煤矿矿灯智能充电管理系统装置设计

第一章矿灯电池的选择 关于本系统中矿灯电池的选用问题， 可以从以下三种电池中选出一种来 作为本系统的矿灯电池。 1.1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池正极板采用的材质为二氧化铅， 负极板采用的材质为海绵状 铅，电解质采用的材质为稀硫酸，浓度大约在1.28%~1.30%之间。 由于铅酸蓄电池的充放电技术一直依靠氧化还原反应， 已经在很长一点 时间内没有进行创新， 所以铅酸蓄电池必将会慢慢地退出历史舞台。 在铅酸 蓄电池的外观方面， 其体积和质量相比于其他电池都显得偏大。 在铅酸蓄电 池的性能方面， 其储能量相比于其他电池都显得偏小。 可是铅酸蓄电池依旧 在被人们继续使用， 究其原因就是铅酸蓄电池的制造价格低廉。 因此在矿灯 电池的选择方面， 电池的成本也是一个重要的因素。 但对于本系统设计而言， 不能仅因为铅酸蓄电池成本低就选择铅酸蓄电池作为本系统的矿灯电池， 还 要考虑到电池对环境的污染问题。 一旦铅酸蓄电池因为使用时间过长而遭到 弃置或者因为和尖锐物体进行碰撞而发生泄漏时， 电池中的大量铅以及硫酸 会慢慢地进入大地，对深层土壤造成毁灭性破坏。 1.2 碱性蓄电池 在日常生产工作中能够碰到的碱性蓄电池大体有两种， 第一种是镍氢蓄 电池， 另外一种就是镍镉蓄电池。 可以从以上两种电池的名字进行浅层次分 析或是从以上两种电池的工作原理进行深层次的分析， 在镍镉蓄电池中只要 把内部的金属镉替换成可以吸收氢的金属， 那么替换成功后的电池就可以当 做镍氢蓄电池来使用。所以这两种碱性蓄电池在某些方面具有一定的通性， 比如说它们由于采用材料的材料特质而共同具有记忆效应。 电池的记忆效应 可以从充满电的电池上表现出来， 如果充满电的电池从开始放电到一直把电 量放光， 期间没有进行其他操作， 但是经过电量比较发现放出的电量较小于 充满电所显示的电量。 由于本系统设计不能出现带有偏差的电量， 从而影响 到系统的精度，所以碱性蓄电池也不能作为本系统的矿灯电池来使用。 1.3 锂离子电池 锂离子电池，顾名思义就是通过锂离子的运动来完成对电池的充放电。 锂离子电池的主体就是锂离子， 具体就是在对锂离子电池进行充电时， 锂离 子会从正极端跑到负极端， 而对锂离子进行放电时， 锂离子会从负极端沿原 路返回到正极端。 需要注意的是在锂离子运动的过程中， 并不会发生化学反 应，只有锂离子在不断地运动。 1.4 三种电池的比较与总结 电池类型 铅酸蓄电池 碱性蓄电池 锂离子电池 质量体积使用寿命 大 大 小 短 短 长 记忆效应 不存在 存在 不存在 充电时间 长 长 短 储存电量 少 少 多 从上表可以直观地看出锂离子电池在各个方面明显优于铅酸蓄电池以 及碱性蓄电池， 所以选择锂离子电池作为本系统的矿灯电池是科学并且有理 论依据的。 第二章系统硬件结构 2.1 系统组成 本系统主要由充电管理模块、充电柜、充电架以及CAN 总线组成。 2.1.1 充电管理模块 建立充电管理模块的先决条件就是如何选择正确的充电管理芯片， 由于 本系统采用的是锂离子电池， 就必须考虑到要按照先用恒定电流后用恒定电 压的步骤对其进行充电。 至于为何要用这种充电方式， 是因为锂离子电池在 过充状态下会产生高温， 继而损坏电池或者发生爆炸。 由于在目前市面上大 多的电源管理芯片中， 芯片 SE9018 正是按照先用恒定电流后用恒定电压的 步骤对电池进行充电， 所以芯片 SE9018 可以较好地完成对锂离子电池的充 电工作。值得一提的是，在对锂离子电池进行充电时，芯片SE9018 会给电 池提供精确的电压， 降低了电池在充电过程中的损耗， 从而增加电池的使用 次数，达到充分使用电池的目的。芯片SE9018 的引脚排布图如图 1 所示。 图 1.SE9018 封装引脚图 其中芯片 SE9018 中的 8 个引脚功能如下表所示： 引脚 TEMP 引脚功能 电池温度检测输入端 引脚 BAT 引脚功能 电源连接端 PROG GND Vcc 充电电流监测端 电源地 输入电压正输入端 STDBY CHRG CE 电池充电完成指示端 漏极开路输出的充电状态指端 芯片使能输入端 关于 SE9018 的工作原理图如图 2 所示 图 2.SE9018 原理图 由于 AD/DC 电源直接给出的直流 12V 电源并不能直接用在SE9018 上 面， 所以要添加一个电源管理芯片。 目前常用的电源管理芯片包括LM3100， LM3100 可以对输入进来的电压展开降压以及稳压工作。在本电路中，芯片 LM3100 直接把直流 12V 电源降压成直流 5V 电源，从而能够对锂电池开始 充电。 当直流 5V 电源开始对锂电池进行充电时，芯片SE9018 会按照下面四 个阶段展开运行。 （1）涓流充电阶段，即在对电池进行充电时所产生的电流必须是小电 流，因为在充电瞬间产生的大电流会对电池造成严重的损伤甚至报废。 （2）恒流充电阶段，即在对电池进行充电时所产生的电流必须是恒定 电流，恒定电流的数值可以通过引脚PROG 和引脚 GND 之间的电阻得到。 （3）恒压充电阶段，即在对电池进行充电时使用的电压要基本保持不 变，电压的数值大约是 4.2V。在这阶段对电池不断充电时，产生的充电电 流会慢慢地减少。当产生的充电电流慢慢地减少到预设值的1/10 时，就可 以不用再对其进行充电了。 那么如何用肉眼直观地判断出电池的电量是否已 经充满，就应该在芯片 SE9018 本身具备的特性上进行考量。当电池电量充 满的时候，芯片 SE9018 的 CHRG 端一定会输出高阻态，STDBY 端一定会 输出低电位，根据这一情况可以在CHRG 端上添加一个充电指示灯，在 STDBY 端上添加一个充满指示灯。当电池电量充满的时候，充电指示灯瞬 间熄灭，充满指示灯明显变亮。 指示灯的亮与灭在视觉上极易辨别， 所以此 设计比较精确而且简单。 （4）热限制阶段。在对锂离子电池进行充电时，充电电流会在芯片 SE9018 上产生热量，这些热量使得芯片SE9018 上的温度不断提高。如果 温度提高至 145℃或者达到更高的温度， 芯片 SE9018 就会因为其包含的大 量热量而损坏。但实际情况是芯片SE9018 并不会因为充电时间过长而损 坏， 芯片 SE9018 内部集成的热反馈电路可以在芯片温度过高时主动把电路 中的充电电流减小，降低充电电流在芯片SE9018 上产生的热量，从而使得 芯片 SE9018 的温度变低，让其可以继续正常工作。 2.1.2.充电柜 锂电矿灯充电柜的主要组成部分有AC/DC 电源、箱体以及中位机。其 中锂电矿灯柜还包括许多针对实际应用的设计电路。本次主要设计两种电 路， 其一是针对锂电柜门是否关紧而设计的检测电路， 其二是针对打开锂电 柜门必须要有的密码锁电路。 （1）检测电路 由于锂电矿灯充电柜的柜门总要开闭， 充电位上总要挂载矿灯， 而矿工 在每天繁重的工作中可能在不注意间没有把柜门关紧或是没有把矿灯完全 挂在在充电位上， 此时设计一个挂灯检测电路和一个关门检测电路变得尤为 重要。 考虑到两个电路均为检测电路，那么在电路中肯定要用到检测传感器。 此时如何选到一个属于实用类型的传感器非常关键， 一个好