煤礦救援機(jī)器人電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫凡

(1.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院,遼寧沈陽　110016;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧撫順　113122)

煤礦救援機(jī)器人電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫凡1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院,遼寧沈陽110016;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧撫順113122)

研制基于鋰離子蓄電池的煤礦井下救援機(jī)器人電源系統(tǒng)是提高機(jī)器人作業(yè)時(shí)間的重要手段。根據(jù)救援機(jī)器人的應(yīng)用特性,設(shè)計(jì)井上充電系統(tǒng)與井下供電系統(tǒng)相結(jié)合的電源系統(tǒng),對(duì)今后煤礦救援機(jī)器人在井下的應(yīng)用具有重大意義。

煤礦救援機(jī)器人電源系統(tǒng)鋰離子蓄電池充電控制放電控制

我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，由于作業(yè)設(shè)備和工藝相對(duì)落后，導(dǎo)致各類礦難事故頻繁發(fā)生。煤礦救援機(jī)器人可以在發(fā)生礦難但救援人員無法進(jìn)入的緊急情況下，第一時(shí)間進(jìn)入高危區(qū)域、探明災(zāi)區(qū)情況、尋找遇險(xiǎn)人員，為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供決策支持，增加被困人員生還幾率，減少救援人員傷亡，是安全生產(chǎn)的迫切需要。

電源系統(tǒng)作為煤礦救援機(jī)器人重要組成部分，卻一直無法解決其作業(yè)時(shí)間短，續(xù)航里程低的問題，從而制約了煤礦救援機(jī)器人的發(fā)展。鋰離子蓄電池由于具有重量輕、儲(chǔ)能大、功率大、壽命長(zhǎng)、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍寬泛、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為礦用電源使用。

1　技術(shù)方案概述

鑒于礦用救援機(jī)器人的使用特性，其電源系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn):體積小，重量輕(能量比高)，可實(shí)現(xiàn)井下快速更換。

因此，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成井上充電系統(tǒng)及井下供電系統(tǒng)兩部分。井下供電系統(tǒng)由防爆電源箱及放置在電源箱內(nèi)的電池組及放電控制系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)為救援機(jī)器人提供電力，并進(jìn)行放電管理，可以實(shí)現(xiàn)井下快速更換;井上充電系統(tǒng)由充電機(jī)及充電控制系統(tǒng)組成，當(dāng)更換完的電源箱運(yùn)至井上后，負(fù)責(zé)對(duì)電池組進(jìn)行充電及管理。其組成如下圖1所示。

根據(jù)某型號(hào)煤礦井下救援機(jī)器人技術(shù)要求，其電源系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足如下要求:

圖1　救援機(jī)器人電源系統(tǒng)

表1　鋰離子蓄電池技術(shù)參數(shù)

(1)電池組容量:48V/60Ah;(2)電源箱外形尺寸不大于:480mm ×420mm×350mm;(3)電源箱重量:不大于60kg;(4)額定工作電流: 20A，最大工作電流:50A。

2　電池模塊成組設(shè)計(jì)及防爆箱設(shè)計(jì)

2.1單體電池選用

圖2　放電控制系統(tǒng)功能原理圖

圖3　充電控制系統(tǒng)功能原理圖

鋰離子電池技術(shù)參數(shù)如下表1所示:

2.2電池模塊成組設(shè)計(jì)

電池組采用16串的方式，總?cè)萘?0Ah。每個(gè)單體電池加裝一個(gè)溫度傳感器，保證其工作可靠性。

2.3防爆箱設(shè)計(jì)

防爆箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了防爆、減振及輕量化的要求。防爆箱分為下部4個(gè)獨(dú)立隔爆的電池腔，上部的控制腔以及最外側(cè)的接線腔三個(gè)主要腔體。箱體重56kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

放電控制系統(tǒng)主要由放電電池管理系統(tǒng)(D-BMS)、繼電器、保險(xiǎn)絲、分流器等組成，其中D-BMS負(fù)責(zé)采集所有單體電池的電壓、溫度信息，檢測(cè)總電壓、電流，計(jì)算電池SOC，并在必要時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制。其功能原理圖如下圖2所示:

3.2充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電控制系統(tǒng)主要由充電電池管理系統(tǒng)(C-BMS)、繼電器、保險(xiǎn)絲、分流器等組成，其中C-BMS分為主控制板(簡(jiǎn)稱:BMCU)和從屬控制板(簡(jiǎn)稱:LMU)兩部分，二者之間采用CAN通訊。每個(gè)LMU負(fù)責(zé)采集8個(gè)單體電池的電壓和溫度信息，并在充電時(shí)使用被動(dòng)均衡方法對(duì)單體電池進(jìn)行均衡管理;BMCU通過獲取LMU及分流器等的采集信息，利用安時(shí)積分、電壓修正及卡爾曼濾波法進(jìn)行SOC的精確估算，同時(shí)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的監(jiān)控及充電管理。其功能原理圖如下圖3所示:

當(dāng)充電控制開關(guān)為“充電檔”，則IO1采集為有效:繼電器1、繼電器2閉合，則電池組進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)充電控制開關(guān)為“空置檔”，則IO2采集為有效:繼電器1、繼電器2斷開，則電池組進(jìn)入擱置狀態(tài)。另外為了保證設(shè)備安全，在緊急情況下可以使用總開關(guān)切斷回路。

其中，充電控制策略為:BMCU控制充電電流，根據(jù)電池剩余SOC進(jìn)行4階段充電。

(1)預(yù)充電;(2)大電流充電;(3)恒壓充電;(4)涓流充電。

4　結(jié)語

煤礦災(zāi)害事故搶險(xiǎn)救災(zāi)的時(shí)效性極強(qiáng)，救災(zāi)良機(jī)稍縱即逝，必須及時(shí)掌握災(zāi)種、災(zāi)情和災(zāi)區(qū)環(huán)境條件，制訂救災(zāi)對(duì)策和措施。因此，對(duì)煤礦救援機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間和行駛里程要求也愈來愈高。而鋰離子電池作為現(xiàn)有電池種類中可靠性和比能量均較高的能源供給在煤礦救援機(jī)器人中應(yīng)用對(duì)加強(qiáng)礦難后的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作，保護(hù)救援人員安全具有重要意義。

[1]王勇,朱華,王永勝,等．煤礦救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及需要重點(diǎn)解決的技術(shù)問題．煤礦機(jī)械,2007,28(4).

[2]李允旺,葛世榮,朱華.煤礦救災(zāi)機(jī)器人應(yīng)用探討.煤礦機(jī)械,2009,30 (1).

[3]劉正耀,其魯,戴嘉昆,李揚(yáng)．動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006年S1期.

孫凡(1959—),男,遼寧沈陽人,工程師,主要從事煤礦機(jī)電安全設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。