CN103312027A - 在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源及控制方法，适用于煤矿井下使用。包括充电器、AC-DC转换模块、磷酸铁锂电池组、DC-DC转换模块、电池管理系统、二极管、继电器和隔爆壳，并通过电池管理系统控制二极管和继电器从而实现外部电源供电和内部磷酸铁锂电池组供电的切换，从而实现在线式不间断供电，可将外部输入的交流电转化为稳定的直流电对负载供电，当外部输入突然断电时可无缝切换到内部电池组供电状态，并可监测电池组的电压、电流、温度状态，可根据这些热电状态及时做出过热、过压、过流、欠压等异常状态保护动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种不间断直流电源及控制方法，特别是一种适用于煤矿井下使用的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源及控制方法。
背景技术
随着我国煤矿机械化、自动化程度的提高，不间断供电隔爆电源在井下的电气设备的监控、通讯、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛，越来越多的煤矿装备需要使用大容量隔爆蓄电池电源。
目前，我国的矿用隔爆电源所用蓄电池大多为铅酸蓄电池。与铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池具有更高的能量重量比和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，瞬间放电电流大，循环使用寿命长等优点，因此，磷酸铁锂电池已经成为煤矿用防爆蓄电池电源的一个最优选择。
为保证采用磷酸铁锂电池组的矿用后备电源在井下能安全工作，安标国家中心研究了相关标准现状，深入分析了相关产品安全技术现状，组织业内专家、相关检测检验机构、电池制造企业进行反复仔细研究，在2012年2月颁布了暂行的《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》，该标准给矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源的设计提出了功能要求，在此功能要求上对矿用隔爆（兼本安）锂离子蓄电池不间断直流电源的研究与创新设计有着极其重要的应用价值。
目前的矿用隔爆电源的缺陷与不足是：
（1）、目前的矿用隔爆电源使用的电池组都是铅酸蓄电池，该类型电池放电电流小，有危险气体析出，电池电量小，体积大，循环使用寿命短。
（2）、目前的矿用隔爆电源不间断供电电路结构复杂，且不能实现对外部电源供电和电池组供电的在线无缝切换，即在发生突然断电时外部电源供电与电池组供电切换时间比较长，电压有抖动，此切换时间可能会影响到对负载的正常供电。
（3）、目前的矿用隔爆电源一般不具有输出电压的稳压功能，输出电压波动范围比较大。
发明内容
本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、体积小、放电电流大、使用寿命长的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源及控制方法。
为实现上述技术目的，本发明的在线无缝切换的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源包括隔爆腔，隔爆腔上分别设有输入端接口和输出端接口，隔爆腔内设有磷酸铁锂电池组，磷酸铁锂电池组分别连接有AC-DC转换模块、DC-DC转换模块和充电器，所述AC-DC转换模块和充电器分别与输入端接口相连接，DC-DC转换模块与输出端接口相连接，磷酸铁锂电池组上设置有电池管理系统，磷酸铁锂电池组与充电器之间设有正向设置的二极管D1和逆向设置的二极管D2，所述二极管D1和二极管D2上分别设置有继电器J1和继电器J2，所述电池管理系统分别与继电器J1和继电器J2相连接，充电器输出端与AC-DC转换模块的输出端之间设有正向的二极管D3，AC-DC转换模块的输出端上设有逆向二极管D4。
所述的电池管理系统由微控制器、电流传感器、电池管理芯片、均衡模块、温度采集模块、通信模块、显示模块、报警电路组成，微控制器分别通过SPI总线与电池管理芯片和显示器连接，电池管理芯片与均衡电路相连接，通过AD采集线与电流传感器连接，电流传感器连接到磷酸铁锂电池组的输出端上，通过GPIO口分别与报警电路和设置在磷酸铁锂电池组上的温度采集模块连接，通过CAN接口与通信模块连接，所述的电池管理芯片与均衡模块和磷酸铁锂电池组连接。
一种使用上所述电源的电流控制方法，步骤如下：
当外部电源接通时，与输入端接口相连接的AC-DC转换模块输出直流电压高于电池组电压和充电器输出电压，此时二极管D3截止，二极管D4导通，DC-DC转换模块的正极与AC-DC转换模块正极导通，此时由AC-DC转换模块向通过DC-DC转换模块向输出端负载供电，磷酸铁锂电池组不工作；当输入端接口的外部电源断电，二极管D1导通，继电器J2在磷酸铁锂电池组处于常闭状态，二极管D3导通，二极管D4截止，此时磷酸铁锂电池组开始工作，处于供电状态；若电池管理系统检测到磷酸铁锂电池组电压过低，即磷酸铁锂电池组已不能正常对外放电时，电池管理系统控制继电器J1闭合，继电器J2断开，充电器通过二极管D2和继电器J1形成的通路，通过充电器对磷酸铁锂电池组进行充电，磷酸铁锂电池组不再对外放电。
有益效果：本发明能直接将输入的交流电通过AC-DC转换模块转换为直流电对外输出；将大电流二极管与继电器组合设计，当外部电源突然断电时，可以通过电池管理系统控制继电器无缝切换到备用电池组供电状态；备用电池组采用磷酸铁锂电池，电池容量大，可大电流放电，循环使用寿命长，而且无危险气体析出，比较安全，可在线无缝切换；带有DC-DC转换模块，可以将输出电压稳定在标称值；电池管理系统能监测和显示电池组中每节单体电池的电压和温度以及电池组充放电电流，当发生过压、欠压、过温、过流等异常状态时，电池管理系统可控制继电器J1和继电器J2断开输出等保护动作，具有电池组充电均衡功能，电池管理系统还能在充电时有某节电池与其他电池电压不一致时可自动开启均衡功能；所有模块均放置于隔爆壳内，可直接应用到煤矿井下等易爆场所。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为电池管理系统结构框图。
具体实施方式
参照附图对本发明的一个实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源，包括隔爆腔，隔爆腔上分别设有输入端接口和输出端接口，输入端与127V外部电源相连接，隔爆腔内设有磷酸铁锂电池组，磷酸铁锂电池组分别连接有AC-DC转换模块、DC-DC转换模块和充电器，所述AC-DC转换模块和充电器分别与输入端接口相连接，DC-DC转换模块与输出端接口相连接，磷酸铁锂电池组上设置有电池管理系统，磷酸铁锂电池组与充电器之间设有正向设置的二极管D1和逆向设置的二极管D2，所述二极管D1和二极管D2上分别设置有继电器J1和继电器J2，所述电池管理系统分别与继电器J1和继电器J2相连接，充电器输出端与AC-DC转换模块的输出端之间设有正向的二极管D3，AC-DC转换模块的输出端上设有逆向二极管D4。
如图2所示，所述的电池管理系统由微控制器、电流传感器、电池管理芯片、均衡模块、温度采集模块、通信模块、显示模块、报警电路组成，微控制器分别通过SPI总线与电池管理芯片和显示器连接，电池管理芯片与均衡电路相连接，通过AD采集线与电流传感器连接，电流传感器连接到磷酸铁锂电池组的输出端上，通过GPIO口分别与报警电路和设置在磷酸铁锂电池组上的温度采集模块连接，通过CAN接口与通信模块连接，所述的电池管理芯片与均衡模块和磷酸铁锂电池组连接。
一种使用上述在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源的控制方法，当外部电源接通时，与输入端接口相连接的AC-DC转换模块输出直流电压高于电池组电压和充电器输出电压，此时二极管D3截止，二极管D4导通，DC-DC转换模块的正极与AC-DC转换模块正极导通，此时由AC-DC转换模块向通过DC-DC转换模块向输出端负载供电，磷酸铁锂电池组不工作；当输入端接口的外部电源断电，二极管D1导通，继电器J2在磷酸铁锂电池组处于常闭状态，二极管D3导通，二极管D4截止，此时磷酸铁锂电池组开始工作，处于供电状态；若电池管理系统检测到磷酸铁锂电池组电压过低，即磷酸铁锂电池组已不能正常对外放电时，电池管理系统控制继电器J1闭合，继电器J2断开，充电器通过二极管D2和继电器J1形成的通路，通过充电器对磷酸铁锂电池组进行充电，磷酸铁锂电池组不再对外放电。
在外部电源有电时，将127V外部电源输入分别对充电器和AC-DC模块供电，在磷酸铁锂电池组需要充电时充电器通过二极管D2和继电器J1对磷酸铁锂电池组充电，而AC-DC模块通过二极管D4对DC-DC模块供电，DC-DC模块将AC-DC模块输入的电压变为标称电压后对输出端的外部负载输出；当外部电源突然断电时，依靠二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和继电器J1、继电器J2的连接组合和电池管理系统的控制，二极管D1、继电器J2、二极管D3导通，二极管D2、二极管D4截止，本发明的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源切换到电池组对外供电状态，此时AC-DC模块的输出电压应当高于充电器和磷酸铁锂电池组的输出电压，以保证在有外部电源供电时由AC-DC模块对DC-DC模块供电；磷酸铁锂电池组开始充电，能储存较大电量并可大进行电流放电。 本发明能够直接将输入的交流电转换为直流电对外输出。
下面对在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源做如下说明；
充电器：
充电器与大电流二极管D2、电池管理系统和继电器J1配合用于完成磷酸铁锂电池组的充电，本实施例中其输入电压为127V，输出电压为29.2V，可对8节磷酸铁锂电池进行充电，最大充电电流为5A。
AC-DC模块：
AC-DC模块用于将外部输入的交流电转换为直流电，本实施例中其输入电压为127V，输出电压为32V，输出32V电压可保证大电流二极管D4导通、二极管D3截止，从而在有外部电源供电时实现AC-DC模块对外部负载供电，而不是磷酸铁锂电池组或者充电器对外部负载供电。
电池管理系统：
电池管理系统是集监测锂电池的单体电压、温度、电流、容量和均衡管理、充放电管理、显示、通信为一体的综合装置；本实施例中微控制器为STM32F103VCT6，电流传感器为霍尔电流传感器，电池管理芯片为LTC6803-4，均衡模块为电阻均衡，温度采集模块为DS18B20，通信模块为PCA82C250，显示器为2.8寸TFT液晶显示屏，报警电路为有源蜂鸣器。
磷酸铁锂电池组：
磷酸铁锂电池组用于完成系统的能量存储，在外部电源断电的时候实现不间断对外供电。电池组是系统的核心部件，应当选用符合《矿用防爆锂（兼本安）离子蓄电池电源安全技术要求》的锂电池；本实施例中电池组选用8节标称电压为3.2V、标称容量为60Ah的磷酸铁锂电池组。
DC-DC模块：
DC-DC模块主要负责将AC-DC模块或者电池组输出的电压稳定在标称输出值，以减少输出电压波动使得对负载的影响最小；本实施例中DC-DC模块输入电压为16~45V，输出电压为24V。
继电器：
系统中包括两个继电器J1、继电器J2，用于配合大电流二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，充电器和电池管理系统完成磷酸铁锂电池组的充放电管理和在外部电源断电后进行磷酸铁锂电池组不间断供电切换，本实施例中继电器使用固态直流继电器，允许流过的最大电流为12A。
二极管：
系统中包含四个二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，二极管D1、二极管D2、二极管D3用于和继电器J1、继电器J2配合完成磷酸铁锂电池组的充放电管理和在外部电源断电后的磷酸铁锂电池组不间断供电切换，二极管D3、二极管D4相互配合以保证有外部电源供电时是AC-DC模块对外供电而不是电池组对外供电。本实施例中二极管采用最大允许电流为12A的大电流二极管。
隔爆壳：
所有设备都装在隔爆壳内，隔爆壳用于隔离内部系统与外部环境，当内部系统有火花时不会引爆外部环境的易爆气体。
Claims (3)
1.一种在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源，其特征在于：它包括隔爆腔，隔爆腔上分别设有输入端接口和输出端接口，隔爆腔内设有磷酸铁锂电池组，磷酸铁锂电池组分别连接有AC-DC转换模块、DC-DC转换模块和充电器，所述AC-DC转换模块和充电器分别与输入端接口相连接，DC-DC转换模块与输出端接口相连接，磷酸铁锂电池组上设置有电池管理系统，磷酸铁锂电池组与充电器之间设有正向设置的二极管D1和逆向设置的二极管D2，所述二极管D1和二极管D2上分别设置有继电器J1和继电器J2，所述电池管理系统分别与继电器J1和继电器J2相连接，充电器输出端与AC-DC转换模块的输出端之间设有正向的二极管D3，AC-DC转换模块的输出端上设有逆向二极管D4。
2.根据权利要求1所述的在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源，其特征在于：所述的电池管理系统由微控制器、电流传感器、电池管理芯片、均衡模块、温度采集模块、通信模块、显示模块、报警电路组成，微控制器分别通过SPI总线与电池管理芯片和显示器连接，电池管理芯片与均衡电路相连接，通过AD采集线与电流传感器连接，电流传感器连接到磷酸铁锂电池组的输出端上，通过GPIO口分别与报警电路和设置在磷酸铁锂电池组上的温度采集模块连接，通过CAN接口与通信模块连接，所述的电池管理芯片与均衡模块和磷酸铁锂电池组连接。
3. 一种使用权利要求1所述在线式矿用隔爆锂离子蓄电池不间断直流电源的控制方法，其特征在于：当外部电源接通时，与输入端接口相连接的AC-DC转换模块输出直流电压高于电池组电压和充电器输出电压，此时二极管D3截止，二极管D4导通，DC-DC转换模块的正极与AC-DC转换模块正极导通，此时由AC-DC转换模块向通过DC-DC转换模块向输出端负载供电，磷酸铁锂电池组不工作；当输入端接口的外部电源断电，二极管D1导通，继电器J2在磷酸铁锂电池组处于常闭状态，二极管D3导通，二极管D4截止，此时磷酸铁锂电池组开始工作，处于供电状态；若电池管理系统检测到磷酸铁锂电池组电压过低，即磷酸铁锂电池组已不能正常对外放电时，电池管理系统控制继电器J1闭合，继电器J2断开，充电器通过二极管D2和继电器J1形成的通路，通过充电器对磷酸铁锂电池组进行充电，磷酸铁锂电池组不再对外放电。
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