关键词：锂电池矿灯； 无线电能传输； 无线充电； 本质安全电路

0引言

矿灯是矿工在井下工作的照明工具,其性能的好坏直接影响着井下矿工的工作效率和人身安全。锂电池因具有污染少、应用周期长、无记忆、比容量高、体积小、重量轻等优点，广泛应用于煤矿井下矿灯，正逐步替代传统的铅酸蓄电池。然而，目前的锂电池矿灯都是采用金属触电连接的方式进行充电，由于煤矿井下空气潮湿、混浊、灰尘多、经常充斥瓦斯等易燃、易爆的气体，矿灯在井下充电容易产生接触火花、触点氧化、机构磨损等问题，存在着巨大的安全隐患[1-2]。所以，目前矿灯都是在煤矿井上安全的地方充好电后，再带到井下使用。但矿灯蓄电池存储的电量有限，若在井下工作时间过长，会面临矿灯电量不足,又无地方充电的困境。

无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术是一种借助于电磁场或电磁波实现电能非接触传输的技术,充电系统和用电设备之间无直接的电气连接,从根本上杜绝了充电插头频繁插拔而引起的安全隐患[3-4]，能够实现锂电池矿灯在井下高潮湿、多粉尘、易燃易爆环境下进行充电，极大地提高了矿灯的持久工作能力。无线电能传输方式主要有电磁感应式、电磁共振式、电磁辐射式3种。其中电磁感应式传输距离最短，为厘米级别，但传输效率最高,其原理为电流通过线圈产生磁场，实现近程无线供电[5]。虽然电磁感应式是各类无线电能传输技术在短距离中传输效率最高的，但其传输效率仍远低于传统的直接线路供电技术。因此，本文从矿灯的实际应用需求出发，根据无线电能传输技术的特点及本质安全电路设计原则，设计了一种既可在煤矿井上安全环境下采用传统金属触电连接方式的矿灯充电架进行充电，又可在煤矿井下采用无线电能传输技术进行充电的新型本质安全型锂电池矿灯。

1电磁感应式无线电能传输技术

电磁感应式无线电能传输技术方案是利用2个紧密靠近的变压器线圈，当系统工作时，无线电能发射电路先将发送端电源提供的交流电转换为直流电，后经谐振变换电路将该直流电转换为高频信号，驱动发射线圈，从而在周围空间产生交变的电磁场，使得无线电能接收电路接收线圈的磁通量发生变化,从而产生感应电动势，当接收线圈接上整流滤波稳压电路后，就可为所需电器提供电能[6]。其电路原理如图1所示。

电磁感应式无线电能传输是通过空间交变的电磁场来实现电能的传递，它是一个开放的系统，必然存在着电磁辐射与能量损耗，在近距离时使用，还能达到较高的效率，一般为80%。但随着传输距离的增加，效率快速地递减，通常在距离为1 m处，效率不足1%。该方式一般要求传输电能的距离越短越好[7],并且交变的电磁场可以穿透非金属,却不能穿透金属。根据该特性，无线电能发射电路与接收电路模块间相互接触的外壳要采用具有一定强度和硬度的、具备防爆隔热特性的、厚度较薄的塑料材料，并且它们都必须采用全封闭结构，使其能具有很好的防水、防尘特性。

图1 电磁感应式无线电能传输电路原理
Fig.1 Circuit principle of wireless power transmission with electromagnetic induction

2矿灯总体设计

2.1 矿灯电路系统总体设计

可采用无线充电的锂电池矿灯分为安置在煤矿井下的无线充电器底座和能够采用无线充电的矿灯2个部分。无线充电器底座包含有无线电能发射电路。矿灯部分不仅包含有传统矿灯所拥有的充电插孔与金属触点，以便于采用井上矿灯充电架进行直接充电，还拥有带有接收线圈的无线电能接收电路，以便于矿灯能采用无线充电的方式充电。这2种充电方式通过切换开关切换后经充电控制电路为锂电池充电。矿灯照明仍与目前一般的锂电池矿灯一样，光源采用体积小、光效高、寿命长、节能环保的LED灯组。矿灯部分电路原理如图2所示[8]。

图2 矿灯电路原理
Fig.2 Circuit principle of miner's lamp

根据矿用本质安全电路的设计原则，所设计的无线电能发射、接收电路与充电控制电路均处于低电压、低功率的工作状态，防止电路元件发热引发的热效应点燃煤气等爆炸性气体混合物及电路开关切换产生电火花的现象，同时电路还采取多重保护措施，以进一步强化矿灯本质安全的性能[9]。矿灯LED照明电路等模块采用目前成熟的本质安全型锂电池LED矿灯电路[10-11]，在此不再赘述。

2.2 矿灯结构总体设计

无线充电器底座结构如图3所示。固定卡槽正好可插入矿灯的充电插孔内，紧紧固定LED矿灯。无线充电器外壳的外表面非常平整光滑，易于清洁，不易粘上粉尘，并能保证与矿灯下底面紧密接触；发射线圈紧贴充电器外壳表面的内层，使得发射线圈与无线电能接收线圈的距离最短，提高了无线电能的传输效率。

图3 无线充电器底座结构
Fig.3 Base structure of wireless charger

可无线充电的锂电池矿灯外形与普通矿灯有些相似，但其下底面并非弧形，而是平面结构，光滑平整，以保证矿灯内部的接收线圈与无线充电器的发射线圈的间距最小，其结构如图4所示。充电插孔与金属触点可保证矿灯能在井上传统的矿灯充电架上充电，而在井下进行无线充电时，充电插孔与无线充电器底座的固定卡槽结合，以保证矿灯在井下无线充电时起到固定矿灯的作用。矿灯内部的电能接收线圈应紧贴后下外壳，以保证矿灯在无线充电时矿灯的电能接收线圈能与无线充电器发射线圈的距离最小，并且后下外壳的外底面应保持平整、光滑[8]。矿灯外壳还装有防水、防尘轻触式切换开关K1，使得无线充电矿灯插入井下的无线充电器底座后能按压开关K1，保证无线电能接收电路与充电控制电路连接。

图4 可无线充电的锂电池矿灯底座结构
Fig.4 Base structure of lithium battery miner's lamp using wireless charging way

3无线电能发射、接收电路设计

3.1 无线电能发射电路

由于无线充电器工作在煤矿井下，外壳采用全封闭结构，所以，其内部电路应避免在过大功率的状态下工作，以免元件过热而引发安全事故。无线电能发射电路选用无线供电的小功率发射芯片VOX12MP05设计，该芯片自身功耗小，发射功率最高达10 W，内部有振荡、基准电压、脉宽调制、限幅、低压启动、输出推动和功率输出等电路，使用时外围电路极为简单[12]。所设计的无线电能发射电路如图5所示。

图5 无线电能发射电路
Fig.5 Wireless power transmission circuit

电路中由具有过压保护、过流保护的220/12 V AC-DC本安型电源变换器将220 V转换为12 V的直流电，再由VOX12MP05组成的无线电能发射电路发射电能。电路中R1的计算公式为

R1≈50(Ui-6)

(1)

式中Ui为输入电压。

得到R1值为300 Ω。电感L1、电容C1根据推荐值分别取11 μH、100 nF，其并联谐振频率约为150 kHz。无线电能发射电路的工作电流为400 mA，额定功率为5 W，满足本质安全电路低功率的要求。电感线圈采用0.8 mm的紫铜漆包线绕制，为便于与无线充电矿灯配合，其绕制形状为长方形。C1、C2均采用耐压100 V的CBB电容。

3.2 无线电能接收电路

VOXR10DXX是一款专门为VOX系列发射集成电路设计的配套接收芯片，其不仅可以为接收电路提供一个相对稳定的中心电压，而且能全面解决接收电路在空载状态下电压大幅度升高的问题， 使输出电压基本维持在一个相对稳定的电压范围内。其内部有基准电压、限幅、低压启动、输出推动和功率输出等电路，使得外围电路十分简单，且其输出电流大，接收效率高达80%以上，而自身耗散功率较小[13]，仅为10 mW,消除了元件发热现象，适合在煤矿井下封闭空间安全使用。根据充电矿灯所需充电电压的要求，无线电能接收电路选用VOXR10D5V芯片，其输出电压为5 V，功率为2 W。所设计的无线电能接收电路如图6所示。

图6 无线电能接收电路
Fig.6 Wireless power receiving circuit

这里，接收线圈L2采用0.4 mm的紫铜漆包线绕制，电感值按推荐值取为14.5 μH。为了便于安置，L2绕制形状为长方形。二极管D选用导通压降较低的IN5822。

4充电电路设计

锂电池矿灯采用4.2 V单节锂电池供电。锂电池对充电器的要求比较苛刻，不仅要求充电方式是恒流恒压方式，而且对保护电路的要求也较高，如过压充电易造成电池的损坏，电池电压过低时进行充电需要以较小的电流预充电[14]。所以，充电电路设计选用一款专门为高精度的线性锂电池充电器而设计的集成电路VM7205，它具有高精度预充电、恒定电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示、电池内阻补偿等功能[15]。

4.1 充电电路及其工作原理

矿灯在煤矿井上主要接在矿灯充电架上充电，在煤矿井下则插入无线充电底座由矿灯内的无线电能接收电路充电，充电控制电路的输入直流电压为5 V，基于本质安全电路设计原则，所设计的充电电路的输出功率不宜过大，取值应小于2 W，即输出的最大电压为4.2 V，最大电流为470 mA。所设计的充电电路如图7所示。

在煤矿井上，当矿灯的充电插孔被矿灯充电架上的充电插头插入并且金属触点与充电线负端连接时，该矿灯由矿灯充电架进行充电；而在煤矿井下充电时，矿灯固定在无线充电底座上，开关K1被按下，锂电池充电电路则由无线电能接收电路充电。

图7 锂电池充电电路
Fig.7 Charging circuit for lithium battery

充电电路工作时，VM7205通过BAT引脚检测电池电压，以决定其充电状态(预充电、恒流充电、恒压充电)。当电池电压小于阈值电压Umin(一般为3 V)时，VM7205处于预充电状态；当预充电使电池电压达到Umin后，则进入恒定电流充电的快速充电状态；当电池电压上升到恒定充电电压UREG(一般为4.2 V)后，VM7205进入恒定电压充电状态，在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于阈值ITERM时(ITERM=15 mV/R1)，充电结束[8]，以防止对锂电池过充。Z1为4.3 V的稳压二极管，当充电器输入5.0 V的充电电压时，输入电源通过Z1使三极管Q3饱和导通，P沟道增强型MOS管AO3401的源-栅极之间的电压大于最小阈值电压(2.0 V)，AO3401的源极和漏极导通，充电器对锂电池充电；而当充电器未接入充电电源或输入电源电压过低时，AO3401处于截止状态，以防止锂电池输出电流反向对充电电路放电。锂电池顶部装有符合MT/T395—2007标准的矿灯保护器，其具有短路保护、过流保护、过放电保护、过充电保护等功能，最终使矿灯得到本质安全保证。

4.2 充电电路主要器件参数设计

VM7205充电电路预充电电流IPRE可通过电阻R9进行调整,其计算公式为

(2)

式中UCSPRE为VM7205在预充电时CS1引脚的端电压，其典型值为18 mV。

在预充电阶段，因为锂电池电压较小，若用大电流对其进行充电，则会存在安全隐患。同时，该阶段调整管 Q1上的压降较大，减小电流对降低Q1的功耗也是非常有利的。一般取IPRE为充电电流的10%～15%。

当电池电压达到Umin时，电池将进入恒定电流充电阶段，其充电电流的计算公式为

IREG=

(3)

UCSREG为VM7205充电控制端CS1引脚在恒定充电时的端电压，在电源为5 V时，其典型值为150 mV，由此得到R1为0.32 Ω，若预充电电流取60 mA，R9的计算值为0.34 kΩ。本设计中，R1、R9分别取值为0.33，330 Ω，即恒定充电电流为454 mA。

由于按规定矿灯所用的锂电池必须装有矿灯保护器，使得锂电池存在一定的内阻RPACK，RPACK的存在将使得恒定电压充电的时间变长。为了有效抑制RPACK的影响，VM7205提供了一个电池内阻补偿引脚CS2/LEDT，通过调节其外围电阻R2、R3来抵消RPACK的影响，从而有效地缩短充电时间。R2、R3的关系公式为

=-1

(4)

式中GCOMP为电池补偿系数，典型值为2.8 V。

装有矿灯保护器的锂电池的等效内阻RPACK约为0.10～0.15 Ω。R3、R2取值原则：如果RPACK≤0.405 Ω，则R3≤R2；若RPACK>0.405 Ω，则R3>R2；且将其中较小的一个电阻定在3～5 kΩ之间。本设计中，R3取值为3.3 kΩ，R2取值为15 kΩ。

充电电路调整管选用TO-92封装的PNP晶体管H772，其BVCEO超过-30 V，集电极最大允许电流为3 A，满足设计要求。

5测试分析

为验证所设计矿灯的正确性与合理性，根据上述无线充电矿灯的设计方法制作了多台样机，用于测试分析。

5.1 无线电能发射、接收电路测试

为便于较为精确地测量无线电能发射、接收电路的电能传输效率，无线电能接收电路负载采用固定电阻(11 Ω)。样机的充电矿灯底座与无线充电装置外壳的厚度为5 mm(即为无线电能发射线圈与无线电能接收线圈的距离)，当无线电能发射电路接通12 V电压，其输入电流为257 mA，输出电压为5.01 V，输出电流 为452 mA，无线电能传输效率为73.4%。对多台样机进行测试，效率皆在70%～75%，有着较为满意的电能传输效率。但仍有25%～30%的电能损耗。因此，从节约能源的角度考虑，在煤矿井上最好采用矿灯充电架充电。

5.2 充电过程测试

将一个装有1 400 mA·H锂电池的矿灯样机点亮放电，放电至主光源LED灯熄灭后辅助LED光源又工作一段时间后将矿灯取下，装入无线充电器底座进行无线充电，并在充电期间对锂电池电压进行检测，其充电过程的测试结果见表1，相应的充电曲线如图8所示。

表1 充电过程的电压检测
Table 1 Voltage detection during charging

充电时间/min0153045607590电压/V2．903．033．203．453．784．024．14充电时间/min105120135150165180195电压/V4．184．204．224．204．204．204．20

图8 充电过程的电压曲线
Fig.8 Voltage curve in charging process

从表1，图8可知，所设计的无线电能充电矿灯在整个充电过程中的充电曲线符合锂电池的充电特性[14]，且充电电路的指示灯(Red灯与Green灯)工作正常。

6结语

根据矿灯的架构、无线电能传输原理及矿用本质安全电路的设计原则，设计了既能在煤矿井上矿灯充电架上充电，又能在煤矿井下采用无线方式充电的锂电池矿灯，其结构紧凑，有很好的防水、防尘、防爆特性，符合煤矿安全标准。其电路经测试，无线充电传输效率高，充电过程符合锂电池的充电特性，对无线电能传输技术在煤矿中的推广应用具有积极的促进作用。

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Design of lithium battery miner's lamp using wireless charge

REN Zhishan1,2, HUANG Chunyao1

(1.College of Mechanic and Electronic Engineering, Longyan University, Longyan 364012, China; 2.OREM(Fujian) Optoelectronic Science & Technology Co., Ltd., Longyan 364000, China)

Abstract：In order to solve problems that miner's lamp cannot work for a long time due to limited capacity of its lithium battery and there are hidden dangers for charging in coal mine underground, a new type of lithium battery miner's lamp using wireless charge was designed which can be charged both by lamp-charging rack on ground and by wireless power transmission technology in coal mine underground. In coal mine underground, wireless power transmitting circuit in base of the miner's lamp wireless charger converts electric energy into electromagnetic wave to surrounding space, wireless power receiving circuit of the miner's lamp receives the electromagnetic wave signal through coil and converts it into DC 5 V signal, and then uses special high-precision charging circuit to charge lithium battery of the miner's lamp. The test results show that the miner's lamp has advantages of high conversion efficiency of electric energy, and the charging process is in accordance with charging characteristics of the lithium battery with high safety.

Key words:lithium battery miner's lamp; wireless power transmission; wireless charging; intrinsic safety circuit

文章编号：1671-251X(2017)12-0076-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2017.12.015

中图分类号：TD621

文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-11 11:08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171207.1439.002.html

收稿日期：2017-06-22；

修回日期：2017-09-27；责任编辑张强。

作者简介：任志山(1964-)，男，福建龙岩人，副教授，硕士，研究方向为节能照明电路、智能算法及应用，E-mail:renzhishan@aliyun.com。

引用格式：任志山， 黄春耀.可无线充电的锂电池矿灯设计[J].工矿自动化，2017,43(12)：76-81.

REN Zhishan, HUANG Chunyao. Design of lithium battery miner's lamp using wireless charge[J].Industry and Mine Automation，2017,43(12)：76-81.