浅析智能型锂电矿灯充电架的工作原理及其特性
李晓燕
（淮北朔里矿业有限责任公司；安徽淮北235052）
摘要：新型智能型锂电矿灯充电架，直流电源采用了模块化的高频开关电源，应用智能控制技术，具有浮充、均充等多种充放电模式和蓄电池自动充放电管理功能，并能对蓄电池进行温度补偿，同时还可最大限度地延长蓄电池的使用寿命。它与采用晶体管整流电路的传统充电架相比，其智能型锂电矿灯充电架功能更齐全，安全运行效果好，具有更好的充电效果。
关键词：矿灯；智能型充电架；结构性能；工作原理
1引言
煤矿井下工人照明所使用的矿灯，过去的几十年一直都是沿用铅酸蓄电池矿灯。这类矿灯笨重，易漏酸液，对人的衣服有腐蚀，且存在一定量污染。它的充电容量也小，灯泡容易烧损，维护代价高，使用效果差。随着科技的不断发展，近几年镍氢电池和锂电池等矿灯已经出现，并得到了矿工们的应用，其照明效果大幅度提高。
矿灯主要有传统的铅酸蓄电池矿灯、镍氢电池矿灯和锂电池矿灯三大类，而各类矿灯均配有不同的专用充电架。锂电池矿灯具有放电时间长、光亮度高、重量轻、充电耗功耗低、维护量又小等优势，目前已得到了广泛地应用。但是，由于灯房管理人员对锂电池的特性了解不是很充分，在对锂电池充电过程中控制往往把握不好等原因，使得锂电池矿灯在实际使用中就出现了一些使用安全性问题。
而在新版的《矿灯安全性能通用要求》（GB7957-2003）中，就对矿灯及矿灯充电架的性能和管理提出了更高的要求。因此，研究、使用新型智能型锂电矿灯充电架就很有必要，掌握其性能，做到正确、安全使用，尽力降低充电能耗，延长矿灯使用寿命。
2智能型锂电矿灯充电架的功能
智能型锂电矿灯充电架专供锂电矿灯充电之用。其直流电源采用模块化的高频开关电源，具有重量轻、效率高、输入电压范围宽、输出电压稳定等特点。
而交流电压、交流电流、直流电压、直流电流均则通过数码表显示，运行情况可视化。在输入回路设有过流、欠压保护；在输出回路设有短路、过流、过压保护。设计的多种保护功能，以保证矿灯充电的运行安全。
3智能型锂电矿灯充电架主要结构与特性
智能型锂电矿灯充电架主要由高频开关电源、信号采集盒、信号采集板和充电状态指示板及部分组成。
智能型锂电矿灯充电架设置采用了高频开关电源，它先将输入的工频交流电，经整流滤波后变为直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，再经过高频变压器和整流滤波电路，最后转换为稳定的直流输出电压，并从输出端取样。与设定标准进行比较后，采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（如IGBT）的导通与截止时间，故可得到很高的稳压和稳流精度，以及很短的动态响应时间。在高频开关电源的内部，还应用了软开关技术和无源功率因数校正技术，这样开机浪涌问题得到了基本消除，其功率因数又得到了大幅的提高。
3.1高频开关电源
对于高频开关电源直流系统来说，它对蓄电池寿命的影响比晶体管直流电源系统要小，这是因为晶体管直流电源系统输出的纹波大，输出电压含有的交流成分较大，从而影响了蓄电池的使用寿命。而高频开关电源，则输出纹波就较小，输出也比较稳定。另外，高频开关电源采用智能控制，它具有浮充、均充等多种充放电模式，并具有蓄电池自动充放电管理的功能，又能对蓄电池进行温度补偿，并最大限度地延长蓄电池的使用寿命。因此，设计智能型控制系统，大多采用高频开关电源作为直流电源。在矿灯上应用，智能型锂电矿灯充电架显然要比采用晶体管整流电路的传统充电架对矿灯充电更具有良好的充电效果。
1）高频开关电源工作原理。高频开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路和辅助电源四个部分所组成。其工作原理，见如图1a所示。
2）高频开关电源的优点。①充电效果好。采用晶体管控制及整流的传统式矿灯充电架，整流器件都是以半波或全波形式的整流电路，其原理是交流输入电压经工频变压器降压后再采用晶体管进行整流。由于变压器和晶体管整流器的变比都是固定的，所以当输入的交流电压出现波动时，其输出的直流电压也随之波动，容易受到牵制影响，从而影响了对矿灯充电的质量与效果。②故障率低。由于高频开关电源采取了多项电路保护措施，如多极风扇控制技术和先进的热插拔技术设计等，其电路集成度高，并且没有高功耗的元件，所以故障率也比较低。
③安全性高。高频开关电源具有极宽的交流输入电压范围，停电后能有效地延长对关键设备供电的时间；在输入端加有有源功率因数校正电路，功率因数高，失真度小，可有效地提高电源的品质；动态响应也比较好；可多个模块叠加使用，系统的冗余度高。
3.2信号采集盒
在每套矿灯充电系统上，都装有一个信号采集盒。其信号采集盒主要由单片机和可编程的CAN通信控制器所等组成。信号采集盒对整个充电系统的各个智能型锂电矿灯充电架的信号采集板，按顺序进行循环检测，然后再传输给监控主机。
3.３信号采集板
对于智能型锂电矿灯充电架，每台上都安装有一个信号采集板，它主要由单片机和可编程的CAN通信控制器所组成。信号采集板按顺序，循环检测其所在
智能型锂电矿灯充电架的所有充电指示板输出的J
1、J
2
信号，然后再传输给信号
采集盒。另外，每个信号采集板上还装有一个８位的二进制开关，以用来设置所在智能型锂电矿灯充电架的编号，以采集其矿灯的个人使用情况信息。
3.4充电状态指示板
矿灯架上，每个矿灯充电位都有一个充电指示板，它以LM324N和LM358N为核心，能够及时将矿灯的充电状态，以数字信号形式传输给信号采集板。而充电
指示板通过输出端子J
1、J
2
输出组合的数字信号，以用来表示矿灯的充电状态。
4智能型锂电矿灯充电架的工作原理
智能型锂电矿灯充电架，通入的单相220Ｖ交流电，经开关进入开关电源，并开关电源输出５Ｖ恒压直
流电供矿灯充电。在交流回路和直流回路，都设置有相应的电压表和电流表，显示其电压值和电流值。充电指示板，主要用来指示矿灯的充电状态，同时还能以数字信号的形式传递给监控系统（智能型锂电矿灯充电架的工作原理，见图１b）。
5应用情况
有些煤矿，灯房全部引用智能型锂电矿灯充电架，有效杜绝了矿灯过充、充电不足、电池损坏和红灯等现象。至此，充电架基本上实现了免维护。智能型锂电矿灯充电架安全运行效果也好，充电消耗比传统模式大为减少，使用寿命大大延长。而矿灯和自救器同架存放，实行开放式管理，灯房岗位的工作人员大大减少了，起到了较好的减人提效效果。
6结束语
基于智能型锂电矿灯充电架安全运行效果好、工作可靠，具有许多独特的功能。它的功耗低，免维护，使用寿命长，又能实现充电过程监控，并辅助反映下井者的个人基本信息等。因此，具有较好的推广应用价值，建议煤矿均推广使用这种矿灯充电设备，也是推进节能环保的一项新举措。
参考文献
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作者简介：李晓燕（1976-），女，工程师，2007年毕业于安徽理工大学“机械电子工程（矿山机电）”专业，现在淮北朔里矿业有限责任公司从事机电技术管理工作。

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