CN102611163A - 用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置 - Google Patents

Abstract

用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，该装置包括电路转换模块、输出电路、磷酸铁锂电池组、电池组控制电路和外围防爆装置。本发明中磷酸铁锂电池组具有重量轻、体积小、安全性高、充放电优越、绿色环保等优点；电池组控制电路具有均衡电池组电位、控制充放电和防止电池组过温功能；输出电路采用二级电压和二级电流保护，以实时切断过压过流供给；外围防爆装置分隔为电池腔和本安腔，两腔采用机械过桥方式实现电学连接，在电池组起火、爆炸时，可以有效隔绝对周围环境的威胁，从而解决了现有铅酸电池为主体的不间断电源供电时间短、电池及输出电流非本质安全、易对环境产生危险的难点，可做为高等级监测监控电源在煤矿井下应用。

Description

用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置

技术领域

本发明涉及煤矿井下不间断电源技术领域，特别是涉及采用磷酸铁锂电池的用于煤矿井下监测监控的不间断电源。

背景技术

煤矿井下含有多种易燃、易爆危险性气体(如甲烷、CO等)，需实时采用探头监控，以采取措施保证井下安全。井下监控分站承担着对监控探头信号处理、电路控制的重要任务，主要采用不间断备用电源对井下监控分站实现实时供电。其中电池组是不间断电源(UPS)系统中最为核心的组件之一，电池的重量与体积、放电容量的多少、放电电流特性、高低温放电特性以及使用寿命，直接影响到不间断电源(UPS)的重量、体积、放电时间和可靠性。煤矿井下做为高安全等级的本质安全性场所，要求输出电压、电流实现二级保护，以免引起外部火花造成煤矿井下安全性事故。

目前，市场上的可用于煤矿井下监控分站供电的不间断电源都是由“免维护铅酸蓄电池”来实现，现有铅酸蓄电池存在明显不足：①在3倍率以上电流放电时，只能放出电池容量的30％以下，而充电时，其充电电流必须控制在0.25倍率以上，在完全放电后，其充电时间需要在8小时才能充到电池容量的80％，电池循环性能差、备电时间短的缺点突出；②铅酸蓄电池在寿命周期内，容量逐年下降，其动态变化难于保证输出电压、电流的二级保护，严重制约了煤矿井下不间断电源的指标；③铅酸蓄电池放电的循环寿命在300次左右，在低温环境下放电容量更差，煤矿井下环境温度接近0度，铅酸蓄电池不适宜于煤矿井下应用；④铅酸蓄电池的主要原料是“铅”，其使用及“铅”排放直接影响到地下水环境；⑤铅酸蓄电池在充电过程中存在析氢副反应，而氢气做为高危险性气体严重影响煤矿井下安全。

目前，多数井下监控分站不间断电源的蓄电池技术指标仅为24V/4Ahr，仅能维持井下监控分站工作2小时。随着矿井开采深度的不断加深、开掘面的不断加长，2小时已远不能满足井下实际应用需要。由于铅酸电池组没有内部放电、充电控制机制，其放电输出电压及电流难于处于保持稳定，很难实现输出电流、电压的二级保护性输出，从而显著影响到煤矿井下产品的可靠性、安全性、实用性等多项指标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有煤矿井下使用的铅酸蓄电池技术中的不足和缺陷，提供一种用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，可实现电源的电压、电流的二级保护性输出，并防止在电池起火、爆炸时的安全性保护。

本发明的技术方案如下：

一种用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，其特征在于：所述不间断电源装置含有电路转换模块、输出电路、电池组控制电路和外围防爆装置；所述电路转换模块的输入端与外部交流电源相连，电路转换模块的输出端经过开关和二级管，与输出电路和电池组及电池组控制电路的输入端呈串联连接，其中输出电路和电池组控制电路呈并联连接；所述电池组采用磷酸铁锂电池组，电池组和电池组控制电路为混联连接；所述的外围防爆装置包括电池腔和本安腔，电池腔和本安腔之间由防爆隔板分隔，磷酸铁锂电池组置于电池腔内，电路部分置于本安腔内，并采用机械过桥方式实现电学连接。

本发明的技术特征还在于：所述的输出电路包括一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件、二级过压保护元件和开关处理单元；一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件和二级过压保护元件之间串联连接，所述的开关处理单元与过流、过压保护元件并联连接。

上述技术方案中，所述的电池组控制电路包括信号处理单元、功率MOS管、均衡电路、平衡负载和温度监控单元；所述的信号处理单元通过均衡电路和平衡负载实现对磷酸铁锂电池组在充、放电时的电压均衡处理，以及对功率MOS管和温度监控单元实现温度处理；均衡电路在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的电位，上传至信号处理单元；温度监控单元在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的温度信号，上传至信号处理单元。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明的不间断电源的核心储能电池采用新型材料的磷酸铁锂电池组，该电池具有体积小、充放电循环性能好、高低温环境适用、快速充电、超长使用寿命、不含对环境污染元素等优点；在现有锂电家族中，磷酸铁锂电池具有最高安全性，可有效避免众多锂电池发生的明火、爆炸现象；通过外围防爆装置的采用，该装置的安全性等级进一步提高，已具备在高安全性场合煤矿井下应用的基础。

本发明不仅可解决现有不间断电源中所用铅酸电池在使用上的各种不足，而且通过电池组控制电路实现了对磷酸铁锂电池组的保护，并通过输出电路设计实现对煤矿井下现场的二级电流保护、二级电压保护，为防止因误操作及电池自身引起的明火、爆炸，通过外围防爆设计对电路、外部环境没有损伤，以最大程度保护煤矿井下现场安全，防止事故灾难性蔓延。从而该装置具备下述优点。

①.保持整机、电池组的体积：电池/电池组的体积、重量和现有铅酸电池相当。在同等放电电流的情况下，磷酸铁锂电池比铅酸电池放电率更高，可达3倍以上。

②.磷酸铁锂电池组采用电池组控制电路实现对单节电池的电压、温度监控，可实现充放电的电池均衡，及时切断异常充放电，并对电池实现温度监控，以防止电池组处于不利工作状态。

③.输出电压、输出电流的二级保护输出，可以实现电路的本质安全性输出，有助于维护井下用电安全。

④.采用了对电池组的单独电池腔设计，以在电池组发生明火、爆炸时限制范围，从而不对控制电路及井下现场带来危害性影响。

附图说明

图1是本发明提供的磷酸铁锂不间断电源装置电路总图。

图2是本发明提供的输出电路中二级电流、二级电压控制原理图。

图3是磷酸铁锂电池组及电池组控制电路的原理框图。

图4是本发明提供的防爆装置结构简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明提供的磷酸铁锂不间断电源装置电路总图，所述不间断电源装置含有电路转换模块1、输出电路2、电池组3、电池组控制电路4和外围防爆装置5；所述电池组采用磷酸铁锂电池组。

外部交流电源可由AC127V、220V、380V、660V或1140V等煤矿井下、井上供电电路提供，电路转换模块1前端与外部交流电源相连，该模块可由交流/直流电路转换模块构成，也可由交流变压器-直流调压构成，以实现对交流电压的直流变换；电路转换模块1的输出端与开关6和耐压二极管7呈串联连接，该电路的功能可保持直流电路单向传输并切断电路，其中耐压二极管7和开关6可由直流继电器相应替换；之后，主路电路与输出电路2、电池组3和电池组控制电路4呈串联连接，输出电路2的输出端与用电负载呈串联连接，该输出电路在输出电压超限或输出电流超限时切断对外部负载的输出，从而维持井下现场的用电安全；其中输出电路2和电池组3及电池组控制电路4呈并联连接，电池组3和电池组控制电路4为混联连接，通过电池组控制电路4对电池组3实现充、放电控制，以保证电池组的充、放电状态，在外部电源截断时保障对输出电路的供电。

图2是本发明提供的磷酸铁锂不间断电源装置输出电路中二级电流和二级电压控制原理框图。所述的输出电路包括一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件、二级过压保护元件和开关处理单元；一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件和二级过压保护元件之间串联连接，所述的开关处理单元与过流、过压保护元件并联连接。图中直流输入除保证输出外，同时保证开关处理单元的用电工作，在输出主路中，两个过流保护元件中各自监控最大电流，在过流时报送信号至开关处理单元，开关处理单元相应对开关采取输出截断处理；两个过压保护元件各自监控最大电压，在过压时报送信号至开关处理单元，开关处理单元相应对开关采取输出截断处理。在电流、电压故障解除后，开关处理单元重新允许开关导通，实现正常工作。同时采用二级过流和二级过压保护是为了防止个别元件的硬件失效，实现电路冗余；为防止特定元件失效及电路共振现象，过流保护元件、过压保护元件应实现器件匹配。通过上述二级电流、二级电压的最大电流、最大电压控制及有效截断，则可以实现对外部输出的恒定直流控制，以最大限度保护煤矿井下现场安全。

以直流输出最大电压24V，最大充许电流0.5A为例，一级过流保护元件、二级过流保护元件监控最大电流均设为0.5A，一级过压保护元件、二级过压保护元件最大电压设为24V。当通过上述元件的电流、电压超出上述设定值时，则报送信号至开关处理单元，开关处理单元则对输出开关实现截断，避免对外部负载的供电；当上述电流、电压回落至最大电压、电流值时，则报送信号至开关处理单元，开关处理单元则对输出开关实现闭合，继续保证外部输出。

图3是磷酸铁锂电池组及电池组控制电路的原理框图，通过电池组控制电路对磷酸铁锂电池组实现控制。磷酸铁锂电池组内部各子电池呈串联连结，电池组正、负极分别与总路正极、负极相连；可采用芯片做为电池组控制电路的信号处理单元，以实现对元件控制和对上传数据进行对比、实时反馈；

所述电池组控制电路包括信号处理单元、功率MOS管、均衡电路、平衡负载和温度监控单元，所述信号处理单元通过均衡电路和平衡负载实现对电池的电压平衡管理，通过温度监控单元实现对电池组的温度监测，并根据信号方式对功率MOS管实现开关管理，以实现对外部总路的充放电功能。均衡电路在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的电位，上传至信号处理单元；温度监控单元在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的温度信号，上传至信号处理单元；所述信号处理单元可以采取以下方式处理：①对过高电位的子电池，打开均衡电路子路，实现均衡电路子路与内部负载的串联连接，对该子电池放电以降低其电位，实现对整体电池组的电位均衡；②当存在外部电路电位时，在磷酸铁锂电池组充满时打开功率MOS管，以隔绝充电，在磷酸铁锂电池组未充满时关闭功率MOS管，以维持电池动态充电；③当不存在外部电路电位时，对功率MOS管实现关闭，使磷酸铁锂电池组对外部电路放电，当到达磷酸铁锂电池组截止放电电位时，对功率MOS管实现打开，以保护整体电池组不再深度放电；④当电池温度超过定值时，对功率MOS管实现关断处理，以防止电池温度的进一步上升。通过上述四种控制策略，实现对磷酸铁锂电池组的电池均衡、充电、放电和温度控制处理，促进整体电池组的高安全性应用。

设单节磷酸铁锂电池的电压为3.8V，其最大充电电压允许至4.2V。则可设置单节电池的过充电压在3.8～4.2V，信号处理单元可在10ms内通过功率MOS管实现断电，以防止电池组的过充。

设单节磷酸铁锂电池的温度允许至120度，安全温度为60度，则设电池温度保护点为60度，当温度监控单元监控单节电池温度达到60度时，信号处理单元在10ms内通过功率MOS管实现断电，以防止电池组的温升。

为防止电池过放，设置过放压保护电压，设单节电池的最小允许电压为2.0V，则设电池的最小允许电压为2.0V，当单节电池达到2.0V时，信号处理单元在10ms内通过MOS管实现断电，以防止电池组的过放。

图4是本发明提供的防爆装置结构原理简图。将电路转换模块、输出电路和电池组控制电路完成电学连接后，进一步实现机械安装。

外围防爆装置5包括电池腔和本安腔，磷酸铁锂电池组置于电池腔内，其余部分，例如电路转换模块、输出电路和电池组控制电路等电路均置于本安腔内，两个腔体均按国家煤矿井下防爆相应标准制造和设计，腔体之间采用高强度防爆板制造，并采用机械过桥方式实现两个腔体间的电学连接。将上述电池组、其余部分分别进行相应的结构设计，并分别在电池腔和本安腔安装，从而可以构建用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置。

Claims (3)

1.一种用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，其特征在于：所述不间断电源装置含有电路转换模块(1)、输出电路(2)、电池组(3)、电池组控制电路(4)和外围防爆装置(5)；所述电路转换模块的输入端与外部交流电源相连，电路转换模块的输出端经过开关(6)和耐压二极管(7)，与输出电路和电池组及电池组控制电路的输入端呈串联连接，其中输出电路和电池组控制电路呈并联连接；所述电池组采用磷酸铁锂电池组，电池组和电池组控制电路为混联连接；所述的外围防爆装置包括电池腔和本安腔，电池腔和本安腔之间由防爆隔板分隔，磷酸铁锂电池组置于电池腔内，电路部分置于本安腔内，并采用机械过桥方式实现电学连接。

2.按照权利要求1所述的一种用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，其特征在于：所述的输出电路包括一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件、二级过压保护元件和开关处理单元；一级过流保护元件、二级过流保护元件、一级过压保护元件和二级过压保护元件之间串联连接，所述的开关处理单元与过流、过压保护元件并联连接。

3.按照权利要求1所述的一种用于煤矿井下监测监控的磷酸铁锂不间断电源装置，其特征在于：所述的电池组控制电路包括信号处理单元、功率MOS管、均衡电路、平衡负载和温度监控单元；所述的信号处理单元通过均衡电路和平衡负载实现对磷酸铁锂电池组在充、放电时的电压均衡处理，以及对功率MOS管和温度监控单元实现温度处理，其中均衡电路在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的电位，上传至信号处理单元；温度监控单元在电池组表面取磷酸铁锂电池组各子电池的温度信号，上传至信号处理单元。

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