过接触器开关的切换选择锂离子电源，第一电机（M1）和第二电机（M2）为防爆电机。

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