基于大容量鋰電池后備電源集中供電模式

陳于亮

摘 要：針對煤礦井下“六大系統(tǒng)”供電使用過程中出現(xiàn)的問題進行分析梳理和總結，并結合實際的工程應用提出了煤礦“六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的設計，并對 “六大系統(tǒng)”供電保障系統(tǒng)的預期目標進行了分析，提出一些意見和思路。

關鍵詞：大容量；鋰電池；集中供電

近年來隨著新型動力電池材料的研制成功，磷酸鐵鋰電池以其能量高、電化學性能穩(wěn)定、輸出電流大等優(yōu)點被廣泛用作動力電源。隨著煤炭工業(yè)發(fā)展和礦山裝備技術進步，監(jiān)測通信系統(tǒng)、緊急避險設施、井下運輸車輛等對防爆電源容量的要求越來越高，同時GB3836.2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》中明確禁止“在正常使用時可能釋放電解氣體的電池（如鉛酸蓄電池）”在隔爆外殼內使用，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)趨于選擇、使用比能量高、無記憶效應的磷酸鐵鋰蓄電池。實際應用中，煤礦對大容量串聯(lián)鋰離子蓄電池組的需求也越來越大，單體磷酸鐵鋰蓄電池電壓及容量有限，實際應用中采用大容量磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的方式組成電池組使用。

1 目前煤礦供電現(xiàn)狀

目前煤礦井下的監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、無線通訊、廣播等各類數(shù)字化礦山系統(tǒng)設備分布廣，布置比較分散，供電方式多為就近接入巷道內排水、照明供電系統(tǒng)，可靠性差較差，供電發(fā)生故障后停電時間長，無法保證數(shù)字化礦山系統(tǒng)可靠運行，影響煤礦安全生產(chǎn)；如果數(shù)字礦山系統(tǒng)全部采用雙回路、專用變壓器、專用開關方式供電，可以有效保證供電網(wǎng)絡安全、可靠，但建設費用較高；監(jiān)測監(jiān)控等系統(tǒng)自帶的后備電池容量有限，一般只能滿足2小時后備供電，現(xiàn)場交流斷電一旦超過2小時，則供電中斷，系統(tǒng)將無法正常運行；數(shù)字礦山系統(tǒng)電源不具有電池智能管理功能，后備電源電池長期處于浮充狀態(tài)，會大幅度降低電池使用壽命，必須進行周期性放電操作，以保證電池使用壽命；數(shù)字化礦山相關子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的分散式供電方式，每個系統(tǒng)數(shù)十臺電源，都采用人員工檢查和放電的維護模式，工作量較大，后期運行維護質量難以保障。

2 鋰電池箱工作原理

在電池腔內，交流輸入的AC127V/AC660V經(jīng)過隔離變壓器輸出AC22V，AC220V經(jīng)過電源濾波器、群脈沖抑制器，輸出的AC220V輸入到充電器，充電器輸出DC30V到網(wǎng)關，網(wǎng)關與BMS接口方式為SMBUS，網(wǎng)關具有LCD實時顯示電池信息的功能，網(wǎng)關輸出的非安DC、RS485輸出到電源箱，網(wǎng)關通過8個并聯(lián)的18B20測量8節(jié)電池溫度，BMS通過2個JF6的穿墻端子對電池組進行最大6A電流充電，BMS通過JD12的穿墻端子實現(xiàn)對電池組的均衡充放電。

當存在市電時，DC-DC的供電由充電器提供，DC30V輸出到電源箱，再經(jīng)過本安保護電路，實現(xiàn)3路獨立的12V本安輸出。當市電斷電時，負載設備供電由電池提供，可以實現(xiàn)設備的不間斷供電。

3 基于大容量鋰電池后備電源集中供電模式的特點

穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟的供電：對比分析采用雙回路、專用網(wǎng)絡供電模式，與以現(xiàn)有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式的穩(wěn)定性、可靠性，經(jīng)濟性，研究適合于煤礦井下的數(shù)字化礦山供電模式。

數(shù)字化礦山統(tǒng)一的供電平臺：研究被供電設備的輸入電壓規(guī)格及參數(shù)，研發(fā)出可以廣泛適用于數(shù)字化礦山各種輸入電壓等級的供電設備和系統(tǒng)，實現(xiàn)供電網(wǎng)絡的規(guī)范管理。

故障診斷管理：分析系統(tǒng)和關鍵設備的故障點及故障出現(xiàn)時工作狀態(tài)，研發(fā)出可以實現(xiàn)關鍵技術1+1冗余的設備和系統(tǒng)，實現(xiàn)科學、有效的故障自診斷專家管理系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)故障報警。

智能電池冗余管理：分析井下不同環(huán)境下設備檢修、維護、故障排除時間的大數(shù)據(jù)，科學布置后備電池的電量，研發(fā)適合于煤礦井下的后備電池冗余管理系統(tǒng)，應不僅保證系統(tǒng)不間斷供電，同時有效節(jié)約成本。

智能電池充放電管理：分析本機設備供電適用環(huán)境和被供電設備特點，建立起一套科學的預防式的電池分組充放電管理機制，以實現(xiàn)當需要放電時電池有電可放。

鋰電池的充放電管理：研究鋰電池在不同溫度環(huán)境下的充放電曲線，采用合適算法實現(xiàn)對電池SOC（荷電容量）的準確計算，完善鋰電池保護機制，有效降低電池的后期維護成本。

4 預期目標

該系統(tǒng)和設備解決了分散式供電的諸多問題，無論是系統(tǒng)級、設備級均具有冗余設計，極大提高了被供電設備的可靠性，保證了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的可靠供電。形成了整個數(shù)字化礦山的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直觀展示出礦井各系統(tǒng)被供電設備的實時工作狀態(tài)及運行參數(shù)，實現(xiàn)覆蓋整個井下的無盲點管控。

該系統(tǒng)和設備適用范圍較大，既具有非安DC24V輸出，又具有非安AC127V輸出，同時還具有本安DC18V輸出，可以廣泛覆蓋各種廠家的各類系統(tǒng)及設備。以現(xiàn)有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式，可以形成數(shù)字化礦山穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟的供電網(wǎng)絡，其總體成本不超過100萬；如采用雙回路開關、專用網(wǎng)絡供電模式總成本約300萬，采用智能電源集中供電的模式預期可以節(jié)約資金200萬。

項目完成后實現(xiàn)了對煤礦井下后備電池的統(tǒng)一管理，具有專業(yè)的電池容量診斷功能，為及時更換電池提供技術支撐。

系統(tǒng)和設備具有完善的保護、報警機制，通過電源故障專家診斷系統(tǒng)，方便現(xiàn)場故障定點排查，快速檢修，有效減少了維護人員。以某煤礦為例，該礦的無線通訊、人員定位、廣播、安全監(jiān)控系統(tǒng)，每種系統(tǒng)不少于50臺電源，共計200臺電源，需要6名日常維護人員，項目建成后，只需2名兼職動態(tài)檢修人員即可，人力成本每年節(jié)約100萬元.

項目完成后系統(tǒng)支持對電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠程充放電管理操作，有效延長了后備電池的使用壽命，減少了電池更換的次數(shù)。以某煤礦為例，200臺電源，年可節(jié)約維護電池成本約30萬。

5 應用范圍

可以實現(xiàn)煤礦井下的無線通訊、人員定位、車輛定位、監(jiān)視監(jiān)控（工業(yè)電視）、語音廣播、調度指揮、工業(yè)自動化、安全監(jiān)控等系統(tǒng)數(shù)字化系統(tǒng)的不間斷、可靠供電，可以實現(xiàn)緊急避險系統(tǒng)等要求長時間供電的場合，可實現(xiàn)隔爆PLC、交換機等單機設備供電的不間斷供電。

6 結語

系統(tǒng)完成后，通過智能化電源集中供電系統(tǒng)成功用于煤礦井下，實現(xiàn)了數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)的正常工作，為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護航，該系統(tǒng)具有科學、易管理、易擴展、易維護等特點。

參考文獻

[1] 王曉陽.KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安科技大學學報，2008，28（2）：397-399

[2] 徐磊 周孟然 趙祥 . 煤礦實用本安電源設計[J]. 《煤礦機械》 2012年03期