礦用救生艙鋰離子蓄電池后備電源系統(tǒng)研制

鄒海曙 楊繼承 沈小進(jìn) 陳偉 曹長云

江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司, 江蘇 泰州 225300

引言

我國作為能源消費(fèi)大國，煤炭在我國能源生產(chǎn)的大格局中占有絕對的比重，達(dá)到近70%，但每年都發(fā)生礦難造成人員傷亡，在以人為本理念成為世界發(fā)展潮流的大環(huán)境下，積極開展礦山安全保障技術(shù)的研究與開發(fā)，不僅是我國實現(xiàn)中國夢強(qiáng)國夢的必然要求，更是遭受礦井災(zāi)害威脅的煤礦工人的迫切愿望?；诖藝鴦?wù)院于2010年7月19日頒布了《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》（國發(fā)〔2010〕23號），明確規(guī)定煤礦企業(yè)應(yīng)在2013年建設(shè)安裝完成井下安全避險“六大系統(tǒng)”即：監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、緊急避險系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)。隨后安監(jiān)總局和煤礦安監(jiān)局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于建設(shè)完善煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知》（安監(jiān)總煤裝〔2010〕146號），對建設(shè)完善安全避險“六大系統(tǒng)”做出了進(jìn)一步規(guī)定。礦用救生艙屬緊急避險系統(tǒng)，而礦用救生艙鋰離子蓄電池后備電源系統(tǒng)是救生艙的重要部件。因此，礦用救生艙鋰離子蓄電池后備電源系統(tǒng)項目的開展，迎合緊急避險系統(tǒng)市場的需求。能夠促進(jìn)緊急避險系統(tǒng)市場的發(fā)展，符合國家煤礦安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

礦用救生艙鋰離子電池后備電源系統(tǒng)是能量存儲、轉(zhuǎn)換裝置，為救生艙安全監(jiān)控、人員管理、通訊等系統(tǒng)提供24VDC電源，當(dāng)有127VAC交流電時，由充電器和鋰離子蓄電池組提供24VDC電源，無127VAC交流電時，由鋰離子蓄電池組提供24VDC電源。

礦用救生艙鋰離子蓄電池后備電源系統(tǒng)由隔爆外殼、鋰離子蓄電池組、電池管理系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隔爆外殼采用三腔結(jié)構(gòu)，分別是電池腔、控制腔、接線腔，各腔之間互相密封隔爆，電氣連接通過過腔接線端子實現(xiàn)。

鋰離子蓄電池組采用8只能量密度高、安全性能高的3.2V/60Ah磷酸鐵鋰蓄電池組成24V/60Ah電池組。電池管理系統(tǒng)由控制板、顯示板、充電器組成，實現(xiàn)后備電源系統(tǒng)的智能化工作。

電池管理系統(tǒng)通過檢測單體電池與熱、電相關(guān)數(shù)據(jù)，對電池組進(jìn)行充放電管理。當(dāng)電池充滿后，自動切斷充電回路，進(jìn)入后備狀態(tài)。當(dāng)電池電壓低于充電門限后，自動接通充電回路，對電池充電。當(dāng)發(fā)生過電壓、欠電壓、過電流、超溫及通信等故障時，管理系統(tǒng)根據(jù)故障類別做相應(yīng)處理，并通過LED燈、LCD顯示。

2 鋰離子蓄電池組設(shè)計

鋰離子蓄電池組主要由電池、連接件、極柱端子等組成。主要考慮幾個方面。

通風(fēng)散熱：主要考慮模塊結(jié)構(gòu)的自散熱和均溫設(shè)計，各單體電池間設(shè)計有風(fēng)道。

電池連接/跨接方式：采用跨接片硬連接方式，滿足較大的工作電流，降低串聯(lián)電池組的電阻，操作方便，防起弧。

電和熱安全隔離：設(shè)計上電池之間留有足夠的爬電距離，起到散熱和絕緣作用。

機(jī)械性能安全裕度和組裝：考慮模塊中單體電池的防竄動偏移和防止箱體碰撞造成的破損。模塊的組合和定位設(shè)計上采用框架格柵的定位和固定方法，防位移和防上竄。

可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計：采用標(biāo)準(zhǔn)模塊組合方式，在應(yīng)用上根據(jù)實際應(yīng)用需求，標(biāo)準(zhǔn)模塊可以通過不同方式的組合形成不同的容量和電壓的組合模塊，簡化生產(chǎn)工藝降低電池開發(fā)成本。

3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

礦用后備電源系統(tǒng)的安全性是電池管理系統(tǒng)設(shè)計首先要考慮的因素，保障單體電池在礦用條件下長期安全使用相當(dāng)重要，通過研究電池在礦用條件下的電池特性，建立軟、硬件雙重保護(hù)及保護(hù)失效檢測功能，并且通過LCD顯示、LED燈、RS485通訊進(jìn)行多重報警，實現(xiàn)可靠、完備的保護(hù)策略，提高可靠性、安全性。

選擇滿足礦用要求的電壓、電流、溫度采集電路是電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其中鋰離子蓄電池組單體電池電壓的檢測比較困難，選用專用檢測集成電路，不僅使電路設(shè)計變得簡單，更重要的是保證檢測精度，提高可靠性。經(jīng)過實測，采集誤差≤0.15%，滿足《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》單體電池電壓值≤0.5%的要求。

單體電池組裝成電池組之后，其循環(huán)使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其電池單體使用壽命，是電池在儲能和動力領(lǐng)域推廣的難題。究其根本，原因在于電池間的一致性差異造成的短板效應(yīng)。主要的一致性差異體現(xiàn)在三個方面。

1）各不同電池單體間的容量差、內(nèi)阻差等差異，一般由于電池的生產(chǎn)工藝偏差造成。

2）各個不同電池單體各項指標(biāo)的衰減差異。

3）電池成組后使用環(huán)境的溫度差異，極化電壓差異等。

均衡技術(shù)能夠改變不同電池間充放電的電流或充放累計能量，是解決電池成組一致性差異的關(guān)鍵性技術(shù)，能夠防止電池出現(xiàn)一致性差異，在電池成組的使用壽命指標(biāo)上有決定性的作用。目前均衡技術(shù)主要分被動均衡（Passive Balancing）和主動均衡（Active Balancing）兩種，被動均衡技術(shù)，電路簡單，使用元器件少成本低，可靠性高，但均衡電流小，有能量損失。主動均衡技術(shù)，電路復(fù)雜，使用元器件多成本高，可靠性低，但均衡電流大，能量損失小?？紤]礦用電源的安全要求，選用可靠性高的被動均衡技術(shù)對成組電池進(jìn)行均衡。其工作原理為：當(dāng)單體電池電壓及電壓差達(dá)到設(shè)定的門限值時，電壓高的電池CELL1對應(yīng)的MOSFET管T1導(dǎo)通，通過電阻R1分流部分充電電流，達(dá)到均衡目的。

圖2 被動均衡電路示意圖

均衡容量與均衡時間和均衡電流有如下關(guān)系：

C=IR1*t

其中：IR1=VCELL1/R1

C為均衡容量，I R 1為均衡電流，t為均衡時間，VCELL1 為單體電壓值， R1 為放電電阻。

4 隔爆外殼選擇

礦用隔爆外殼采用三腔結(jié)構(gòu)，由于國家對礦用產(chǎn)品安全的特殊要求，要選擇有生產(chǎn)資質(zhì)廠家的隔爆外殼產(chǎn)品。

5 結(jié)語

本項目緊跟礦用救生后備電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，研制了一種以結(jié)構(gòu)、熱管理、電管理于一體的集成化的礦用救生艙鋰離子蓄電池后備電源系統(tǒng)產(chǎn)品，技術(shù)先進(jìn)，安全可靠，用戶使用滿意，已形成批量生產(chǎn)、供貨及服務(wù)保障能力。

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