节能型免维护铅酸电池矿灯研究报告.docx
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节能型免维护铅酸电池矿灯研究报告
节能型免维护铅酸电池矿灯研究报告
目录
1概述1
1.1矿灯行业的发展现状1
1.2矿灯的类型2
1.3现阶段矿灯存在的不足3
1.4问题的提出4
2节能型免维护铅酸电池矿灯研制5
2.1课题来源和要求5
2.2研制方案提出5
2.3研制方案的比较及确定6
2.4节能型免维护铅酸电池矿灯的结构6
2.5节能型免维护铅酸电池矿灯的特点7
2.5.1阀控式密封免维护铅酸蓄电池8
2.5.2光源（灯头）的本安型设计11
2.5.3控制电路12
2.6主要技术参数15
2.7使用范围和环境条件15
3工业性试验16
4应用及效果分析17
5技术创新点19
6综合效益分析20
6.1社会效益20
6.2经济效益20
7结论22
节能型免维护铅酸电池矿灯的
研制与应用
1概述
1.1矿灯行业的发展现状
我国矿灯行业从六十年代开始，由当时的上海煤研所和上海矿灯厂、抚顺矿灯厂联合研制8型矿灯进行起，至今已近五十年，经过几代研发人员的努力，对产品进行了不断改进和创新。
回顾矿灯行业的发展史，大致经历了三个阶段：
六十年代初到七十年代末，是国产矿灯的起步和发展阶段，我国矿灯产品从无到有逐步发展壮大，结束了矿灯依赖国外进口的历史，主要生产KS8型及KS7型矿灯。
八十年代至九十年代，是矿灯的全塑化发展时期和灯头的双光源结构开发期。
在这期间开发的全塑KS8（A）型单丝矿灯，其重量轻，结构简单，携带方便，受到广大煤矿职工的欢迎，得到了较大的推广。
而双灯丝矿灯，由于增加了灯头的维护难度，加上价格因素的制约，并未形成气候。
九十年代后期至今，是矿灯的免维护化和矿灯的小型化及电源的多样化发展阶段。
在矿灯电池的免维护化，电源的小型化、多样化方面进行了探索和试验，已取得一定成果，形成了镍氢矿灯、锂电矿灯等多种规格的系列产品。
由于受到煤矿特定使用环境的制约，镍氢矿灯、锂电矿灯虽然显示出了自身的优越性，但在安全性、可靠性方面还未完全达到煤矿井下的要求。
在国外，如美国、英国等国家，煤矿井下仍使用铅酸蓄电池矿灯。
在光源方面，美国、英国等国家采用双灯丝结构；德国、俄罗斯采用双灯丝或双灯泡的结构。
根据国外发展情况和我国煤矿实际预测，矿灯以免维护蓄电池为电源，以LED为光源的技术方案，应为国内煤矿井下使用的矿灯产品近期发展趋势。
1.2矿灯的类型
现阶段煤矿使用的矿灯大至分为三类：
铅酸电池矿灯、镍氢电池矿灯、锂电池矿灯。
普通铅酸矿灯的蓄电池极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。
它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短、日常维护频繁。
镍氢矿灯的镍氢电池是以镍镉电池技术为原型改进的，镉电极被储氢合金取代，应用在镍氢电池上。
它的缺点是严重过放电、长期存放不用，电池自放电过大内部正负电极易造成短路。
锂电矿灯的锂电池大致为三类：
一是钴酸锂电池；二是锰酸锂电池；三是聚合物锂电池。
这三种电池都不同程度地存在着过充或过放所产生的爆炸问题，而钴酸锂电池因活性最高、体积小，安全性能最差。
随着科学技术的不断发展，新材料新技术取代传统材料和传统技术已成为必然趋势。
我公司研制的节能型铅酸免维护矿灯，在结构上进行了彻底的改造，电池电解液消耗量非常小，在使用寿命内不需补充蒸馏水，耐震、耐高温、体积小、自放电小，使用寿命可达普通蓄电池的两倍。
1.3现阶段矿灯存在的不足
矿灯是矿工的眼睛，是其煤矿安全和生产的保障。
根据现代化矿井发展的需要，利用新科技成果，开发新型矿灯是实现煤矿本质安全的必然要求。
矿灯的安全性和质量可靠性与煤矿安全生产息息相关。
随着煤矿本质安全建设的不断深化，对矿灯也提出了更高的要求。
矿灯的安全性、可靠性和便携性是每个煤矿职工的不懈追求。
以镍氢电池、锂离子电池作为矿灯电源，实现了矿灯的便携性。
但是，镍氢电池的记忆效应，也造成了使用上的不便，常常引起电池提前失效，一旦发生过充电以后，就会形成单体电池隔板熔化的问题，导致整组电池迅速失效。
如反极充电会造成电池内压升高，激活安全阀，使电池泄漏，甚至破裂。
长期储存也会加速电池自放电和活性物质钝华。
锂电池因热冲击安全性能不稳定，发生过锂电矿灯在井上充电爆炸、井下放电起火的案例。
2006年8月，美国召回180万个苹果电脑，戴尔召回410万个笔记本电脑，都因锂电池充电时过热、有爆炸危险。
目前，世界各国的煤矿井下很少有使用锂电池矿灯。
我国在贯彻CB7957-2003《矿灯通用安全要求》标准时，将新型矿灯理解为锂电矿灯是不科学的。
按照煤矿本质安全的要求，新型矿灯应该是安全性、节能性和可靠性更符合煤矿安全生产要求的矿灯。
1.4问题的提出
针对以上存在的问题，我们设计一种符合煤矿本质安全要求，且重量轻、体积小、安全可靠的节能型免维护铅酸电池矿灯。
2节能型免维护铅酸电池矿灯研制
2.1课题来源和要求
开发节能型免维护矿灯是根据国内煤矿安全现状而提出来的。
近年来，我国煤矿使用的锂电池矿灯、镍氢电池矿灯时有爆炸案例发生，这对煤矿安全生产和职工的生命健康构成了威胁。
美国MSHA矿灯认证机构认为：
设计不当的矿灯有两个主要爆炸隐患，一是灯泡击碎引起爆炸；二是电池引起的爆炸。
新型节能型免维护矿灯按国际电工委员会IEC62013-1-2005《对甲烷敏感的矿用头灯.第1部分:
通用要求.爆炸风险的推定和检验》的标准要求进行设计，它的开发将解决我国煤矿移动照明设备的本质安全问题。
2.2研制方案提出
方案一、设计由普通铅酸蓄电池为电源，LED为发光源技术方案。
虽然电压稳定、价格便宜，但普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液，易出现漏液现象，比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短、日常维护频繁。
方案二、设计由阀控免维护铅酸蓄电池为电源，LED为发光源，采用节能型光源驱动电路的技术方案。
免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内不需补充蒸馏水。
它还具有安全可靠、密封、耐震、耐高温、体积小、自放电小、免维护、无腐蚀污染等特点。
比较上述二种方案可看出：
利用普通铅酸电池为光源，配LED光源技术，未解决电池漏液现象、同时比能低、使用寿命短、日常维护频繁。
而采用阀控免维护铅酸蓄电池为光源，灯头采用LED光源技术，矿灯不但安全可靠、自放电小、体积小、维护工作量小，且节省能耗。
因此，以阀控免维护铅酸蓄电池为电源，采用防爆安全性较高、节能的LED光源技术，无论在结构，还是在安全性能、节能方面都优于普通铅酸电池矿灯。
2.3研制方案的比较及确定
为了解决矿灯失爆问题，在比较现有各类矿灯的基础上，经过反复比较试验，最终确定以安全可靠、节能环保和维护量小为综合指标，优选方案二为研制开发新一代矿灯的方案。
2.4节能型免维护铅酸电池矿灯的结构
节能型铅酸电池免维护矿灯是一种便携式移动照明设备，由灯头、电源和控制保护电路组成。
灯头内设有主辅两个光源和光源驱动电路；电源包括阀控式铅酸蓄电池和电源管理器。
见如下图1。
图1节能型免维护铅酸电池矿灯结构及组成
1-电缆2-电池槽盖3-电池槽4-电池管理器5-安全阀6-灯面玻璃
7-光源管理器8-灯头盖9-光源10-反射器11-灯头壳
2.5节能型免维护铅酸电池矿灯的特点
节能型免维护铅酸电池矿灯采用的免维护密闭铅酸蓄电池，具有全密闭、免维护、体积小、重量轻、不漏液、寿命长、放电平稳、无气体析出等特点，提高了矿灯的防爆性能，确保了矿灯的本质安全。
该电池采用先进的工艺技术进行整体优化设计，使电池使用寿命可达500次。
灯头光源采用节能的LED冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，在寿命期内不需更换光源，节电效果明显，是公认的环保节能型光源。
2.5.1阀控式密封免维护铅酸蓄电池
采用专用阀控式密封免维护铅酸蓄电池（简称VRLA电池）作为电源，其安全性、可靠性优于其它类型的蓄电池，其寿命周期内不需要补充电解液，降低了矿灯的维护费用和补充电费用，同时充电时没有酸雾，对人体和设备不构成危害和损害，是矿灯的首选电源。
a）VRLA电池的材料
VRLA电池所用的材料没有产生火花与明火引发瓦斯气体爆炸的因素。
VRLA电池的主要材料是：
①铅及它的化合物PbO，PbO2PbSO4这些无机材料在常温下冲击，摩擦都不产生火花，更不会产生明火。
在高温（300℃～1200℃）不会燃烧。
②隔板用材料是纯度高的超细玻璃纤维组成的，它的主要化学成分是SiO2，还有K，Na，Ca,Mg，Ai，Zn元素的氧化物，在冲击摩擦时，都不产生火花或明火，它的熔点在550℃左右。
③电解液是稀H2SO4，占重量的35%左右。
它虽有腐蚀性，但没有产生火花或明火的因素，使用时完全密封在电池槽内。
④电池槽护盖塑料件材料是ABS树脂，它是高强度的绝缘材料，击穿电压12KV～16KV/mm，阻燃性能达到UL94V-0，表面电阻﹥10.14Ω，抗拉强度633kg/cm2，抗弯强度749kg/cm2。
此外，矿灯整体方案都按本质安全要求进行设计。
b）VRLA电池安全阀
电池设有安全阀，其作用是电池内压力大于60Kpa时，将电池内的气体排出，低于22Kpa时关闭。
保证了VRLA电池的安全性与可靠性。
c）VRLA电池主要特性
①安全密封：
在使用过程中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。
②没有自由酸：
特殊的吸液隔板将酸保持在其内部，电池内没有自由酸液。
③泄气系统：
电池内压超出正常水平后，VRLA电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。
④维护简单：
由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用VRLA电池的过程中不需要加水。
⑤使用寿命长：
采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板VRLA电池可浮充使用10～15年。
⑥质量稳定，可靠性高：
采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，VRLA电池的质量稳定，性能可靠。
电压、容量和密封在线进行100%检验。
d）VRLA电池结构
在电池中，一部分数量的电解液被吸收在极片和隔板中，以此增加负极吸氧能力，阻止电解液损耗，使电池能够实现密封。
组件
材料
作用
正极
正极为铅-锑-钙合金栏板，内含氧化铅为活性物质
保证足够的容量
长时间使用中保持蓄电池容量，减小自放电
负极
负极为铅-锑-钙合金栏板，内含海绵状纤维活性物质
保证足够的容量
长时间使用中保持蓄电池容量，减小自放电
隔板
先进的多微孔AGM隔板保持电解液，防止正极裕负极短路。
隔板采用无纺超细玻璃纤维，在硫酸中化学性能稳定。
多孔结构有助于保持活性物质反应所需的电解液
防止正负极短路
保持电解液
防止活性物质从电极表面脱落
电解液
在电池的电化学反应中，硫酸作为电解液传导离子
使电子能在电池正负极活性物质间转移
外壳和盖
在没有特别说明下，外壳和盖子为ABS树脂
提供电池正负极组合栏板放置的空间
具有足够的机械强度可承受电池内部压力
安全阀
材质为具有优质耐酸和抗老化的合成橡胶。
帽状阀中有氯丁二烯橡胶制成的单通道排气阀
电池内压高于正常压力时释放气体，保持压力正常
阻止氧气进入
端子
根据电池的不同，正负极端子可为连接片、棒状、螺柱或引出线。
端子的密封为可靠的粘结剂密封。
密封件的颜色：
红色为正极，黑色为负极
密封端子有助于大电流放电和长的使用寿命
2.5.2光源（灯头）的本安型设计
LED早期被用来作为指示灯光源，现今LED应用则相当广泛。
LED照明技术用在矿灯上，获得老式矿灯相同的照度，其所耗能量仅为白炽灯泡的1/8。
其不漏气、不漏电的特性，可达50000h的使用寿命，对矿灯来说是最佳的选择。
它为多年困扰我们的矿灯灯泡寿命短（标准规定>150h）的问题。
GB7957-2003《矿灯通用安全要求》标准的执行，使用LED替代白炽灯泡成为了矿灯的新技术。
LED发光效能高，发出的热量少，因而省电；LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达80%～90%，不像荧光灯那样耗能高，且产生有毒气体；LED属于全固体冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，实验结果表明，在相同照明效果下LED比荧光灯管节能60%，节电效果明显。
LED眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质（荧光灯易挥发汞蒸汽），光谱中几乎没有紫外线和红外线，利于减缓被照物老化速度，是绿色环保无污染光源。
LED光源技术最主要的优点是较高的防爆安全性。
LED光源工作时温度只有65度，光源器件采用完全封闭的封装，因此彻底消除了使用白炽灯泡可能引燃易爆气体的危险。
LED光源输入端采用恒流驱动装置，使LED工作电流不随电池端电压的变化而变化，从点灯开始到点灯11小时的照度基本保持不变。
综上所述，节能型铅酸免维护矿灯选用新型矿灯专用LED光源，设计专门的配光系统，不仅发光效率高，而且节能效果好。
2.5.3控制电路
该矿灯控制电路采用串联双保护电路，短路保护电流为≤1.5A，短路时间在≤15ms内安全地切断电源，电路板根据本质安全的要求，设计爬电的履铜皮间距、元器件引脚与履铜皮的间距，保证电路工作的绝对安全。
a）控制电路功能
该电路采用先进的高效率、高稳定性、高集成的高频开关电源控制IC，PWM调制输出，性能稳定，温升低，采用高精度的恒流恒压控制电路，通过不同的程序可以对铅酸电池充电，具有充电恒流、过充停止等多种保护功能，最大限度延长电池寿命，有效的提高电池安全性。
同时采用低内阻专用开关控制器对充电部分进行连接，当矿灯离开充电器（即充电器断电或从充电架上取下）充电控制部分会自动脱离电池，最大限度的增加产品的安全系数（此时充电电路不带电），减少电池的损耗。
b）控制电路特点
灯头内设有充放电管理板，有效地保证了电池的充放电。
充放电管理板具有以下特点：
①充电架的电压范围宽，该管理板可使用电压在5.0～6.5的矿灯充电架。
②当电池电压到4.8V～4.9V时，矿灯进入脉冲充电状态。
③LED主光源放电电流控制在155～160mA的最佳工作电流内。
④具有充电保护、欠压保护和放电限流的功能，保证正常充放电，延长了矿灯的使用寿命。
c）技术参数
序号
项目
单位
参数
1
输入电压
V
DC4.5～15
2
输入功率
VA
5
3
恒压充电电压
V
4.2
4
恒流充电电流
mA
750
d）产品外形
产品外形如下图2：
图2灯头控制电路
e）安装事项
输入端正极接在焊盘IN+，（直接螺丝固定），输入端负极接在IN-：
2.6主要技术参数
序号
项目
单位
参数
1
额定电压
V
4
2
额定容量
Ah
3
3
点灯时间
h
≥15
4
LED
主光源
额定电压
V
4
额定电流
A
0.18
辅光源
额定电流
A
0.06
5
（主光源）
最大照度
（距1m处）
点灯开始
Lx
≥1900
点灯11h
Lx
≥1600
点灯15h
Lx
≥1100
6
蓄电池寿命
次
500
7
全灯重量
Kg
≤0.75
8
析气量
ml/Ah
≤7.5
9
外形尺寸（长×宽×高）
mm
91×41×120
2.7使用范围和环境条件
节能型铅酸免维护矿灯为便携式照明工具，主要适用于煤矿井下照明，也可以用于矿山等需要移动的照明场所。
可以用于有甲烷、瓦斯等爆炸性气体的矿井，环境温度-10℃～50℃。
3工业性试验
节能型免维护铅酸电池矿灯，从2009年3月开始在XX等单位进行了工业性试验，共使用矿灯510盏，达到了设计目标。
使用单位将免维护铅酸电池矿灯与镍氢矿灯进行了对比测试，铅酸电池矿灯充电耗电量为0.038千瓦时，镍氢矿灯充电耗电量为0.048千瓦时。
在试验的5个月，共进行了110个班次计算：
与镍氢矿灯相比可节约用电560千瓦时，按每度电0.88元，共节约电费0.049万元。
矿灯体积小，点灯时间长，光线较亮，符合煤矿生产要求，并有如下特点：
a）、节能环保：
采用阀控铅酸电池，不需要补充电解液，降低了矿灯的维护和使用费用，充电时没有酸雾产生。
b）、保护功能全：
矿灯电池内设有安全阀，保证了电池的安全性与可靠性。
灯头装有过充电、过放电、短路保护装置，保证了安全使用。
c）、光照度强：
主光源选用LED为冷光源，使点灯开始和点灯11小时后的照度基本保持不变，可达1000LX。
d）、双光源设计：
灯头内装有两个LED光源及驱动电路，主光源损坏时，辅助光源能继续照明。
e）、使用方便：
灯头内设置采用恒流恒压充电模式的充电控制器，可直接装在各类矿灯充电架上充电。
4应用及效果分析
节能型免维护铅酸电池矿灯、镍氢矿灯、锂电矿灯点灯时间与照度对比。
KS3、KJ6、KL4、KL6矿灯点灯时间与照度对比表
型号
KS3
KJ6
KL4
KL6
放电前电压（V）
4.34
4.27
4.13
4.13
点灯开始时照度（LX）
2180
1470
2480
3200
点灯16h
电压（V）
3.82
3.74
3.93
3.90
照度（LX）
2100
1440
2240
2900
点灯18h
电压（V）
3.65
3.7
3.92
3.88
照度（LX）
2080
1400
2220
2890
点灯21h
电压（V）
3.42
3.6
3.88
3.85
照度（LX）
740
1340
2170
2800
点灯23h
电压（V）
3.41
3.41
3.86
3.83
照度（LX）
440
1230
1980
2750
点灯24h
电压（V）
3.0
3.85
3.81
照度（LX）
570
1790
2660
KS、KJ、KL三种类型的矿灯主光源均为LED（冷光源），采用的电源分别为阀控式密封免维护铅酸蓄电池（VRLA）两个单体，金属氢化物镍电池（Ni/MH、三个单体）和锂离子电池（一个单体）。
从上述试验数据来看，均符合标准规定。
之所以要延长点灯时间和加大灯的照度，这是根据煤矿实际出发和要求设计的。
而KS3型矿灯与KJ6（或KL6）型矿灯相比：
KS3型矿灯的放电电流仅为155～160mA，而KJ6型灯的放电电流为250～300mA；KS3型矿灯光的利用率高，在有效工作时间（18小时）内的照度高于KJ6型矿灯；因此，KS3型矿灯的充电电流小、充电时间短，耗能少，综合性能优越于另外两种矿灯。
5技术创新点
本课题从煤矿生产安全性和可靠性的角度考虑，采用阀控式密封铅酸免维护电池与具有双串联控制电路的LED光源组合的矿灯，具有安全、节能、环保的特点，属于本质安全型产品。
它用于煤矿井下照明，各项指标完全符合《煤矿安全规程》和国家标准及行业的相关标准，其技术创新点有以下方面：
①本质安全设计。
采用专用阀控式免维护铅酸蓄电池为电源，电池内设有安全阀，电池不需注液的全密封结构，完全克服了锂电池或镍氢电池矿灯在充放电时可能发生的爆炸问题，其安全性、可靠性优于其它类型的电池。
②采用双保护电路设计。
灯头内设有充放电管理器，节能型控制电路采用串联双保护电路，短路保护电流为≤1.5A，短路时间在≤15ms内安全地切断电源，具有充电保护、欠压保护和放电限流的功能，全固体冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，节电效果明显。
③具有安全可靠和节能环保的综合效果。
阀控电池采用全封闭结构，使用时不需补充电解液，充电时设有酸雾，避免了环境污染。
设计了全新的双保护电路，使用3Ah的电池，达到6Ah容量电池照明的效果，并克服了以往铅酸电池体积大的缺点，节能和环保的效果明显。
6综合效益分析
6.1社会效益
节能型免维护铅酸电池矿灯以阀控式密封铅酸蓄电池为电源，电池设有安全阀，灯头内设有充放电管理板，有效地保证了电池的良好使用工况，延长了矿灯的使用寿命。
采用该技术生产的矿灯，价格低于镍氢和锂电池矿灯，并且从根本上解决了锂电和镍氢电池使用过程中易发生爆炸的问题，属于本质安全型技术，其安全性和可靠性优于其他类型矿灯，社会效益明显。
6.2经济效益
①节能方面
KS3型矿灯与KJ6和KL6型矿灯相比：
KS3型矿灯放电电流小，仅为160mA，充电时间短，因此耗能少；配光系统科学，光的利用率高，工作18小时的照度高。
KJ6和KL6型矿灯的放电电流为250～300mA，耗能较多；工作18小时的照度一般为600～800Lx，光效较低。
经试验测算，节能型免维护铅酸电池矿灯容量为3.0Ah，充电耗电量平均为0.038千瓦时；镍氢矿灯容量为6.0Ah，充电耗电量平均为0.048千瓦时；锂电矿灯容量为4.0Ah，充电耗电量为0.069千瓦时。
以目前集团公司使用3.4万盏矿灯，全年250个班次计算：
与镍氢矿灯相比可节约用电约90000千瓦时，按每度电0.88元，节约电费用为7.92万元。
与锂电矿灯相比可节约用电279000千瓦时，按每度电0.88元，节约电费为24.55万元。
②购置费用方面
节能型免维护铅酸电池矿灯价格160元/盏左右，目前镍氢电池矿灯市场价格202元/盏，锂电池矿灯市场价165～180元/盏左右，使用本课题技术生产的矿灯可比使用镍氢电池矿灯减少购置费用（202元/盏-160元/盏）×3.4万盏=151.2万元；比锂电矿灯可减少购置费用[（165～180元/盏-160元/盏）]×3.4万盏=17～68万元；可见如全部使用节能型免维护铅酸电池矿灯，按市场价格测算，采购费用下降明显。
7结论
①节能型免维护铅酸电池矿灯采用阀控式密封铅酸蓄电池，LED固体冷光源，结构坚固，其安全性和可靠性优于其他类型矿灯，是本质安全型技术。
②采用节能型控制电路采用串联双保护电路，灯头内设有充放电管理器，工作电压低，耗能少，符合国家节能政策，具有更好的安全性和较好的节能效果。
③具有环保效果。
阀控电池采用全封闭结构，使用时不需补充电解液，充电时设有酸雾，
④节能型铅酸免维护矿灯照度、寿命、价格等方面有整体的综合优势，具有推广应用价值。
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