礦用大容量備用電源設(shè)計(jì)

孟小紅

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

隨著煤礦井下智能化程度不斷提高[1-2]，煤礦井下各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且大多數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備都需要24 h不間斷地工作。由于煤礦井下供電電網(wǎng)的穩(wěn)定性受多種因素影響而存在不確定性，為了保證監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，需要配套可靠的備用電源。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局在煤安監(jiān)[2016]5號(hào)文件，以及AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》等行業(yè)管理規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中都將安全監(jiān)控系統(tǒng)的備用電源的工作時(shí)間由不少于 2 h 提高到了不少于4 h[3];部分用戶將備用時(shí)間指標(biāo)提高到了8 h甚至10 h;要求監(jiān)控系統(tǒng)的備用電源具備更長(zhǎng)工作時(shí)間已逐漸形成一種趨勢(shì)。目前，煤礦井下所用的電源箱多數(shù)為隔爆兼本安的防爆型式[4-6]，備用電池直接放置在隔爆箱內(nèi)[7-9]。根據(jù)GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》規(guī)定，允許在隔爆箱內(nèi)放置的電池類型有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池，而鋰離子電池只有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才能使用[10]。由于鎳鎘類電池的記憶效應(yīng)較為明顯，而且鎘金屬的毒性較大，因此絕大多數(shù)廠家采用鎳氫電池作為備用電源的儲(chǔ)能設(shè)備[11]。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的供電模式多采用集中供電模式，即采用多路電源通過遠(yuǎn)距離拉線方式為分布在不同地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備供電[7]，當(dāng)交流電停止供電時(shí)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)皆由備用電池提供電能，因此需要具備足夠的電能儲(chǔ)量才能保證備用電池組長(zhǎng)時(shí)間工作。根據(jù)GB/T 22084.2—2008《含堿性或其他非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組》標(biāo)準(zhǔn)要求，單體鎳氫電池的額定電壓為1.2 V，最大允許結(jié)構(gòu)尺寸為F型，常規(guī)容量為13～15 A·h，常常以電池組模式工作。防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電池不能并聯(lián)使用，只能將多塊單體電池串聯(lián)通過提高電池組兩端電壓，繼而提高電池組的容量[12-15]，但該方法對(duì)電池組管理和使用造成較大困難。GB 3836.2附錄E規(guī)定，電池組中每一塊單體電池兩端電壓均應(yīng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)單體鎳氫電池兩端電壓超過電池生產(chǎn)廠家規(guī)定的電壓值時(shí)，應(yīng)切斷電源以防止鎳氫電池析出氫氣，這對(duì)多塊鎳氫電池的串聯(lián)使用提出了更高的要求。僅依靠單體電池串聯(lián)使用的方法已經(jīng)無(wú)法提供電源箱需要的大容量備用電源。因此，筆者提出一種新的鎳氫電池組充放電管理方法，以滿足礦用大容量備用電源的需求。

1 大容量備用電源的需求定義

由于安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的本安供電為集中模式供電，多數(shù)傳感器都是通過分站連接電源箱的電源取電。當(dāng)交流電停止供電時(shí)，由電源箱內(nèi)部的備用電池代替交流電為各本安電源模塊供電。電源箱內(nèi)部功能模塊工作如圖1所示。

圖1 電源箱內(nèi)部功能模塊工作示意圖

行業(yè)內(nèi)主流電源箱的總輸出功率約為40 W左右，按備用電源工作時(shí)間不少于8 h，本安電源模塊整體效率按80%計(jì)，鎳氫電池組的容量應(yīng)大于400 W·h。如果指標(biāo)為8 h，在實(shí)際評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過程中，備用電源工作時(shí)間應(yīng)不低于10 h，則電池組容量應(yīng)不低于 500 W·h。單體電池容量為13 A·h，電池組損耗按5%計(jì)，需要串聯(lián)34節(jié)單體鎳氫電池才能滿足要求。此時(shí)前級(jí)的充電電壓應(yīng)不低于51 V，后級(jí)的本安電源模塊工作電壓范圍則應(yīng)介于30.0～76.5 V，配套電源模塊的技術(shù)要求較高，成本也較高。將 34節(jié)電池分為2組，每組17節(jié)，則其兩端電壓介于15.0～25.5 V，考慮1.5倍安全系數(shù)，后級(jí)電源模塊最高輸入電壓應(yīng)在38.25 V以上，為常規(guī)工作電壓范圍。筆者對(duì)2組鎳氫電池組的充放電管理進(jìn)行研究，以提供滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)要求的大容量備用電源。

2 電源箱充放電管理電路設(shè)計(jì)

為防止電池極性反接或在同一電池組內(nèi)被其他電池反向充電，根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)，需要監(jiān)測(cè)單體電池兩端的電壓，并增加旁路二極管。當(dāng)單體鎳氫電池電壓低于允許的最低電壓值時(shí)，應(yīng)切斷電源。單體鎳氫電池充滿后最高開路電壓應(yīng)為1.5 V，按17節(jié)鎳氫電池串聯(lián)計(jì)，充電電源的最大輸出值應(yīng)在25.5 V以上。由于電源箱內(nèi)AC/DC功率有限，應(yīng)適當(dāng)限制充電電流，按13 A·h容量計(jì)算，充電電流控制在1.30～1.56 A，保證該電池組在12 h內(nèi)充滿，若鎳氫電池放完全部電后電源箱可在24 h內(nèi)充滿。

結(jié)合上述需求，在電池管理電路中，需要分別對(duì)2個(gè)電池組中的單體鎳氫電池電壓進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測(cè)；在充電電路中，需采用恒流限壓方式進(jìn)行控制，再通過溫度、充電時(shí)間監(jiān)測(cè)等措施實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的過充保護(hù)；在充放電管理電路中，利用繼電器對(duì)2組鎳氫電池組切換控制。充電管理電路框架如圖2所示。

圖2 充電管理電路框圖

2.1 鎳氫電池組組件設(shè)計(jì)

鎳氫電池組組件主要包括鎳氫電池組、單體鎳氫電池電壓監(jiān)測(cè)電路、電池組溫度監(jiān)測(cè)電路及相應(yīng)的保護(hù)組件等。鎳氫電池組組件原理如圖3所示。

圖3 鎳氫電池組組件示意圖

鎳氫電池組的信息通過I2C總線與主控管理板進(jìn)行通信，將該電池組在充放電過程中的信息上傳給主控管理板，通過主控管理板進(jìn)行判斷控制。單體電壓監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每塊單體鎳氫電池的兩端電壓，防止鎳氫電池處于過充狀態(tài)導(dǎo)致鎳氫電池析出氫氣或者深度放電狀態(tài)下析出氧氣而出現(xiàn)危險(xiǎn)。配置電池組溫度監(jiān)測(cè)電路保證電池組工作在允許溫度范圍內(nèi)，也是電池組充滿并停止充電的監(jiān)測(cè)依據(jù)。電池組并聯(lián)二極管防止反向充電或者電路接反。將鎳氫電池組輸出端動(dòng)力線和采樣信號(hào)線分開設(shè)置，避免輸出回路產(chǎn)生壓降引起采樣誤差。

2.2 鎳氫電池組充放電管理設(shè)計(jì)

鎳氫電池組采用恒流限壓的充電方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組兩端電壓U、溫度T和充電時(shí)間t。計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)鎳氫電池組兩端電壓變化量ΔU、溫度變化量ΔT。

在主要充電過程中，以上述5個(gè)參量為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合控制，其中將T及ΔT作為安全參量其優(yōu)先級(jí)最高；其次是U及ΔU；最后是t。當(dāng)充電電源接入時(shí)，首先接入電池組1，檢測(cè)電池組兩端電壓，若電池組電壓過低，則先用50 mA的小電流進(jìn)行保護(hù)性充電，直至電池組電壓恢復(fù)到設(shè)定值。再將充電電路控制電流調(diào)整為1.3 A，進(jìn)入大電流充電過程并開始計(jì)時(shí)。在大電流充電過程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)U、T值，計(jì)算ΔU、ΔT等參量值，判斷電池組是否充滿；當(dāng)電池組1充滿后，切換到電池組2重復(fù)上述充電過程。在整個(gè)充電過程中，要持續(xù)監(jiān)視交流電輸入信號(hào)，若發(fā)現(xiàn)交流電斷電，則將電池組切換到直流放電狀態(tài)，確保電源箱供電的穩(wěn)定性；當(dāng)2組電池組都充滿電后則進(jìn)入間歇式補(bǔ)充充電狀態(tài)，避免電池組因長(zhǎng)時(shí)間自放電導(dǎo)致其容量下降。

當(dāng)鎳氫電池組放電時(shí)，同樣需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組兩端電壓及單體鎳氫電池電壓，確保鎳氫電池不出現(xiàn)深度放電現(xiàn)象。為方便電池容量管理，先由電池組2工作放電，當(dāng)電池組2放電完畢后，切換到電池組1工作放電。要確保電池組1開始放電時(shí)電池組2已經(jīng)放電完畢，備用電源剩余電量計(jì)算時(shí)以電池組1為基礎(chǔ)進(jìn)行整體管理；放電過程中，需要持續(xù)監(jiān)測(cè)交流電供電狀態(tài)，若交流電恢復(fù)供電則及時(shí)對(duì)備用電池進(jìn)行電能補(bǔ)充。當(dāng)發(fā)現(xiàn)交流電供電時(shí)，首先對(duì)電池組1進(jìn)行電能補(bǔ)充，電池組1充滿后再為電池組2充電。

鎳氫電池組充放電管理流程如圖4所示。

圖4 鎳氫電池組充放電管理流程設(shè)計(jì)圖

在充放電過程中，電源主控管理板實(shí)時(shí)將電池組信息通過智能接口上傳給分站，再通過分站上傳到地面中心站，以便管理人員了解鎳氫電池組狀態(tài)，實(shí)時(shí)掌握電池組的可供電時(shí)間，以保證可靠供電。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試礦用大容量備用電源設(shè)計(jì)的有效性，驗(yàn)證充放電管理電路在不同鎳氫電池組狀態(tài)下的適應(yīng)性，分別選用2組處于欠壓狀態(tài)的鎳氫電池組(電池組1、電池組2)和正常狀態(tài)的鎳氫電池組(電池組3、電池組4)組裝2臺(tái)樣機(jī)，對(duì)1次完整的充放電后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 充放電對(duì)比測(cè)試

由表1中數(shù)據(jù)可知，礦用大容量備用電源設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)2組鎳氫電池組的充放電管理，可實(shí)現(xiàn)欠壓電池組的充電維護(hù)。只要鎳氫電池組沒受到實(shí)質(zhì)性損壞，鎳氫電池組欠壓后充電時(shí)間雖有延長(zhǎng)，但充滿后不影響其長(zhǎng)時(shí)間的放電性能。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了隔爆腔體內(nèi)2組鎳氫電池組的設(shè)計(jì)要求，提出了礦用大容量備用電源的設(shè)計(jì)思路。通過分組設(shè)置實(shí)現(xiàn)2個(gè)電池組的獨(dú)立管理和監(jiān)測(cè)，通過集中管理實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間備用輸出，降低了備用電源硬件電路的設(shè)計(jì)難度。所設(shè)計(jì)的電源具有電池容量大、管理電路簡(jiǎn)單、配置靈活等特點(diǎn)，還可以擴(kuò)展至更多電池組管理，以滿足煤礦的更大容量備用電源的需要。