一种新型智能矿灯充电柜设计.pdf

1 2 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 De s i g n o f a ne w t y pe o f i n t e l l i g e n t l a mp c ha r g i ng c a b i n e t HU ANG H e s on g ， W EI Gu o z ha o ，LI AO Yub o。 ， ZH ANG Re ny ua n ， W EI La nl e i 1． Co l l e g e of El e c t r i c a l a n d Aut o ma t i o n Eng i ne e r i ng，Sh a nd o ng Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，Ch i n a ； 2 ． Xu c h a n g Co a l Mi n e ，S h a n g d o n g En e r g y Zi b o Mi n i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，J i n i n g 2 7 2 1 7 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr ob l e ms o f m ul t i t y p e of b a t t e r y c e l l of mi ne r s l a m p a n d m u l t i m e t ho d of c ha r gi ng， a n i nt e l l i ge nt c h a r gi n g c a b i ne t c ompa t i bl e wi t h v a r i e t y o f m i ne r s l a mp wa s de s i gn e d． The i n t e l l i g e nt c ha r g i n g c a bi ne t c a n a c c ur a t e l y c on t r ol c ha r gi n g v o l t a g e a nd c u r r e nt o f ma n ga ne s e l i t h i um ba t t e r i e s，l i t hi u m i r on p ho s p ha t e ba t t e r i e s， n i c k e l me t a l hy dr i d e b a t t e r i e s a n d l e a d - a c i d ba t t e r y， i t a l s o a c hi e ve s f u nc t i o ns o f de t e c t i o n a nd d i s p l a y of t h e c ha r g i ng s t a t us ， l a mp i n p os i t i on， ba t t e r y f a u l t ， a nd r a p i d i d e nt i f i c a t i on a n d m a i nt e na n c e o f he a l t h s t a t u s of ba t t e r y． Ke y wo r d s i n t e l l i g e nt mi ne r s l a m p；ba t t e r y；c h a r gi ng c a bi ne t ；c o ns t a nt c ur r e nt a n d c o ns t a n t v o l t a g e 0 引言 目前 ， 关于智能矿灯充电系统的研究较为成熟 ， 基本实现 了矿灯智能化、 信息化管理口 ] ， 但 大多数 智能 矿灯 充 电系统 只 能为一 种矿 灯 电池充 电。矿 灯 电池 种类 较 多 ， 若 煤 矿 企业 更 换 矿 灯 类 型 就 必 须更 换 智 能 矿 灯 充 电 架 ， 从 而 增 加 了 更 新 成 本 。 MT1 1 6 2 2 0 1 1 标准规定 矿灯有效工作 时间不能 小于 1 1 h ， 电池充放 电次数不能小于 5 0 0次r 3] 。目 前 ， 大多数充电系统无法对电池健康状况进行分析 ， 矿灯 的更 换 一般采 用 1 8 个 月 强制更 换 的方式 ， 造 成 了较 大 的浪 费_ 4 ] 。为 了对不 同类 型 的 电池 进行 精 确 充电管理并对电池健康状态进行快速鉴定 ， 本文设 计 了一 种新 型智 能 矿 灯充 电柜 ， 该充 电柜 可 以对 锂 电池 、 镍 氢 电池及 铅 酸蓄 电池进 行精 确 充 电管理 。 1 智 能矿 灯 充电柜 结构 设计 智能矿灯充 电柜 由无线模块、 灯位控制板、 充 电 板组成 ， 如 图 1所示 。充 电柜 能够 对锰 酸锂 电池 、 磷 充电柜 1 充 图 I智能矿灯充 电柜结构 酸铁 锂 电池 、 镍 氢 电池 、 铅 酸 蓄 电 池 的充 电 电压 、 充 电电流进 行精 确控 制 ， 并可 判 断矿灯 充 电状态 、 矿 灯 在架检测 、 矿灯故障检测以及对 电池健康状态进行 鉴 定 。充 电板 可对 电池 的充 电过 程 进行 控 制 ， 并 可 将矿灯状态 、 充电时长等信息通 过串 口传送给灯位 控制板 。灯位控制板处 理并显示接 收到 的矿灯 信 息 ， 通过无线模 块与监控 主机进行信息交互 。监控 主机可实现灯房 内所有的矿灯信息 的集中显 示、 分 析 和管 理 。 2充电板 设计 充 电 板 作 为 充 电 柜 的 核 心 部 件 ， 以 s T c1 2 C 5 6 O 8 AD为主控制器 ， 通过控制 C C P 0 开漏 输 出 、 C C P 1 推挽输 出输 出 P WM 波形实现对充 电电压 、 充电电流的精 准控制 ； 通过 1 0位高速 AD 转换器 A DC O 、 ADC 1 实现对充 电电压、 充电电流的 精确 检测 。充 电板 主要 由充 电 电路 、 检 测 电路 、 串行 通信电路构成 ， 工作原理如图 2所示。 ．一电 源 1 ．． ．．一 l 昙 I 兽 l 凑 充电 电 牌 1 ． 昌 们 ．I 充 电 电 压 ， 检 测 电 路 r ’ ． 1 电流检测电 ．． ．．． ．． ．．． ．． _ j I 图 2 充 电板工作原理 2 ． 1 充 电 电 路 设 计 各类 电池 的充 电方式 锂 电池 应采 用 先恒 流 C ／ l O 3 C ／ 2 ， C 为 电池 容 量 充 电 ， 当 电池 电 压 达 到设 定 值 锰 酸 锂 电 池 为 4 ． 2 V， 磷 酸 铁 锂 电池 为 2 0 1 5年 第 9期 黄鹤 松 等 一种新 型 智能矿 灯 充 电柜 设 计 1 3 3 ． 7 V 时 ， 采 用 恒压 充 电 ， 直 到 电 流 下 降 到 6 O mA 时结 束 充 电 ； 镍 氢 电池 以恒 流 C ／ 1 0 3 C ／ 2 方 式 充 电 ， 当 电池有 1 O ～1 5 mV 的 △ 电压 跌 落 时 充 电结 束 ； 铅酸蓄电池采用恒压充电方式 ， 当充电电流低于 1 2 0 mA 时表示 已经充 满 。 由于以上充电过程均需要恒流 、 恒压充电， 故充 电板采 用 CH5 0 2 0作 为充 电管理 芯片 ， 该 芯 片是 一 个 1 5 0 k Hz固定频率的脉宽调制降压型 DC DC 转换 器 ， 具有 较 宽 的 直 流 输 入 电压 4 ． 5 ～ 4 O V 和 输出电压 1 ． 2 5 ～3 7 V ； 具有 2 A 负载 驱动能力 ； 芯片内部有 P WM 控制 电路 ， 可线性 地从 0 ～1 0 0 调节 占空 比； 内置过压 、 过流、 短路保护等功能。 根 据 电池 的充 电方 式 ， 设 计 了锰 酸锂 电池 、 磷 酸 铁 锂 电池 、 镍 氢 电 池 、 铅 酸 蓄 电池 充 电状 态 判 别 方 法 _ 5 ] ， 见表 1 。 表 1矿 灯 充 电状 态 判 别方 法 电池种类 充 电状态 充满判别条件 充满状态 锰酸锂 电池9 0 0 mA恒流 充 电电流6 0 mA 4 ． 2 V 磷酸铁锂 电池 9 0 0 mA恒流 充 电电流6 0 mA 3 ． 7 V 镍氢 电池 9 0 0 mA恒流 △“ 一1 2 mV 4 ． 2 V 铅 酸蓄电池 5 ． 5 V恒压检测高脉 冲时电流 ．一 一 ，L M2 9 0 4 图 4电压电流检测电路 1 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 充电电流经取样 电阻转换为 电压信号 ， 为提高 转换精度 ， 电压信号经 内部带频率补偿 的运算放大 器 L M2 9 0 4放 大后再进行 AD转换 。充 电电压 经 R ， R 分压后进行 AD转换 ， 为 了精确测量 电池实 际电压 ， 设计 了由 R 。 。 ， R 。 及三极管 VT 组 成的恒 流 放 电电路 。 S T C1 2 C 5 6 0 8 AD通 过 AD C 0 、 AD C1即可 实 现 对充电电流、 充电电压 的精确检测 ， 以判断电池的充 电状态 。 采用反射式光电开关 I T9 9 0 9检测矿灯是否在 架 ， 矿灯在 架检测 电路 如 图 5所示 。将 主控 芯片 P C A2配 置 为 定 时 器 模 式 ， 中 断 时 将 P 2 ． 1输 出 取 反 ， 产生 1 k Hz的脉冲信号 ， 然后检测 P 2 ． 0接收到 的脉冲信号， 若相位一致则表示矿灯在架。 图 5矿 灯 在 架 检 测 电 路 根据 充 电 电压 、 充 电 电流 、 矿 灯在 架检 测 即可判 断矿 灯状 态 若 矿灯 电压 低于 放 电终止 电压 锰 酸锂 电池 为 2 ． 7 5 V、 磷酸 铁锂 电池 为 2 ． 5 V、 镍 氢 电池为 2 ． 7 5 V、 铅酸蓄电池为 3 ． 5 V， 电池放 电终止电压等 信息 由监 控 主机 下载 到 S T C 1 2 C 5 6 0 8 AD 保存 在 F l a s h中 ， 则 判定 为 电池 故 障 ； 若 检测 到矿 灯 在 架 ， 但是充电电流小于 5 mA， 则表示矿灯未挂好 ； 若检 测到矿灯不在架， 且充 电电流小于 5 mA， 则视为矿 灯被取走 ， 同时保存取灯时间。 2 ． 3 电池健 康状 态鉴 定 充电次数、 充 电时长、 电池容量都是衡量电池健 康状态的重要指标 。充电板在充 电过程中需对 电池 充 电次数、 充 电总时长进行统计 。充 电柜设定每 当 电池使 用 5 O次便 彻底 放 电一 次 恒 流放 电至 终止 电 压 ， 根 据放 电时 间 t 和放 电电流 估 算 出 电池容 量 C I t 彻底 放 电对 消 除 镍 氢 电池 的记 忆 效 应 也 有 一 定作用 。充电板将充 电次数 、 充 电时长、 电池容 量等信息定期上传 给监控主机 ， 并与规定的使用次 数 、 容量相 比较 ， 判断矿灯寿命 ， 从而决定何时更换 。 初充电是影响电池 寿命与性 能的重要因素， 不 同电池 的初 充 电过 程 不尽 相 同 ， 如铅 酸 蓄 电池 初 充 电要 求 以小 电流 不大 于 C ／ 1 0 进 行 长 时 间充 电 ； 镍 氢 电池 具有 记忆 效应 ， 需要 2 ～3个标 准 的充放 电循 环 电池性 能 才能 发挥 到最佳 状 态 。当判定 为新 电池 时 ， 系统 按 初充 电方 式进行 充 电 。 3灯位 控 制板设 计 灯位控制板负责为每个矿灯充电板供电， 控制 柜门开关 ， 显示矿工信息 、 充电板状态 矿灯类型 、 充 电状态 、 是否在架 等信息， 并将 采集 到的充 电板信 息通过 串 口发送 到 无 线模 块 ， 无 线模 块 再 将 数 据 传 送 给监 控 主机进 行集 中显 示 、 查 询 、 分析 和管 理 。 4 结语 通过分析 目前煤矿常用电池类型的充 电方法 ， 设计了一种新型智能矿灯充电柜。该充 电柜能对锰 酸锂 电池 、 磷 酸铁 锂 电 池 、 镍 氢 电池 、 铅 酸 蓄 电池 的 充 电电压 、 充 电 电流 进行 精确 控制 ， 降 低 了更 换 矿灯 的成本 ， 延 长了矿灯使用寿命 ， 提高 了矿灯 控制性 能 ， 并能集 中显示矿灯充电信息 、 矿灯是否在架 、 电 池健康状况等信息 ， 实现了对矿灯的智能充 电管理 。 参 考 文 献 [ 1 3 顾义东 ， 李亚彬． 一种智 能锂 电池 矿灯充 电柜设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 2 9 5 - 9 7 ． [ 2 ] 李岩 梅． 智能矿 灯充 电监 管和 信息系 统的设计 与应 用 [ D ] ． 济南 山东大学 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] MT 1 1 6 2 2 O 1 1矿灯I s ] ． [ 4 ] 潘俊 涛 ， 袁 国荣． 矿灯智能充电监测管理系统 的研究与 应用r J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 2 2 4 1 4 3 ． [ 5 ] 魏 兰磊． 矿灯 智 能 充 电管 理 系 统 的 设 计 [ D] ． 青 岛 山 东 科 技 大 学 ， 2 0 1 4 ．