某型搬運(yùn)車防爆電氣系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

郭 奎，趙厚寬，黃海波

（92942部隊(duì)，北京 100161）

0 引言

隨著大型船舶的服役，補(bǔ)給物資數(shù)量和種類越來越多，因此配套的補(bǔ)給船也趨于大型化，所攜帶的補(bǔ)給物資種類和數(shù)量也逐步增加，根據(jù)大型船舶的要求，所攜帶的部分特定貨物也越來越多。因補(bǔ)給船所攜帶的干貨和液貨種類繁多，甲板和倉庫環(huán)境要求復(fù)雜，其中部分甲板因補(bǔ)給液貨會(huì)造成油氣環(huán)境，特定貨物的存放也對(duì)環(huán)境有較高的要求，根據(jù)補(bǔ)給船的設(shè)計(jì)要求，將油氣環(huán)境區(qū)域、存放倉庫區(qū)域劃分為Ⅱ類防爆區(qū)域。因此，根據(jù)船上運(yùn)輸特定貨物設(shè)計(jì)了某型防爆搬運(yùn)車，要求能夠滿足存在ⅡA、ⅡB類爆炸性氣體的1、2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的使用要求。

因此，根據(jù)防爆區(qū)域及搬運(yùn)車防爆要求，主要是針對(duì)該車電氣系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。由于船上通道相對(duì)狹窄，對(duì)輸轉(zhuǎn)設(shè)備的尺寸和重量也有嚴(yán)格的限制。針對(duì)電氣系統(tǒng)及防爆區(qū)域要求，采用了重量相對(duì)較輕、能量密度大的磷酸鐵鋰電池組提供電力，并對(duì)鋰電池組進(jìn)行了隔爆設(shè)計(jì)，采用電源管理系統(tǒng)進(jìn)行安全有效的管理。

鋰電池具有比能量高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長、使用成本低等優(yōu)勢(shì)，還具有輸入輸出功率大、工作溫度范圍寬、無記憶效應(yīng)、免維護(hù)、擁有2000次以上的充放電使用壽命、安全以及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，隨著新材料的出現(xiàn)和電池設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，鋰電池的應(yīng)用范圍不斷被拓展。

1 設(shè)計(jì)要求

電氣系統(tǒng)在搬運(yùn)車上的作用至關(guān)重要，搬運(yùn)車要求正常情況下，能夠工作4小時(shí)以上（根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可分為滿載2小時(shí)，空載2小時(shí)），所需載重量及自身重量約為4.2噸。電氣系統(tǒng)能夠滿足補(bǔ)給船Ⅱ類防爆區(qū)域，所用電機(jī)、動(dòng)力源等部件均應(yīng)符合補(bǔ)給船Ⅱ類防爆區(qū)域要求。

因此，防爆搬運(yùn)車的動(dòng)力源是采用磷酸鐵鋰離子電池組，電池組可為防爆電機(jī)提供電能，防爆直流電機(jī)帶動(dòng)油泵為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。通過操作面板上調(diào)速手柄對(duì)防爆直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控來控制防爆輸轉(zhuǎn)車的行走和裝卸速度。

防爆搬運(yùn)車選用鋰離子電池組。鋰電池組通過電源管理系統(tǒng)提供完善的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組及單體電池的電壓、電流、溫度等多種電池參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)各種故障實(shí)時(shí)報(bào)警并采取應(yīng)急處理，動(dòng)態(tài)計(jì)算電池組的剩余容量，還可對(duì)充電狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池組、電池組管理系統(tǒng)、防爆顯示器、防爆電機(jī)控制器、防爆交流電機(jī)、防爆防腐操作柱及線束。電氣原理如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)原理圖Fig.1 The electrical system principle diagram

2.2 電池組及管理系統(tǒng)

鋰電池組管理系統(tǒng)依據(jù)搬運(yùn)車鋰電池組的用電需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。可以對(duì)搬運(yùn)車上的兩組電池組進(jìn)行管理，可以檢測(cè)每組電池組總電壓，電池組充、放電的電流，以及檢測(cè)單體電池電壓、溫度。為保證電池組及搬運(yùn)車工作安全可靠，管理系統(tǒng)對(duì)電池組充、放電進(jìn)行管理和控制，并根據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)的電池保護(hù)，還具有對(duì)電池組中電池進(jìn)行均衡充電控制功能，在充電結(jié)束后保證各單體電池電壓偏差不大于1%。管理系統(tǒng)能夠精確計(jì)算電池組剩余電量，并且用液晶屏顯示電池組和單節(jié)電池狀態(tài)信息和故障告警。此外還應(yīng)具備應(yīng)急轉(zhuǎn)移功能，保證電池組因電量過低關(guān)閉放電時(shí)，能繼續(xù)支持搬運(yùn)車開回家或移動(dòng)到更適合的位置。

電池組管理系統(tǒng)由管理單元、檢測(cè)均衡單元、顯示單元、輸出功率器件、電流傳感器、輔助DC/DC等組成。管理單元負(fù)責(zé)對(duì)電池組電壓電流和單體電壓溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)行告警保護(hù)并控制，顯示電池?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)。檢測(cè)均衡單元對(duì)應(yīng)每一電池組，可對(duì)電池組每一節(jié)單體電池電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)。管理單元與檢測(cè)均衡單元之間采用內(nèi)部485總線通訊。電池組管理系統(tǒng)原理如圖2所示。

電池組管理系統(tǒng)的工作電源由電池母線通過DC/DC提供。當(dāng)合上上電開關(guān)后，DC/DC模塊通電給電池組管理系統(tǒng)供電，電池組管理系統(tǒng)上電后自動(dòng)合上K5延續(xù)給DC/DC供電，當(dāng)電池組管理系統(tǒng)再次檢測(cè)到下電開關(guān)被按下時(shí)，釋放K5，電池組管理系統(tǒng)下電。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，搬運(yùn)車滿載總重約4.2噸，空載總重約2.7噸，防爆電機(jī)額定功率為3kW，搬運(yùn)車空載功率為電機(jī)額定功率的60%，按工作4小時(shí)，滿載工作2小時(shí)，空載工作2小時(shí)計(jì)算。

電機(jī)所需電池組容量為：

所選鋰電池單體規(guī)格為：額定電壓3.2V，額定容量100AH（25℃）。

電池組選取32塊鋰電池單體，分為2組，每組16塊。

電池組容量為：

設(shè)計(jì)時(shí)選用的電池組容量大于電機(jī)在規(guī)定工作狀態(tài)下所需電池組容量。

根據(jù)搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)要求，分為2個(gè)電池組，每組16塊電池，電池組A供電，則電池組B待機(jī)，A供電消耗到臨界點(diǎn)時(shí)由電池組B繼續(xù)供電，直至結(jié)束。

圖2 電池組管理系統(tǒng)原理功能圖Fig.2 The battery management system principle functional diagram

2.4 防爆設(shè)計(jì)

2.4.1 防爆措施

電氣放電：優(yōu)化電源裝置的設(shè)計(jì)，并在電源裝置接線和組裝過程中加強(qiáng)工藝控制，避免電氣火花的產(chǎn)生。將電池和電池管理系統(tǒng)通過隔爆外殼進(jìn)行保護(hù)，在非正常狀況時(shí)即使出現(xiàn)電氣放電，也可將點(diǎn)燃源限制在隔爆箱中，無法成為有效點(diǎn)燃源。

靜電放電：通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)非金屬材料的要求和選擇，使靜電電荷無法聚集產(chǎn)生靜電放電。

機(jī)械摩擦碰撞火花：通過對(duì)可能出現(xiàn)碰撞部位的材料選擇和采取保護(hù)措施，避免產(chǎn)生機(jī)械火花。

熱表面：通過電池管理系統(tǒng)對(duì)電池的保護(hù)和管理，使其在正常工作中溫度可控，不會(huì)形成危險(xiǎn)熱表面；在出現(xiàn)非正常情況時(shí)通過報(bào)警和自動(dòng)切斷電源防止產(chǎn)生危險(xiǎn)的熱表面。

電池泄放：通過電池管理系統(tǒng)對(duì)電池的保護(hù)、監(jiān)控和管理防止電池?fù)p壞，出現(xiàn)泄放。

2.4.2 隔爆外殼設(shè)計(jì)

隔爆外殼是電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常成為點(diǎn)燃源后的最后一道防線，隔爆外殼性能的好壞直接影響著電源裝置的防爆性能。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行更為全面的考慮和防護(hù)，同時(shí)提高隔爆外殼的安全系數(shù)，使隔爆外殼能經(jīng)受更為嚴(yán)酷的條件。

在結(jié)構(gòu)上將隔爆外殼的電池腔、電池管理系統(tǒng)腔、接線腔三個(gè)隔爆腔體分開設(shè)置，方便使用的同時(shí)，可以減少點(diǎn)燃源存在，減少使用和維護(hù)過程因安裝、拆卸引起的風(fēng)險(xiǎn)，提高電源長期使用的安全系數(shù)。

在設(shè)計(jì)選材上，提高安全系數(shù)，選用屈服強(qiáng)度更高的優(yōu)質(zhì)材料，隔爆面加寬，箱體和法蘭加厚，增強(qiáng)隔爆外殼承壓和不傳爆能力。顯示窗口也采用能夠承受較大沖擊，耐受熱劇變的透明件。

電源裝置內(nèi)的電池、電池管理系統(tǒng)及其電氣連接及固定，均有防松動(dòng)和防晃動(dòng)的措施，腔體內(nèi)電氣的連接選用安全可靠的接線端子，增加絕緣措施，增大電氣間隙和爬電距離，避免出現(xiàn)危險(xiǎn)高溫、電弧、火花。

其他零部件都要求由性能優(yōu)良，耐鹽霧腐蝕的材料制成，以適應(yīng)海上惡劣的工作環(huán)境。電纜引入裝置選用密封性能更好，防護(hù)等級(jí)更高的填料函，即使在使用中操作不當(dāng)，也能保證可靠性能。

2.4.3 隔爆外殼內(nèi)電池的選擇及連接

影響鋰電池爆炸的因素很多，比如，從設(shè)計(jì)選材方面，鋰電池殼體材料、正極材料、隔膜材料、電池結(jié)構(gòu)、安全閥設(shè)計(jì)；從生產(chǎn)制造方面，漿料均勻度控制、涂布質(zhì)量控制、疊片對(duì)齊度控制、水分控制、粉塵控制、封口質(zhì)量控制、化成工藝等工藝控制；從最終使用方面，使用過程中的過充、過放、外部短路、擠壓、針刺等等，這些方面的不當(dāng)考慮都會(huì)增加鋰電池爆炸的可能性。

但歸根結(jié)底電池內(nèi)部的高溫、高壓都與產(chǎn)熱因素有直接的關(guān)系。電池內(nèi)部的產(chǎn)熱因素眾多，如果鋰電池內(nèi)部的熱生成速率大于熱散失速率，則體系內(nèi)的反應(yīng)溫度就會(huì)不斷上升。其結(jié)果可能造成兩種極端情況：①反應(yīng)物質(zhì)的溫度達(dá)到其著火溫度而發(fā)生火災(zāi)；②由于鋰電池是一個(gè)封閉體系，隨體系內(nèi)部溫度升高，反應(yīng)速度加快，反應(yīng)物蒸氣壓急劇上升。同時(shí)活性物質(zhì)的分解、活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生一定量的氣體，其結(jié)果，在缺少安全閥保護(hù)或安全閥失效的情況下，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起電池爆炸。

本項(xiàng)目中電池只能采用串聯(lián)的方式，僅可以使用電解液是無水有機(jī)鹽的鋰電池，并且不能使用有通氣孔或開啟式的電池，密封閥控單體電池只能用于放電的目的。電池的泄壓裝置必須能夠可靠地開啟。

根據(jù)搬運(yùn)車防爆電機(jī)的功率，可知鋰電池組應(yīng)分為2組，每組16塊，安裝在隔爆殼的電池腔內(nèi)，串聯(lián)連接，由電源管理系統(tǒng)控制及保護(hù)，管理系統(tǒng)安裝于防爆箱內(nèi)，通過電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等對(duì)蓄電池組進(jìn)行過壓、欠壓、過載、短路、過溫等保護(hù)，同時(shí)通過液晶顯示器將電源狀態(tài)及報(bào)警提示實(shí)時(shí)顯示。

2.4.4 零部件防爆等級(jí)要求

根據(jù)搬運(yùn)車使用環(huán)境防爆要求，防爆等級(jí)要求為Ⅱ區(qū)ExdⅡBT4，充電作業(yè)在非防爆區(qū)。

搬運(yùn)車蓄電池組、電源管理系統(tǒng)、液晶顯示屏及電機(jī)控制器采用Q235材質(zhì)防爆殼進(jìn)行隔離防爆，動(dòng)力選用3KW三相交流防爆電機(jī)，搬運(yùn)車啟動(dòng)及急停操作柱選用防爆操作柱，上述各主要設(shè)備防爆等級(jí)要求均需滿足Ⅱ區(qū)ExdⅡBT4。搬運(yùn)車接線采用礦用防爆電纜，電纜符合礦用煤安等級(jí)。各設(shè)備間連線采用防爆鎖緊螺母，蓄電池和電機(jī)均設(shè)有溫度傳感器，達(dá)到保護(hù)溫度自動(dòng)停機(jī)。

3 結(jié)論

綜上所述，搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)在搬運(yùn)車中的作用至關(guān)重要，根據(jù)艦船防爆環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)了基于鋰電池組的防爆型電氣系統(tǒng)，首次提出了鋰電池的防爆理念，并按照國際及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行了相關(guān)的防爆要求檢驗(yàn)，可為下一步鋰電池在防爆區(qū)域的使用提供借鑒。