矿用电机车高效率充电技术研究

茹瑞鹏

0 引言

矿用电机车是煤矿主要的运输工具之一，在煤矿中具有重要的作用。电机车供电方式主要有两种：架空线供电与蓄电池供电。架空线供电适合低瓦斯浓度的煤矿，对于高瓦斯浓度的煤矿则必须采用蓄电池进行供电。我国的煤矿目前以高瓦斯煤矿为主，所以蓄电池为动力的电机车为主流。

文献[1]研究了多输入等级的矿用电机车充电技术，多个电压等级均可以作为输入电源为电机车充电。文献[2]研究了矿用电机车的无线充电技术，为矿用电机车的充电引入了一种可以选择的方式。文献[3]研究了一种直流斩波充电技术，并给出了一个设计实例。文献[4]研究了一种矿用电机车智能充电技术。但是以上方案均存在着充电效率偏低的问题，很少可以达到90%以上的充电效率，本文研究的矿用电机车充电技术可以实现高效率充电，为矿用电机车的充电技术的发展引入一种新的思路。

1 Buck电路分析

如图1所示为传统的Buck电路电路图[5-6]，其中Ud为直流电源、V1为可控开关、VD1为续流二极管，L为电感，C为电容，R为负载。

当V1处于开通状态时，Ud向负载供电；当V1处于断开状态时，电感L上的电流不能突变，所以电感L继续向负载供电，并经过续流二极管进行续流，直到电感上的电能释放完毕[7]。在此过程中，存在着电感电流断续的情况，那么负载电压与输入电压之间的正比关系不成立，进而导致控制难度增加，不利于电池充电策略的实现，为了解决这个问题，本文提出了一种改进型Buck电路。

图1 Buck电路图

2 改进型Buck电路

图2为改进型Buck电路，如图所示续流二极管被可控开关替代。此电路最大的特点为无论V1的占空比为多少，均可以保证电感L1的电流连续，进而保证负载上的电压与输入直流电源成正比关系，比例便是开关V1的占空比，进而可以使控制策略更为简单。

图2 改进型Buck电路

3 改进型Buck电路换流分析

图3是电感L1上的电流在一个周期内的波形图。下面分阶段分析电流特性。

t0-t1：t0时刻，V1加开通脉冲，V2加关断脉冲，Ud向电容和负载供电，电感电流逐渐增大，最终稳定在某一固定值。电路中的电流流向如图4所示，t1-t2：t1时刻，V1加关断脉冲，V2加开通脉冲，V1关断，直流电源Ud停止向负载和电容供电。电感电流不能突变，其通过V2的体二极管续流，且继续向负载、电容供电，电流逐渐减小。因为体二极管的导通压降给V2施加反压，故V2不能开通。电路中电流流向如图5所示。

图3 电感电流波形图

图4 t0-t1，电路中电流流向图

图5 t1-t2，电路中电流流向

t2-t3：在t2时刻，电感L的能量释放完毕，V2体二极管关断，电容电压给V2施加正向电压，V2导通，V2实现了零电压开通，损耗小。V2导通以后，电流从电容的正极流出，经电感L和V2流向电容负极，同时电容向负载供电。电路中电流流向如图6所示。

图6 t2-t3，电路中电流流向

t3-t4：在t3时刻，V1加开通脉冲，V2加关断脉冲，因为存在死区，V1会首先关断，电感电流通过V1的体二极管续流，V1继续保持关断状态。此时，电容再向电源Ud放电，当电感电流下降到零后，V1导通，电源Ud向电容和负载供电，电感上的电流逐渐增大。可见，V1实现了软开关，其开通损耗小。电路中电流流向如图7所示。

图7 t3-t4，电路中电流流向

综上，用IGBT替换续流二极管，可实现电感电流不断续，且可控开关管均实现软开关，效率得到提高。

4 仿真和实验

为了验证本文结论的正确性，在Matlab/Simu⁃link中搭建了仿真电路，进行了仿真，参数如表格1所示。

表1 Buck电路参数

设定V1的占空比为0.7和0.1，得到如图8所示的仿真波形，从图中可以看出，当占空比为0.7时，输出电压为70 V；当占空比为0.1时，输出电压为10 V，证明了输出电压与输入电压的的比值为占空比的结论。

图8 不同占空比下的输出电压

图9 Buck电路的输出效率测量值

搭建了实验验证平台，验证电路具有较高的效率。使用功率仪同时测量输入端和输出端的功率，并从功率仪中读出效率。如图9所示，（a）图为输入端的功率、（b）图如输出端的效率，两幅图中均显示整个系统的效率，为98.22%。此时，占空比为0.69，可以看出存在一定的偏差，但是在合理范围之内，也验证了输出电压与输入电压的比值为占空比。

5 结论

本文提出了一种基于改进型Buck电路的矿用电机车充电装置，可以实现电机车高效率充电，且输出电压与输入电压的成正比，进而使得控制较为简单，在此基础之上可以实现电机车的恒流恒压充电策略、间歇充电策略等多种充电策略，且可以保持高效率。

参考文献：

［1］刘锋，王庆亮，荐波涛.多输入电压等级矿用锂电池电机车充电技术研究［J］.煤矿现代化，2015（01）：56-58.

［2］时剑文，邱利军，孙珂.矿用电机车无线充电系统松耦合变压器研究［J］.工矿自动化，2017（02）：61-66.

［3］郭俊，曹以龙.新型矿用电机车蓄电池充电装置［J］.煤矿机电，2007（01）：63-65.

［4］刘峻，张伟.矿用蓄电池电机车直流斩波充电装置的研究［J］.煤矿设计，1998（03）：15-18.

［5］王金平，许建平，徐杨军.恒定导通时间控制buck变换器多开关周期振荡现象分析［J］.物理学报，2011（05）：783-789.

［6］刘树林，刘健，寇蕾，等.Buck DC/DC变换器的输出纹波电压分析及其应用［J］.电工技术学报，2007（02）：91-97.

［7］陈泽洁，辛蒙娟，闫姚针，等.双向DC/DC变换器的设计与仿真研究［J］.机电工程技术，2017（03）：1-5.