礦用鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)

郭長娜

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

目前越來越多的企業(yè)選擇鋰離子蓄電池作為井下機(jī)車用電源、啟動(dòng)電源、監(jiān)控系統(tǒng)等產(chǎn)品的備用電源等[1]，礦用機(jī)器人項(xiàng)目中動(dòng)力電源大多為鋰離子蓄電池電源[2]，因此礦用鋰離子蓄電池電源試驗(yàn)方法的研究具有重要意義。礦用鋰離子蓄電池電源安全標(biāo)志檢測檢驗(yàn)依據(jù)文件《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求（試行）》中明確要求鋰離子電源應(yīng)具有短路保護(hù)功能，短路保護(hù)時(shí)間不超過50 ms，并在10 s 內(nèi)具有報(bào)警顯示，且此試驗(yàn)要求短路負(fù)載電阻不超過5 mΩ。大容量多節(jié)鋰離子電池電源短路瞬間電流很大，最大可達(dá)到幾千安培[3]，而井下復(fù)雜環(huán)境下一旦出現(xiàn)短路故障若不能在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，電池極易產(chǎn)生爆炸，從而引發(fā)一系列井下安全問題[4]。因此，此項(xiàng)保護(hù)功能的檢測檢驗(yàn)至關(guān)重要。

目前國內(nèi)并沒有安全可靠的礦用鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，早期只是根據(jù)企業(yè)短路保護(hù)功能原理通過給定大電流模擬短路，實(shí)際上真正的短路會(huì)產(chǎn)生非常大的能量，其危害及不確定因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于早期所采取的模擬短路方法[5]。后期對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了小內(nèi)阻直流繼電器實(shí)現(xiàn)主回路的短路，控制端使用手動(dòng)控制開關(guān)，但此測試方法如被檢樣機(jī)一旦達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，繼電器便會(huì)點(diǎn)燃損壞，造成財(cái)產(chǎn)損失，更對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)施、檢測人員人身安全等具有很大的潛在危險(xiǎn)。因此，研究新的短路保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備十分必要。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1，系統(tǒng)主要包括定時(shí)控制單元、數(shù)據(jù)分析單元。

圖1 試驗(yàn)及分析系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the test and analysis system composition

當(dāng)定時(shí)控制單元接收到遙控觸發(fā)信號(hào)發(fā)出合閘信號(hào)至直流斷路器，控制直流斷路器動(dòng)作，因斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作具有延時(shí)[6]，因此，本定時(shí)控制單元設(shè)計(jì)了信號(hào)反饋接收部分，當(dāng)以AVR 單片機(jī)為核心的中央處理單元采集到直流斷路器動(dòng)作的反饋信號(hào)開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間可在試驗(yàn)開始前進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，會(huì)強(qiáng)制斷路器分閘，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能。

在定時(shí)控制單元向直流斷路器發(fā)出合閘、分閘信號(hào)的同時(shí)，也將信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析單元。主回路中電流、電壓檢測傳感器檢測試驗(yàn)過程中主回路的電流及短路保護(hù)用元件的端電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)分析單元中的數(shù)據(jù)采集卡AD 轉(zhuǎn)換處理后傳輸至LABVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件，LABVIEW 經(jīng)對(duì)直流斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算，形成波形顯示并自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

1.2 主回路

主回路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。建立低阻抗回路，短路負(fù)載電阻為μΩ 級(jí)[7]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5 mΩ。用大容量高壓直流斷路器連通電池組的正、負(fù)極，在直流斷路器有效合閘瞬間，構(gòu)成電源短路。發(fā)生短路后，電池組的短路保護(hù)動(dòng)作，并應(yīng)在50 ms 內(nèi)切斷電路電流。

圖2 試驗(yàn)主回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of test main circuit

實(shí)際檢驗(yàn)過程中電源的短路保護(hù)可能存在問題，造成短路保護(hù)時(shí)間過長或者不保護(hù)情況，一旦出現(xiàn)這種異常，將會(huì)對(duì)電池造成巨大損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸及火災(zāi)[8]。為了在試驗(yàn)中避免這一異常情況出現(xiàn)，本試驗(yàn)及分析系統(tǒng)將采用高壓直流斷路器根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間強(qiáng)制斷開電路的方法實(shí)現(xiàn)安全的后備保護(hù)，無論在試驗(yàn)前設(shè)置好的定時(shí)時(shí)間內(nèi)電源的短路保護(hù)是否動(dòng)作，都可以可靠的保證電路斷開。

2 定時(shí)控制單元

定時(shí)控制單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流斷路器的通斷進(jìn)行精確的定時(shí)控制。在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，巨大的電流沖擊對(duì)電池組是一個(gè)損傷的過程[9]，為了盡量避免短路對(duì)電池造成的過熱效應(yīng)，應(yīng)在滿足試驗(yàn)的條件下，盡量減小短路時(shí)間，從而此試驗(yàn)需要一個(gè)能夠在觸發(fā)短路時(shí)，可以精確定時(shí)的控制系統(tǒng)。

由于電源短路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間非常短（通常小于50 ms），而采用高壓直流斷路器觸發(fā)短路時(shí)，其電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間也不可忽視[10]（通常合閘在20 ms 左右，分閘在10 ms 左右）。如若在直流斷路器合閘后，延時(shí)很短時(shí)間就進(jìn)行分閘，可能造成電源的短路保護(hù)不能正常觸發(fā)；反之若延時(shí)很長時(shí)間才進(jìn)行分閘，極有可能在短路保護(hù)失效后，無法及時(shí)切斷電路電流，造成電池?fù)p壞這一嚴(yán)重后果。

定時(shí)控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3。定時(shí)觸發(fā)控制核心采用AVR 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。中央處理電路如圖4。

圖3 定時(shí)控制單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure block diagram of timing control unit

圖4 中央處理電路Fig.4 Central processing circuit

考慮到安全問題，短路試驗(yàn)的觸發(fā)信號(hào)通過遠(yuǎn)程遙控的方式實(shí)現(xiàn)，在定時(shí)控制單元上設(shè)置遙控信號(hào)接收模塊，遙控信號(hào)接收電路圖如圖5，一旦收到遠(yuǎn)程發(fā)來的觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)輸出口輸出高壓直流斷路器的合閘信號(hào)，高壓直流斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)立即動(dòng)作，當(dāng)主觸點(diǎn)完成合閘后，其輔助觸點(diǎn)輸出一個(gè)合閘完成信號(hào)到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到直流斷路器的合閘完成信號(hào)后，立即啟動(dòng)定時(shí)器，延時(shí)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，再發(fā)出分閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制切斷電路電流的功能。單片機(jī)將合閘及分閘信號(hào)輸出給直流斷路器的同時(shí)，也將信號(hào)通過IO 口傳輸至數(shù)據(jù)分析單元。

延時(shí)時(shí)間和動(dòng)作時(shí)序可以通過液晶顯示觸摸屏界面直觀地設(shè)定。觸摸屏與單片機(jī)之間采用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

控制單元的電源為AC220 V，通過AC/DC 開關(guān)電源電路，實(shí)現(xiàn)多路相互隔離的不同電壓輸出，其中中央處理電路、線圈電壓驅(qū)動(dòng)電路及遙控信號(hào)接收電路的電源電壓為5 V，觸摸屏電源電壓為24 V。CPU 核心系統(tǒng)與外圍電氣實(shí)現(xiàn)了光電隔離，極大地提高了抗電磁干擾性能[11]，使得定時(shí)、動(dòng)作更為可靠。定時(shí)控制單元的控制流程圖如圖6。

圖5 遙控信號(hào)接收電路Fig.5 Remote signal receiving circuit

圖6 定時(shí)控制單元程序流程圖Fig.6 Flow chart of timing control unit program

3 數(shù)據(jù)分析單元

3.1 數(shù)據(jù)分析單元設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)分析單元，主要包括數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件2 部分。

數(shù)據(jù)采集卡通過電流、電壓檢測傳感器采集主回路電流、短路保護(hù)用元件兩端電壓，經(jīng)處理后通過USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡接收定時(shí)控制單元發(fā)送的直流斷路器線圈合閘、分閘信號(hào)，并傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。以上信號(hào)均為實(shí)時(shí)真值采集，可以真實(shí)反映系統(tǒng)的工作參數(shù)。

LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件安裝在工控機(jī)上，主要有數(shù)據(jù)顯示、量化分析、曲線記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、結(jié)果判定等功能。所有采集通道均有數(shù)字顯示和曲線顯示，采樣精度可調(diào)，每通道最高采樣速率可達(dá)500 kbps。界面曲線顯示窗口長度可調(diào)，可充分顯示波形特征。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面包括操作模式、參數(shù)設(shè)置、波形顯示及數(shù)據(jù)報(bào)表部分。操作模式部分設(shè)計(jì)了手動(dòng)及自動(dòng)合、分閘兩種模式可供選擇，包括合閘、分閘、報(bào)警等狀態(tài)的指示。參數(shù)設(shè)置部分包括合閘定時(shí)時(shí)間、采樣速率及采樣點(diǎn)數(shù)等設(shè)置，其中為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)一步保護(hù)，設(shè)計(jì)了電壓、電流范圍設(shè)置欄，一旦系統(tǒng)運(yùn)行過程中采集到的電壓及電流超出了設(shè)置范圍，數(shù)據(jù)分析單元將進(jìn)行報(bào)警，并將信號(hào)及時(shí)反饋至定時(shí)控制單元，實(shí)現(xiàn)故障分閘。LabVIEW數(shù)據(jù)分析軟件經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)分析處理后將線圈信號(hào)、短路保護(hù)用元件端電壓、主回路電流繪制成波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，另外，通過精準(zhǔn)計(jì)算將斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間直觀顯示。分析軟件將合閘時(shí)刻、分閘時(shí)刻、斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及故障報(bào)警等最終形成數(shù)據(jù)報(bào)表，可進(jìn)行導(dǎo)出打印。

3.2 測試結(jié)果分析

在短路試驗(yàn)過程中，由于高壓直流斷路器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作需要一定時(shí)間，在電磁線圈通電后，不能立即使主觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)短路效應(yīng)，而是延時(shí)一段時(shí)間后，主觸點(diǎn)才閉合，回路電流以極高的速率增加造成短路效應(yīng)，可通過高壓直流斷路器的線圈信號(hào)、主回路的電流測試曲線分析出線圈有信號(hào)至回路電流極速上升的這段時(shí)間即為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘的延時(shí)時(shí)間。

當(dāng)短路發(fā)生后，開始計(jì)時(shí)，短路電流持續(xù)一段時(shí)間，短路保護(hù)開始動(dòng)作，保護(hù)成功后，回路電流降至零，此時(shí)高壓直流斷路器的線圈仍然通電，當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，單片機(jī)發(fā)出分閘信號(hào)，經(jīng)過操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘動(dòng)作延時(shí)完成分閘，線圈失電。回路電流極速上升后又下降為0 的這段時(shí)間即為短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，此段時(shí)間應(yīng)與短路保護(hù)用元件的端電壓波動(dòng)時(shí)間一致。短路電流上升至線圈信號(hào)消失的時(shí)間即為主回路通斷時(shí)間（即試驗(yàn)開始前設(shè)置的定時(shí)控制時(shí)間），從線圈信號(hào)消失至線圈失電這段時(shí)間即為斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘延時(shí)時(shí)間。

綜上所述，數(shù)據(jù)分析單元可以準(zhǔn)確，詳細(xì)地記錄試驗(yàn)過程中的各關(guān)鍵電信號(hào)，并可以對(duì)電源短路保護(hù)功能進(jìn)行分析與判斷，另一方面，也可以通過定時(shí)控制對(duì)此項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行后備保護(hù)，可靠保障了試驗(yàn)的安全性。

4 結(jié) 語

針對(duì)大容量鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)功能，設(shè)計(jì)了短路保護(hù)的試驗(yàn)與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：①對(duì)電源短路后的主回路電流、短路保護(hù)用元件的端電壓、線圈信號(hào)進(jìn)行精確采集與記錄；②對(duì)試驗(yàn)過程中的斷路器、定時(shí)器、觸發(fā)記錄等時(shí)序精準(zhǔn)控制；③對(duì)短路試驗(yàn)過程中的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算；④對(duì)試驗(yàn)過程中的電壓、電流變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與波形顯示。