（机械电子工程专业论文）新型锂电池led矿灯电控系统的研究.pdf

摘要 摘要 矿灯是矿井下工作所必需的重要设备，其安全性能的好坏紧系着矿下工人的 生命安全。我国自主开发研制的以铅酸蓄电池和镉镍蓄电池为电源的系列矿灯产 品，在我国煤矿使用的矿灯中占有很大的比重，其中k s 型酸性矿灯目前约占在 9 0 以上。但是由于传统矿灯采用蓄电池作为电源需要定期补水维护，若补水控 制不当容易造成蓄电池电解液浓度降低，在使用过程中出现红灯现象；若密封不 良也容易造成酸碱液泄漏，灼伤矿工；虽然在此基础上开发了免维护的蓄电池矿 灯，但是蓄电池部分工艺复杂，且对充电架精度要求高，寿命不长。此类传统矿 灯体积较大，质量重，对矿工的负担较大。 随着大容量电池的发展，出现了各种其它类型电池作为电源的矿灯，如镍氢 电池和锂电池；镍氢矿灯其自放电率较高，在高温和压力下容易发上爆炸，而锂 电池矿灯也存在同样的安全问题，为此国家煤矿安全监察局发布安标国家矿用 产品安全标志中心文件( 矿安标字 2 0 0 7 1 3 号) 明确规定禁止使用钴酸锂等不安 全锂电池在矿灯中的使用，本论文提出一种以磷酸铁锂电池作为矿灯电源，以大 功率l e d 灯为光源的新型矿灯的方案，有望解决和弥补现状矿灯中存在的不足。 控制电路和保护电路在本文提出的新型磷酸铁锂电池l e d 矿灯中起着关键 性的作用，因此把矿灯的控制电路和保护电路作为本论文讨论的重点，围绕这个 重点，具体研究的内容如下： 1 、以矿灯国家标准矿灯安全性能通用要求，确定矿灯的整体方案和整体 参数以及电路的基本参数。根据确定的参数选择合理的磷酸铁锂电池和l e d 。 2 、对现有锂电池的基本充电方式和l e d 的驱动方法进行详述和分析对比， 根据其理论设计控制和保护电路，并对电路元件的选择做出合理的计算。 3 、验证设计控制电路的有效性，对电路的主要参数进行电路实验分析，并对 实际电路中的参数进行测量，并做了相关的数据分析，实验的结果基本符合设计 的要求。 关键词：k s 型酸性矿灯；磷酸铁锂电池；l e d 矿灯；l e d 驱动方法 a b s t r a c t t h em i n e r a ll i g h ti st h ee l e m e n t a r ye q u i p m e n tf o rm i n e rw o r k e r sw h i c hi t s c h a r a c t e r i s t i c so fs a f ef u n c t i o ns t r o n g l yr e l a t e dt ow o r k e r s l i f e t h em i n e r a ll i g h t p r o d u c e di n t e r n a lw i t ht h ep o w e ro fs e a l e dr e c h a r g e a b l eb a t t e r yt a k e al o to f p r o p o r t i o ni nr e a la p p l i c a t i o n s t h em i n e r a ll i g h to fk sm o d e lt a k em o r et h a n9 0 i n a p p l i c a t i o n s b u t a st h et r a d i t i o n a lm i n e r a l l i g h t s w i t ht h ep o w e ro f s e a l e d r e c h a r g e a b l eb a t t e r yh a v et oa d d i n gw a t e rf o rm a i n t a i n t h eb a t t e r y sd e n s i t yo f e l e c t r o l y t ew i l ld r o pi ft h ec o n t r o l l i n go fa d d i n gw a t e ri sn o tp e r f e c t i ta l s oc a nh u r t m i n e r sa n dd e c e n tt h eu s a g eo fb a t t e r yi ft h ee l e c t r o l y t el e a ko u t a l t h o u g ht h e m i n e r a ll i g h tw i t h o u tm a i n t a i nh a sb e e nd e v e l o p e do ni t so l dm i n e r a ll i g h t ，i tr e q u i r e s h i g hp r e c i s i o no fc h a r g ee q u i p m e n ta n dt h eb a t t e r yn e e dm o r ec o m p l i c a t e dt e c h n i c a l p r o c e d u r e ，i th a ss h o r tl i f et i m e t h e s ek i n do fm i n e r a ll i g h ti n c r e a s em i n e r s l o a d b e c a u s eo fi t sw e i g h ta n dv o l u m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb a t t e r i e sm i n e r a ll i g h tw i t ha l lk i n d so fb a t t e r yp o w e r a p p e a r e d ，s u c ha sn i c k e l - h y d r i d eb a t t e r ya n dl i t h i u mi o nb a t t e r y n i c k e l - h y d r i d e m i n e r a ll i g h th a st h ed e f e c to fh i g hs e l f - d i s c h a r g ea n dt h er i s ko fe x p l o s i o nu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h el i t h i u mi o nm i n e r a ll i g h th a st h es a m et r o u b l e t h i s p a p e rp r o p o s et h ed e s i g no fn e wm i n e r a ll i g h tw i t hp h o s p h o r i ca c i di r o nl i t h i u mi o n b a t t e r ya n db i gp o w e rl e d i ti se x p e c t e dt om a k eu po rr e s o l v et h ed e f e c to fc u r r e n t m i n e r a ll i g h t c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i n gc i r c u i ti st h ek e yp o i n ti nt h ed e s i g no fn e w a c i di r o nl i t h i u mi o nb a t t e r ym i n e r a ll i g h t s ot h i st w oa s p e c t si st h ep a p e r sm a j o r s t u d y , f o l l o w sa r et h ed e t a i lo fc o n t e n t s d e s i g nt h ew h o l ep r i n c i p l eo ft h em i n e r a ll i g h ta n dt h ep a r a m e t e ro ft h em i n e r a l l i g h tc i r c u i tu n d e rt h er e q u e s to f s e l e c tt h es u i t a b l ep a r a m e t e ro fl i t h i u mi o nb a t t e r ya n dl e df o r t h e m i n e r a l l i g h t u i 广东工业大学工学硕士学位论文 s t u d yt h ec h a r g em o d ef o rl i t h i u mi o nb a t t e r ya n dl e dd r i v em o d e a c c o r d i n g t ot h es t u d y ，d e s i g nt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i ta n dl e dd r i v i n gc i r c u i t a n dg i v i n gt h e m e t h o dt os e l e c ta n dc a l c u l a t et h ec o m p o n e n t si nt h ec i r c u i t i no r d e rt ot e s ta n dv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t ，t h em a j o r p a r a m e t e r s o fc i r c u i ti se x p e r i m e n t e da n dm e a s u r i n gt h e mi nt h er e a lc i r c u i t t h e d a t am e a s u r e di nt h ec i r c u i th a sb e e na n a l y z e d ，t h er e s u l to fa n a l y z i n gd a t aa r ei nt h e l i n ew i t ht h ed e s i g na b o v e k e y w o r d s ：a c i d i t ym i n e r a ll i g h t ；p h o s p h o r i ca c i di r o nb a t t e r y ；l e dm i n e r a ll i g h t ； l e dd r i v em o d e i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途是用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 办一占年6 月 7 日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 中国矿产安全现状简述 我国煤炭工业经过半个世纪的发展，已成为世界第一产煤大国。煤矿及其相 关矿业的安全工作，在党和国家的关怀下，取得了长足的发展，其整体科技水平 与国外的差距正在缩小，煤矿的安全状况与1 0 年前相比，也大有好转，但与国外 的差距仍较大，以煤炭生产的百万吨死亡率来比较，近1 0 年来我国国有重点煤矿 为1 0 5 - - 1 2 ，全国平均( 含国有、乡镇煤矿) 为4 3 ；而同期，美国为0 0 9 ，波 兰为o 4 4 ，德国为0 3 4 ，印度为0 7 4 。我国煤矿每年发生死亡1 0 人以上的重特 大事故约有7 0 - 8 0 起，其中9 0 为瓦斯爆炸事故u 1 。其中电气失爆是瓦斯爆炸的 一大祸根。据调查分析，电气失爆已成为煤矿瓦斯爆炸事故的主要祸根之一。通 过对乡镇煤矿安全监察，发现煤矿井下电气失爆现象严重，失爆率占抽查率的 2 0 5 0 瞄1 。失爆率如此高除了矿主和从业人员思想上不重视以外，还有井下特 殊设备存在着安全隐患，比如老式的矿灯。 为此，研制开发高效、节能、高可靠的安全工程装备，能检测瓦斯、火灾等 有害气体的元件，成为势在必行的重要工作。矿灯作为矿下使用的必须电气设备 之一，是矿工在井下工作的照明工具，它的安全性好坏，直接关系到矿工的人身 安全和国家财产的安全，所以开发安全性高、节能环保的新型矿灯，具有非常重 要的意义。 1 1 2 国内矿灯简介 传统矿灯主要由灯头( 光源) 、电缆、蓄电池( 电源) 及安全保护等4 部份 组成，根据所使用的电池的不同，可以分为以下几类： 广东工业大学工学硕士学位论文 1 、酸碱矿灯这两种矿灯是由酸性或者碱性电池作为矿灯的电源p 1 ，是用酸 性或碱性溶液作为电池的电解液，通常用k s ( 酸性电解液) 或者( 碱性电解 液) 来表示此类型的矿灯，它是我国5 0 年代的产品。虽然后来经过几次改进，但 基本结构变化不大。由于当时受技术条件的限制，其安全性能不太高，它采用熔 丝过电流保护装置，这种保护装置动作速度慢，可靠性低，故障消除后不能自动 回复，当矿灯在井下发生短路故障时有可能引起瓦斯爆炸事故。在当时的历史条 件下，矿灯要做到隔爆或本安是很困难的，因此国家矿灯标准把它列为特殊型电 气设备。使用这种类型矿灯不能在井下打开灯头和灯盖，要避免灯线短路，灯线 短路会产生火花有可能引起瓦斯爆炸。据报道，我国已经有多起由于不正常使用 这种类型矿灯发生的瓦斯爆炸事故。 2 、镍氢矿灯镍氢矿灯是由镍氢电池作为矿灯的电源，就电池而言，这种矿 灯属于碱性矿灯，生产厂家执行前面碱性矿灯的国家标准。镍氢电池与同体积的 镍镉电池相比，容量增加一倍，并且没有记忆效应，生产和使用无污染卜1 ，这种 电池是密封式的，不存在漏电解液烧伤矿工皮肤的问题，但是这种电池自放电率 比较高，一个月不用，电能减少3 0 ，尤其是这种电池当过充电时在电池内部产 生高温高压，如果不能及时释放将发生爆炸。为了防止过充电而导致爆炸，这种 电池的充电器一般不采用快速充电。由于镍氢矿灯是9 0 年代的产品，它的过充过 放保护比较安全，过电流保护动作速度比较块，当故障消除后能自动恢复。这种 电池在使用种外壳不能受外力挤压，否则电池容易爆炸。这种电池单节电压 1 2 5 v ，单节容量能做到十几安时，一般串联使用，当有一节电池损坏不会对其他 电池造成不良影响，这是它的优点。 3 、锂离子矿灯锂离子矿灯是锂离子电池作为矿灯的电源，锂离子电池能量 密度比较大，锂离子电池和同体积的镍氢电池相比，容量增加1 5 倍，同样没有 记忆效应，产生和使用无污染，价格和镍氢电池相差不多。这种电池过充电也会 爆炸，在使用中电池外壳也不允许受挤压，否则也会爆炸。锂离子矿灯是9 0 年代 后期研制的产品，其保护性能比较完善，保护动作速度较快。锂离子电池单节额 定电压是镍氢电池的3 倍，目前单节容量最大能达到2 a ，一般并联使用，在并联 使用中如果有一节电池出现严重漏电故障，将使与其他并联的其他无故障电池短 路。镍氢电池和锂离子电池在矿灯的应用，一定要选用质量合格的产品。 通过以上的基本分析，对国内的矿灯现状做了以下的对比分析，如表1 1 。 2 第一章绪论 表1 1 各种矿灯优缺点比较 t a b 1 - 1c o n t r a s to fs e v e r a lt y p em i n e r 类型优点缺点 价格低，目前市场价格大约每盏质量重，每盏质量在2 k g 6 0 9 0 元；使用寿命较长，大约1 左右；需定期补水维护， 1 5 年；耐用性好，适用性强。我补水维护周期为7 1 4 天 普 通 国煤矿目前大多使用k t s b 1 0 2左右；易发生漏酸现象， k s 型 型充电架，这种充电架就是针对由于生产过程中密封不 k s 型矿灯设计的。良或补液过量，可造成矿 k s型 灯漏酸，灼伤矿工 矿灯 免维护k s 型矿灯是在普通k s 型由于免维护矿灯蓄电池 矿灯的基础上发展起来的。其蓄电部分工艺复杂，对充电架 免维护池部分采用全密封结构，不存在补精度要求很高，使用寿命 k s 型水维护和漏酸的问题，也不存在初通常只有o 5 1 年，目前 充电的问题。在我国煤矿使用的总量 不到1 0 万盏。 寿命长，使用寿命大约2 3 年； 体积大，量重在2 5 k g 以 普通开适用性强，可采用普通充电架充上，需定期补水维护，可 口式蓄电；价格较低，每盏矿灯价格在1 5 0能有碱液溢出，灼伤矿 电池元左右。 工，亮度较低。 型矿体积小，质量轻，每盏矿灯质量在寿命短，通常只有1 年左 灯 o 8 1 2 k g 之间，只有普通铅酸矿右，有的还不到1 年；价 灯的1 2 左右；携带方便，可大大格高，每盏矿灯价格在 密闭式 减轻矿工的负担，免维护，蓄电池2 0 0 元左右；适应性差， 蓄电池 在寿命使用周期内不需要补液和煤矿现有的充电架不符 维护。 合充电条件，需另外配套 充电架。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 这种矿灯属于碱性矿灯，没有记忆电池自放电率比较高，放 效应，生产和使用没有污染，这种置一个月不用，电能减少 镍氢矿电池是密封的，不存在漏电解液烧3 0 ，尤其是这种电池当 灯伤矿工皮肤的问题。过充电时在电池内部产 生高温高压，如果不能及 时释放将发生爆炸。 锂离子电池和同体积的镍氢电池由于锂离子电池本身反 相比，容量增加1 5 倍，同样没有应物质活跃，电池充放电 记忆效应，生产和使用无污染，价过程中如果发生保护电 格和镍氢电池相差不多。这种电池路失效，可能会发生爆 k l型锂离子过充电也不会爆炸。安全性能高。炸；需要做好安全保护措 矿灯对谴属密闭免维护型，不需补水维护。施。价格高，使用寿命为 1 1 5 年，适用性差，现 有煤矿充电设备不适用 于k l 型矿灯，需要对充 电设备进行更新。 目前锂离子矿灯具有体积小、重量轻、维修方便等优点，但锂离子矿灯的安 全性，尤其是锂离子电池的安全可靠性问题一直受到各界的关注。为此，国家煤 矿安全监察局发布了安标国家矿用产品安全标志中心文件( 矿安标字 2 0 0 7 1 3 号) ；文件中明确规定：停止钴酸锂蓄电池矿灯的安全标志申办，推荐k l 型矿灯 使用锰酸锂电池和磷酸铁锂电池；暂停已取得安全标志的钴酸锂蓄电池k l 型矿 灯的安全标志p 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 经对国外矿灯标准i e c 6 2 0 1 3 1 及产品研究发现，国外矿灯电源主要有铅酸蓄 电池和碱性蓄电池两种类型，蓄电池具有少维护或免维护性能，美、英、德、俄 4 第一章绪论 罗斯、澳大利亚等国家的矿灯安全性能普遍高于我国，几乎没有因矿灯引起的安 全事故，只有朝鲜和越南等少数国家矿灯的结构和安全性能与我国类似。 国外先进水平的矿灯主要有如下特点：采用双光源，1 个光源烧坏后，可用 辅助光源照明；采用阻燃耐脂肪酸电缆和防静电塑料外壳；灯头和蓄电池部分达 到i p 5 4 防护等级，可防水和粉尘；矿灯强度和耐冲击性好；外部紧固闭锁装置一 般采用铅封或锡焊，可防止随意拆卸矿灯；蓄电池容量大，可保证照明时间。 此外，国外非常重视多功能矿灯的开发。1 9 7 8 年法国奥达姆公司推出兼具照 明和甲烷报警功能的矿灯，其后英国、前苏联、波兰等国家也相继研制出这类产 品，目前在俄罗斯、波兰和乌克兰等国家使用较为普遍。如俄罗斯的甲烷报警矿 灯已占矿灯总量的7 0 ，有效地预防了许多瓦斯事故的发生。国外从7 0 年代就 开始探索能迅速有效的测定作业工人现行位置方法。美国、德国、波兰、奥地利、 南非等国家进行了大量试验和研究工作。其原理是采用低频电磁信号发射技术， 控制系统接收发射信号，即可确定信号方位。信号发射装置体积很小，功耗小， 只需小型电源供电。产品形式多种多样，有的由矿工随身携带，有的安置在矿工 穿的靴子里，有的安装在矿灯上。这种人员定位技术目前在澳大利亚和南非等国 家应用比较广泛。 1 2 2 国内研究现状 我国矿灯的发展始于上个世纪5 0 年代初，我国自主开发研制了以铅酸蓄电池 和镉镍蓄电池为电源的k s 和k j 系列矿灯产品，其中k s 型酸性矿灯目前在我国 煤矿使用的矿灯中占有很大的比重，约在9 0 以上。世界上除东欧、德国、日本 外，其他国家的煤矿也都使用铅酸矿灯。这些矿灯作为“基型，一直承续了几十 年，虽然经过不断改进，但在电源形式、光源、结构、功能等方面并没有多大的 变化。该传统矿灯产品的主要缺陷有以下几方面： 1 、灯头内只有一个单灯丝白炽灯泡，这种灯泡寿命平均2 0 0 个小时左右，质 量低劣的甚至只能使用十几个小时。灯泡一旦烧坏，作业人员失去照明工具将无 法继续工作。而且这种灯泡属于热光源，点燃时温度很高，而瓦斯的爆炸燃点是 4 5 0 ，如果灯泡壳破碎，灯丝很容易引爆瓦斯。 2 、灯头及蓄电池闭锁结构不可靠，时有工人在井下拆卸矿灯而引起瓦斯爆炸。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 3 、铅酸蓄电池矿灯占矿灯总量的9 0 以上，这种蓄电池比能量低，寿命短 ( 一般只能使用1 a 左右) ，容易漏酸，使用过程中需要经常加水、调节电解液等， 维护工作量很大，管理要求高。而其他金属氢化物镍电池矿灯和锂离子电池矿灯 刚投入使用产品生产以组装为主，缺乏深入研究，产品各部分匹配性能较差，使 用中也暴露出诸多问题。 4 、短路保护装置可靠性差，目前广泛使用的熔断器在矿灯充电和维护时容易 熔断，一旦熔断，必须重新更换。为减少维护工作量，许多煤矿将熔断器拆除或 用导线短接，失去短路保护的矿灯像颗炸弹时时威胁着工人的生命安全 5 、矿灯功能单一，如具有甲烷报警矿灯等多用途的矿灯只占矿灯总量的1 左右，对矿灯这种井下“移动光源”特殊载体没有充分开发利用。 随着l e d 技术的进步和发展，近年来出现了以l e d 为光源，钴酸锂锂电池 为电源的矿灯，但是由于钴酸锂锂电池本身的不安全性，在2 0 0 6 年2 月被国家矿 用产品安全标志中心禁止使用，随后出现了以锰酸锂锂电池为电源的矿灯，但是 锰酸锂锂电池的循环寿命较低，很难满足矿用要求，在安标国家矿用产品安全 标志中心文件【矿安标志( 2 0 0 7 ) 3 号】文件的要求下，本论文将研究以新型的、 安全性能极佳的磷酸铁锂电池作为电源的l e d 矿灯的电控系统。希望能解决传统 矿灯中的不足，而且l e d 灯源的节能和长寿命等优点，符合当今社会的环保节能 的趋势。 1 3 研究的目的和意义 已沿用了半个多世纪的老式铅酸矿灯，一直被我国工矿企业地下作业人员所 使用，是特殊型防爆产品，其安全性能和质量与矿业安全生产息息相关。该类矿 灯在长时间的实践使用过程中发现具有如下明显缺陷：矿灯体积大且笨重，给井 下作业人员带来许多不便和负担；矿灯在使用和维护过程中易释放出有害气体， 直接危害工作人员的身体健康：铅酸电池使用废弃后对环境造成的污染严重；电 池容量小、灯泡寿命短；需要不断加注酸液才能维护正常使用，维护工作量复杂 繁琐，也为安全埋下了隐患；而强酸和铅的使用也不符合当前社会的环保概念。 虽然在普通铅酸矿灯的基础上开发了免维护的铅酸矿灯，其蓄电池部分采用 全密封结构，不存在补水维护和漏酸的问题，也不存在初充电的问题，但免维护 6 第一章绪论 矿灯蓄电池部分工艺复杂，对充电架精度要求也很高，使用寿命通常只有0 5 1 年，目前在我国煤矿使用的总量不到1 0 万盏，远远不能适应目前国内的需要。( 以 每两年更新一次算每年的矿灯需求量在3 0 0 万只以上) 由于老式铅酸矿灯存在着种种缺陷，在实际使用过程中也存在着很多隐患， 同时也给矿工的生命带来了危险。为了提高矿灯的安全性能，防止因矿灯性能问 题引发的瓦斯爆炸事故，国家煤矿安全监察局下发了矿灯国家标准矿灯安全性 能通用要求( b g 7 9 5 9 2 0 0 3 ) ，并从2 0 0 4 年6 月1 日正式施行。新的矿灯标准强 化了安全性和实用性，要求矿灯至少有1 个光源，采用阻燃电缆，外壳具备防静 电性能，并且对抗冲击、抗跌落和蓄电池防护性能提出了更高的要求。 为了更好的提高矿灯的安全性能，改善矿业作业环境，本论文将以矿灯国家 标准矿灯安全性能通用要求为标准，开发一种符合安标国家矿用产品安全 标志中心文件的新型的以磷酸铁锂电池作为电源的l e d 矿灯电控系统。锂电池 作为一种环保型二次电池，已被人们在众多领域内广泛应用，它具有体积小、容 量大、循环寿命长、无任何记忆效应、环保污染等高性能特剧们，而且不需要定 时补充酸液，不但减轻了矿工的负担，不会因为酸液的溢出而灼伤矿工；锂电池 的这些优点可以很好的解决现状老式矿灯笨重、电池容量低、维护复杂、污染环 境等缺点。由于锂的活跃性，为防止在温度过高或压力过大的环境下，锂电池发 生爆炸的危险，采用符合安标国家矿用产品安全标志中心文件【矿安标志( 2 0 0 7 ) 3 号】文件要求的磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池是2 0 0 2 年才推出的，是锂电池家 族的新成员。其安全性最佳，滥用测试下，不爆炸，不起火，不冒烟，且最符合 环保要求卜。结合采用大功率、高亮度的l e d 作为矿灯的灯源和先进的智能控制 技术和恒流驱动技术，可以很好地解决现时旧铅酸矿灯所存在的许多缺陷和弊端。 而且l e d 与普通白炽灯相比，可节能5 0 到7 0 。另外通过内置电源控制芯片 和恒流驱动电路，有效的保护了电池的寿命，提高了电源的使用效率。采用以上 区别于旧式矿灯的新技术，来解决老式矿灯所带来的不足和缺点。 该技术由于其低能耗、技术新、产品节能环保等特点，不仅在国内市场上有 很强的生存能力和广阔的销售市场，而且在中国市场上，是符合中国国情的，有 很大的发展潜力，深信该项技术将会促进我国矿业和相关其他应用领域大力的发 展。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 1 4 课题来源和研究内容 本课题来源于广东工业大学与佛山某公司的一个合作项目，以开发新型的锂 离子电池l e d 矿灯的电控系统为主。 本课题应用先进的磷酸铁锂离子电池作为矿灯的电源，以大功率的l e d 作为 光源，研究开发一种新型的一体式的矿灯的电控系统。增加矿灯的安全性和彻底 改善了传统灯头与电池的分体结构模式，去掉了繁琐和存在不安全因素的电缆， 携带十分方便。其主要研究的内容如下： 1 、整体方案的提出以及分析，确定可行性方案。 2 、整体电控系统的主要参数的确定，并进行相关的设计计算以及主要电子元 件的选择，特别是锂离子电池的选择。 3 、控制电路的开发。控制电路的开发包括两部分，一是大功率l e d 的恒流 驱动电路，l e d 是电流驱动型元件，工作电流与电压及发光效率呈线性关系，即 工作电流越大，电压越高，发光效率也越高，但超出额定工作电流将缩短l e d 寿 命，所以对l e d 必须采用恒流驱动技术。二是开发安全效率高的锂电池充电电路， 采用高性能的电源管理模块技术保证锂电池的安全，而且节能环保。 4 、控制系统电路的实验研究，并做相关的数据分析。 1 5 论文结构 本论文共有五章，第一章绪论主要讲述了课题的背景，国内外的现状和研究 意义及课题来源，第二章讲述了新型锂电池l e d 矿灯整体方案的设计，对其中的 主要部件做了详细的分析。第三章的主要内容是现状锂电池充电的基本要求和充 电方法并设计了充电电路。第四章主要讲述了大功率l e d 的驱动原理及方法，并 分别设计了主灯和副灯的驱动电路。第五章是实验部分，对第三章和第四章所设 计的电路进行实验验证，并对实验的数据进行了对比和分析。 8 第一章绪论 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和重要意义；分析了国内外矿灯的使用现状 和发展趋势：提出了以研究开发一种一体式的以磷酸铁锂离子电池作为电源，大 功率l e d 作为灯源的新型矿灯的电控系统作为本课题的主要研究内容，使得新型 的锂电池矿灯更加符合环保和节能的社会发展趋势。最后介绍了本课题的来源和 研究的主要内容。 9 第二章新型锂电池l e d 矿灯方案分析和计算 第二章新型锂电池l e d 矿灯方案分析和计算 2 1 新型锂电池l e d 矿灯方案的提出与分析 2 1 1 新型锂电池l e d 矿灯主要参数确定 参考中华人民共和国国家标准g b 7 9 5 7 2 0 0 3 矿灯安全性能通用要求，确 定矿灯的基本参数和控制电路的主要性能参数。如表2 - 1 和表2 2 。 表2 1 矿灯的基本性能参数 t a b 2 1b a s i cp a r a m e t e r so fm i n e r sl a m p 结构电池类型电池安全性 电池寿命保护方式光源类型 一体环保型锂过放、过充、充放大于过压、欠压、外 式电池短路保护1 0 0 0 次电路短路保护 高亮度l e d 表2 2 充电电路的主要参数 t a b 2 2b a s i cp a r a m e t e r so fc h a r g ec o n t r o lc i r c u i t 充电最大 工作 最大过流 充电设计使用 电压充电流 温升 耐温 保护时间寿命 直流小于6 1 0 0 0 m a7 5 1 3 0 有2 0 0 0 次 4 - 6 v 小时 2 1 2 新型锂电池l e d 矿灯方案提出 由于采用一体式的结构，在电源选择、灯源选择和控制方式上与传统的酸碱 矿灯有着很大的区别。传统的分体式的结构分为四部分：电源( 酸碱蓄电池) 、电 缆、灯源和保护装置。在一体式的矿灯中，必须把以上四部分合在一起。所以元 件的选择上必须是电源体积要小，能量大，光源消耗的能量要少。所以初步选择 广东工业大学工学硕士学位论文 的电源采用电池能量密度较大的锂离子电池，没有记忆效应，生产和使用无污染， 其保护性能比较完善。灯源部分采用高亮度的大功率l e d ，半导体l e d 与传统 光源相比具有无可比拟的优点；功耗低，发光效率高，是新一代节能环保灯源。 图2 - 1 是整体方案的原理框图： 图2 1 整体方案原理图 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fs c h e m e 2 1 3 新型锂电池l e d 矿灯电控系统方案的分析 新型锂电池l e d 矿灯电控系统主要有以下4 个部分组成： 1 、l e d 恒流驱动l e d 是电流驱动型元件，工作电流与电压及发光效率呈线 性关系，及工作电流越大，电压越高，发光效率也越高。但是超出工作电流将缩 短l e d 的寿命。矿灯电池在使用过程中输出的标准电压为3 2 v ，点灯终止时约 为2 0 v ，电压波动约1 2 v 。而随着点灯时间的延长，l e d 的工作电压越来越低， 发光效率也大幅度降低，点灯后期几乎失去照明的意义。因此就需要对l e d 光源 器件通过恒流电源部件进行供电，恒流部件的作用是在电池电压较高的时候限制 工作电流的增大，在电压较低的时候，提供相对满足的电流，目的是保证l e d 发 光元件可靠工作。恒流电源电路本身要消耗一部分电池能量，因此，使用恒流部 件需要考虑转换效率。 2 、温度控制部分为了保证l e d 器件良好的温度环境，要考虑散热设计。在 热传输设计方面，要考虑直接接触l e d 器件散热体的热容量。较大的热容量可以 1 2 第二章新型锂电池l e d 矿灯方案分析和计算 较好的吸收和平衡瞬间的热冲击，防止由于瞬间过流产生的高温对l e d 器件的热 损坏。还要考虑散热器件的热传输平衡条件和传输量，让灯头内部l e d 器件上发 出的热量能够顺利地传到灯头壳体外部的空气中，设计时通过铝基板驱动电路同 时解决恒流和散热的问题。灯头壳体外部的散热部件表面散热温度不能过高，不 能把热量直接在容易被发觉或是被触摸到的地方集中散发。要尽量增加外部散热 的面积，尽量隐蔽散发热量，减小热量散发时的表面温度。因此设计时应使矿灯 的外部散热温度不高于4 0 0 p 。 3 、电池部分锂电池能够解决容量大、体积小的问题，满足矿工在井下工作 时，需要十几个小时的持续照明及负荷轻的要求。矿灯蓄电池组的工作特点是深 度放电和充电。通常情况下，电池不会产生过充电和过放电机会。但矿灯电池组 件要有能够防止和抵御过充电和过放电的能力。要设有防短路，防过热，防过充， 防过放电的控制电路。 4 、锂电池的保护在井下照明使用过程中，电池是一个限定的电流进行放电。 在这个过程中，产生不安全因素的原因可能会是由于某种意外的外部短路造成。 由于电池突然过度放电，造成电池内部过热、过涨，极端情况就是爆炸嗍。电池 在充电过程中，也要限定充电的电压和电流，尤其在充电过程的后期，要严格控 制充电的电流强度，否则，也会发生过热和爆炸。另外在电池的选择方面也要选 择安全性能高的电池，比如磷酸铁锂电池。由于锂电池相对活跃的特点，在充放 电过程中，需要精细的电路进行控制，而且是长期稳定的控制。所以，采用锂电 池作为矿灯电源，需要设计适合锂电池特性的充电设备和放电控制电路。 2 2 主要元件参数确定与选型 2 2 1l e d 选型及参数确定 l e d 是l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的英文缩写，其原理在某些半导 体材料的p n 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光 的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。p n 结加反向电压，少数载流子 难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管， 通称l e d 。基本结构是一块通电发光的半导体材料，置于一个有引线的支架上， 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 四周均用环氧树脂等透明塑料密封。白光l e d 在照明市场备受瞩目，它与白炽钨 丝灯和荧光灯相比，主要技术优势为体积小、发热量t e ( 没有热辐射) 、耗电量 小( 低电压、低电流启动) 、寿命长( 理论寿命10 万小时以上) 、响应速度快、 耐振动和冲击及无污染。它被业界称为2 1 世纪第四代新型电光源。我国于2 0 0 3 年6 月成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照明工程 ， 国家“十五 科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发 重大项目已正式立项。 l e d 越来越多的被应用到日常的生活当中了7 删1 0 1 。 采用大功率白光l e d 作为矿灯光源有以下几点特点： 1 、安全性能好传统矿灯光源采用的白炽灯泡属于热光源，工作时钨丝温度 达2 0 0 0 以上，受到冲击灯泡壳容易破碎，可能会引爆爆炸性气体。而l e d 光 源被称为冷光源，工作时p n 结的温度不超过1 0 0 ，l e d 壳体的温度只有几十 度，不会破碎，不会引燃爆炸性气体。 2 、发光效率高目前白光l e d 的发光效率是矿灯用白炽灯泡的2 5 倍，故 在保证同样的工作时间和照明效果前提下，电池的容量可以减少6 0 ，大幅度降 低矿灯的重量和体积。 3 、免维护性能好l e d 光源矿灯在使用寿命期内只需进行充电，没有传统矿 灯繁杂的维护工作，降低了管理成本，提高了矿灯质量。 l e d 光源是矿灯关键部位，其选择的是否合适关系着整个矿灯的性能要求。 l e d 从结构形式上分主要有三种：一种是有引线的l e d ，额定电流一般为 1 0 2 0 m a ，功率较小，用于照明时需要多只并联；另一种是单芯片表面贴片型l e d ， 额定电流一般大于5 0 m a ，功率较大，可以单只使用；第三种是将多只小功率芯 片加以集成，实现大功率，即组合功率型l e d 。本论文所研究的l e d 锂电池矿 灯的电控系统，按照g b 7 9 5 7 2 0 0 3 标准一矿灯安全性能通用要求，采用双光源 设计，当主光源失效时，可用辅助光源。其l e d 的选型主要从以下几个方面来考 虑的： 1 、寿命为保证矿灯两年的使用期，l e d 的使用寿命应保证工作1 万小时时 仍保持8 0 以上的发光效率。 2 、光通量为保证矿灯的照度大于1 0 0 0 l x 光通量应不低于2 5 l m 。 3 、环境温度根据矿灯的使用特点，选用的l e d 应尽量保证在0 6 0 的 环境中能保持稳定的发光效率。 1 4 第二章新型锂电池l e d 矿灯方案分析和计算 4 、工作电压l e d 的工作电压范围一般为1 5 v - 4 v ，不同发光材料的l e d 工 作电压也不同，应根据矿灯电池的工作电压选择合适的l e d 。 从以上几个方面初步选定主l e d 和副l e d 的参数如下表2 3 和表2 4 所示： 表2 3 主光源l e d 参数 t a b 2 3b a s i ep a r a m e t e ro fm a i nl e d 工作 工作最大 工作 最大光束 寿命环境 光效 色温 电压电流耐流 温升 耐温 角温度 直流 2 4 01 0 0 07 4 55 万4 0 4 k k 一 5 0 1 4 5 9 0 度 3 3 vm am al m w 小时 - 8 5 4 5 k k 表2 4 副光源l e d 参数 t a b 2 - 4b a s i cp a r a m e t e ro fa u x i l i a r yl e d 工作工作最大工作最大光束环境 光效寿命彦温 电压电流耐流温升 耐温 角温度 直流 1 1 03 0 04 54 万4 0 5 k k 4 0 1 4 5 9 0 度 3 o vm am al m w 小时 一8 5 5 6 k k 2 2 2 锂电池选型及参数确定 自1 9 9 0 年日本s o n y 公司研制成功小功率锂离子电池以来，其优良的性能 和广阔的应用前景，使得世界各国竞相研制。锂离子电池作为一种新型的高新能 蓄电池，它的开发和应用都取得了重大的进步。在现在各种各样的电器设备中如 手机、笔记本电脑都可以看到它们的踪影1 1 1 。在国内的天津、深圳等地都成立了 锂离子电池研制和生产基地，作为新型的环保能源，锂离子电池应用领域将是越 来越广阔，将锂离子电池应用到矿灯等照明设备中，必将带来一次新的产业革命。 锂离子电池，俗称“锂电”，是目前综合性能最好的电池体系。锂离子电池负 极是碳素材料。正极是含锂的过渡金属氧化物。电解质是含锂盐的有机溶液。充 电时，在电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格 中。放电时，过程正好相反，锂离子返回正极，电子则通过了用电器，由外电路 到达正极与锂离子复合。由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料都很便宜， 降价空间很大，应该是最便宜的电池。与传统的二次电池相比，锂离子电池有突 广东工业大学工学硕士学位论文 出的优点：工作电压高，锂离子电池的工作电压在3 6 v ，是镍镉和镍氢电池工作 电压的三倍m 1 3 儿1 4 1 ，因此也只能用锂离子电池专用充电器来充电，以免发生事故。 锂离子电池负极的材料碳，对锂离子电池性能的提高起到了关键的作用。锂 离子电池的正极材料有多种，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是氧化钻锂 ( l i c 0 0 2 ) ，另外还有少数采用氧化锰锂( l i m n 2 0 4 ) 作正极材料的锂离子电池。2 0 0 2 年后新推出磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂( l i f e p 0 4 ) 材料作电池正极的锂离子电池 1 1 5 1 1 6 1 1 1 7 1 ，由于磷酸铁耐高温、遇热不分解，在电池过充或短路的情况下其物化特 性极其稳定，不会因热释放或热失控而引起电池燃烧。磷酸铁锂电池符合容量高、 输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学 稳定性能等特点，特别在大放电率放电( 5 1 0 c 放电) 、放电电压平稳上、安全 上( 不燃烧、不爆炸) 、寿命上( 循环次数) 、对环境无污染上，是目前最好的大 电流输出动力电池。国内比较出名的生产厂家有山东海霸能源集团，是国内第一 家实现磷酸铁锂批量生产的高新企业，旗下产品通过了欧盟的c e 认证、美国u l 认证，目前正与中国电池协会制定磷酸铁锂动力电池的国家标准h 3 1 。表2 5 分别 对磷酸铁电池和其他类型的锂电池作了各种性能上的对比，从表格上可以看出磷 酸铁电池不论在安全性能上还是在其他性能上都比其他锂电池优越。更多的磷酸 铁电池的性能参数与其他电池的对比情况参见附录1 。根据以上对各种锂电池性 能分析和国家对矿灯的要求，在本论文中，选用磷酸铁锂电池作为矿灯的电源。 根据g b 7 9 5 7 2 0 0 3 标准一矿灯安全性能通用要求，矿灯点灯时间在1 1 小 时以上。主灯光源l e d 的工作电流是2 4 0 m a 。不考虑电路上其他的电量损耗， 电池的容量起码是： l l h 2 4 0 m a = 2 6 4 0 m a h ( 2 1 ) 考虑电路电量的消耗和电池的规格，选3 个容量为1 3 5 0 ma ，额定电压为3 2 v 的1 8 6 5 0 型号磷酸铁锂电池作为矿灯的电源，该电池具有较宽的负载工作电压区 间：2 0 v - 3 6 5 v 。电池连接方式为并联。则总容量为： 1 3 5 0 m a h 3 ；4 0 5 0 m a h( 2 2 ) 4 0 5 0 m a h 2 6 4 0 m a h 能满足要求。工作电流只要大于2 4 0 m a 就能满足矿灯的 要求。确定以上两个参数后，根据选定的电池规格，可以得出电池的具体参数请 见附录2 。 1 6 第二章新型锂电池l e d 矿灯方案分析和计算 表2 5 不同锂电池的性能对比 t a b 2 - 5p e r f o r m a n c eo fl i o nb a t t e r y 电池成份磷酸铁锂电池锂钴电池锂锰电池铅酸