CN103928948B - 井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，主控装置与充放电装置、电源装置连接；充放电装置与电源装置连接；主控装置：接收充放电装置、电源装置的电源状态信号，通过CAN总线控制充放电装置的充电以及电源装置的电池管理，并将外部市电进行电压转换供给避险救生设施；还具有液晶显示功能；充放电装置：根据主控装置的控制命令进行充放电的逻辑控制；电源装置：根据主控装置的控制指令进行电源管理，用于在外电供给异常时完成对避险救生设施的不间断供电。本发明结构设计灵活，控制模式采用主从式，从属控制板与电池组放置电源防爆箱内，信息数据交换通过CAN总线与主控板完成，灵活的实现多个电源模块的管理和扩展。

Description

井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统

技术领域

本发明属于煤矿井下紧急避险救生系统领域，尤其涉及一种为井下紧急避险救生设施提供动力的大容量电源系统。

背景技术

我国煤矿行业事故多发，究其原因大致为设备设施落后，工艺方法陈旧，管理措施混乱。矿难事故多造成巨大损失和人员伤亡，紧急避险救生系统可在事故发生时为井下作业人员提供保障生命安全的救生空间，是井下救援系统的重要环节。事故发生时，救生设施可在失去外电供应的情况下，需要一种大容量的电源提供动力，维持整个救生设施的正常运转，保障内部工作正常，以便为涉险人员提供必要的安全保障。目前大多此类电源采用铅酸电池进行供电，铅酸电池重量和体积大，寿命短，工作和维护过程中产生有害气体。迅速增长的锂离子电池提供了一种崭新的能源存储方式，然而其应用需要配合可靠地电池管理系统和安全有效的充放电措施，目前在井下矿用环境未有应用。

发明内容

本发明为井下避险救生设施提供了一种安全可靠，维护方便的大容量电源系统。本发明采用的技术方案如下：

井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于包括：主控装置与充放电装置、电源装置连接；充放电装置与电源装置连接；

主控装置：接收充放电装置、电源装置的电源状态信号，通过CAN总线控制充放电装置的充电以及电源装置的电池管理，并将外部市电进行电压转换供给避险救生设施；还具有液晶显示功能；

充放电装置：根据主控装置的控制命令进行充放电的逻辑控制；

电源装置：根据主控装置的控制指令进行电源管理，用于在外电供给异常时完成对避险救生设施的不间断供电。

所述电源装置包括从控板、电池支路、切换继电器；从控板与CAN总线、电池支路、切换继电器连接，用于采集电池支路的电池状态信号，根据主控板的控制指令进行充电均衡和放电控制；电池支路为两路，该两路的正极输出端分别与两个切换继电器的常开触点连接。

所述从控板包括：从控板CPU通过CAN总线与主控装置内的主控板连接，通过电源转换模块与主控装置内的电源转换模块连接，通过采集电路与电池连接，通过光耦隔离电路与切换继电器的线圈一端连接，线圈另一端接地；还通过均衡电路与电池连接。

所述均衡电路包括：电池正极通过二极管和并联的电阻的串联电路与场效应管B的S极连接，场效应管B的D极与电池负极连接，场效应管B的G极通过电阻R2与场效应管A的D极连接，场效应管B的S极与R2之间串联有电阻R1；场效应管A的G极与从控板CPU（30）连接，S极通过电阻R3接地；电池正负极之间还连有二极管。

所述主控装置包括：主控防爆模块和与其串口连接的液晶显示模块；所述主控防爆模块包括：主控板与电源转换模块、主回路继电器、本质安全电源模块连接，电源转换模块与本质安全电源模块连接；

电源转换模块用于将外部市电进行电压转换，分别供给避险救生设施、主控板、从控板和本质安全电源模块，本质安全电源模块将主控板或电源转换模块的电压进行转换作为本质安全电源输出；

主回路继电器的一个常开触点与电源装置的切换继电器的常闭触点连接，另一个常开触点与主控板连接。

所述主控板包括：外部供电以及主回路继电器的一个常开触点都分别通过电源转换模块、电流传感器与CPU连接，CPU与三个继电器的线圈一端连接，线圈另一端接地，继电器的常开触点与电流传感器输出端连接，其中两个继电器的另一常开触点作为非本安电源输出，第三继电器的另一常开触点与本质安全电源模块连接；CPU还通过RS-485模块与主控装置内的液晶显示模块连接，通过CAN总线与从控板连接。

所述充放电装置包括充电模块和放电模块；充电模块包括：充电机和继电器的一个常开触点连接；充电继电器的另一个常开触点与电源装置的切换继电器常开触点连接；充电机通过CAN总线与主控板连接；

放电模块包括放电设备和放电继电器的一个常开触点连接；继电器另一个常开触点与电源装置的切换继电器常开触点连接。

所述电源装置可以为多个。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明结构设计灵活，可根据用户需要自由调整系统电源输出能量。控制模式采用主从式，从属控制板与电池组放置电源防爆箱内，信息数据交换通过CAN总线与主控板完成，灵活的实现多个电源模块的管理和扩展。

2.本发明采用磷酸铁锂锂离子二次电池，可重复使用，实现外电供应正常期间的的电池自主充放电维护，相对已有的一次电池电源系统来说，具有重复使用，节约成本，提高效率的优点。

3.本发明配有充放电管理，通过系统对切换继电器的控制，能够实现外部供电条件下，单一支路电池的自动充放电保养维护。充电管理配有单体均衡控制，以电阻耗能的方式来均衡单体电池电压，能够保证电池单体在使用过程中的电压一致性，有效地维护单体电池，延长电池组的使用寿命，提高整机系统效率和使用安全性。

4.本发明控制系统响应迅速，通过主控板CPU对外部电路及继电器的逻辑控制，可完成在外电消失情况下，在1秒内完成内外供电模式的迅速切换，保证输出的连续性。同时，采用组合继电器切换可快速准确的定位故障环节的位置，报警并显示在液晶屏上。

附图说明

图1为本发明的结构方框图；

图2为本发明的主控装置结构原理方框图；

图3为本发明的电源装置结构原理方框图；

图4为本发明的液晶显示模块结构原理方框图；

图5为本发明的充放电装置结构原理框图；

图6为本发明的主控板结构方框图；

图7为本发明的从控板结构方框图；

图8为本发明的单体电池均衡电路图；

图9为使用多个电源装置的电源组合结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，该电源系统分为主控装置1、充放电装置2和电源装置3。

主控装置1包括主控防爆箱4和与其连接的液晶显示模块5；其中,如图2所示，主控防爆箱内分为主控腔和接线腔，主控腔内设有主控板（BMCU：BatteryManagementControlUnit）6、电源转换7、主回路继电器8和本安电源模块9；接线腔内装有外电输入端子、电池输入端子、本安接线端子、非本安接线端子、液晶供电端子、CAN通信端子、RS485通信端子和充放电控制端子。

如图4所示，液晶显示模块5本身是本质安全型模块，内部设有电源保护电路和光耦隔离模块。外部本安电源通过保护电路输出安全电压为其液晶屏及模块CPU供电，模块CPU与主控板6（BMCU）之间通过光耦隔离进行通信。液晶显示模块5能够将电池状态信息和故障报警信息显示出来。

如图5所示，充放电装置2由充电防爆箱和放电防爆箱组成。充电防爆箱内分为充电腔和接线腔，充电腔内有充电机12和充电继电器13；接线腔内设有外电输入端子、电池输入端子、CAN通信端子和充放电控制端子；放电防爆箱内分为放电腔和接线腔，分别装有放电设备14和放电继电器15以及电池端子和充放电控制端子；充放电装置2内的器件和电路构成充放电回路，由主控装置1控制，可自动完成电源电池各支路的充放电维护。

如图3所示，电源装置3即电源防爆箱，分为电池腔、控制腔和接线腔，电池腔内有两路电池支路16并联组成电池组，电池采用磷酸铁锂离子二次电池，可进行充电重复使用，电池支路16和切换继电器18、19构成本电源装置的主供电回路。电池腔内设有温度传感器采集电池单体温度，配有采集电路采集单体电池电压；从属控制板LMU17可完成温度、电压、电流的采集并计算电池SOC（StateofCharge）与主控板BMCU6通过CAN通信进行数据交换，从属控制板LMU17还通过控制切换继电器18及19将相应电池支路从主供电回路中切换到充放电回路进行维护保养。接线腔内设有外电输入端子、电池输入端子、CAN通信端子以及隔离开关，隔离开关可切断本电源模块与整机系统的连接。

各部分内部结构及功能如下：

如图1所示，本系统由主控装置1、充放电装置2和电源装置3组成。主控装置1包括主控防爆模块4和液晶显示模块5；充放电装置2包括充电防爆模块10和放电模块11。电源装置内包括从属控制板LMU17，两路并联的电池支路16以及对应每一路支路的切换继电器18和19。电池支路采用磷酸铁锂电池单体8个串联构成，满足输出所需24V电压。切换继电器18和19相同，各具有一路常开触点和一路常闭触点。

外部供电正常情况下，外电通过主控防爆模块4内的电源转换模块7转换出的直流36V分别为主控板BMCU6和从属控制板LMU17供电，同时，还有一路交流供电为本安电源模块9供电。此时，本系统的用于供给避险救生设施的非本安电源输出由电源转换模块7提供，两路电池支路16分别通过对应切换继电器18和19的常闭触点连接到主控防爆箱4内的主回路继电器8的常开触点上，外电断开时，主回路继电器8常开触点闭合完成供电接续。本安电源模块9的输出用来作为液晶显示模块供电和对外提供本安输出电源。此时，本系统的非本安电源输出由电源装置3通过主控板BMCU6上的继电器控制提供。

从属控制板LMU17通过采集电路33采集电池支路16中单体电池的温度、电压和支路的电流等电池状态数据，并根据主控板BMCU6的控制指令来驱动切换继电器18或19动作，将相应的电池支路16通过切换继电器18或19的常开触点连接到充放电回路中。

若准备对电池支路16进行充电操作，主控板BMCU6通过充放电控制信号驱动充电防爆箱内的充电继电器13的常开触点闭合，将充电机12的输出端连接至电源装置3中已经切换到充放电回路中的电池支路16上。同时，将充电参数和指令通过CAN总线下发到充电机12。

若准备对电池支路16进行放电操作，主控板BMCU6通过充放电控制信号驱动放电防爆箱内的放电继电器15的常开触点闭合，将放电设备14连接到电源装置3中已经切换到充放电回路中的电池支路16上进行放电。

如图6的主控制板BMCU的结构原理图所示，外部供电或电池电源经过主控制板BMCU6上的电源转换模块21后获得5V输出提供给主控板CPU20供电，并点亮指示灯22，启动看门狗电路23。主控板CPU20检测电源端电压，如果外电供应中断，主控板CPU20会控制主回路继电器8的常开触点闭合，切换电池电源供电，电流传感器24负责计算整个电路的总电流，电源通过电流传感器24后，通过三个继电器（J1）27、（J2）28、（J3）29的常开触点输出，分别作为系统的两路非本安输出，第三路连接至本安电源模块9完成本质安全电源输出。继电器（J1）27、（J2）28、（J3）29分别由主控板CPU20的I/O端口驱动控制。主控板CPU20会根据电流传感器24反馈的电流值控制切断系统三路输出来完成系统的短路保护功能。若反馈电流低于设置上限，认为工作正常，三个继电器接通；若反馈电流超过保护上限值，三个继电器（J1）27、（J2）28、（J3）29全部断开，经过若干设定恢复时间后，陆续接通，当继电器（J1）27接通后，若电流反馈值正常，继续接通继电器（J2）28，否则认为该支路短路，断开该继电器，继续接通下一继电器（J3）29，依次类推完成三路输出的接通操作，隔离掉短路支路。主控板CPU20通过RS485模块25和CAN总线模块26分别与液晶显示模块和从控板LMU17等进行通信。

如图7所示的从控板LMU结构原理图，从控板LMU17将供电电源通过板上电源转换模块31转换成5V电源给从控板CPU30供电。从控板CPU30通过采集电路33获得电池单体的电压、温度和支路电流。从控板CPU30通过CAN总线32获得主控板BMCU6的控制指令，根据指令驱动光耦隔离电路34控制切换继电器18、19动作将某一电池支路16切换到充放电回路中，等待充放电维护。若进行充电维护操作，从控板CPU30还会根据电池单体的状态检测数据通过均衡电路35对维护的电池支路16的单体电池进行均衡。

如图8所示，本系统中从控板LMU17的均衡电路属于被动均衡方式，通过旁路电阻分流降压的方法来实现，均衡操作只存在充电过程中，图8是单体电池均衡电路图。从控板CPU30通过输出PWM波形信号连接到场效应管（P-MOSFET）A的G极控制其通断，S极通过适合的选配电阻后接地，D极连接到均衡回路的另一个场效应管（P-MOSFET）B的G极控制均衡回路通断，（P-MOSFET）B的D极连接到电池单体的负极，S极通过并联的100欧姆的均衡电阻连接至电池单体的正极以电阻耗能的方式来均衡单体电池电压。均衡回路还有设有两个保护二极管IN5821和IN5404，用来防止回路中电压反向。

本系统可在外电供应正常情况下，对配置的电源装置中各个电池支路进行定期自动充放电维护。主控板BMCU6通过CAN总线下发维护指令给从属控制板LMU17，驱动切换继电器18，19隔离出相应电池支路至充放电回路，由主控板BMCU6控制驱动充电继电器13和放电继电器15完成充放电的电路切换。主控板BMCU6通过CAN总线将充电参数及指令下发至充电机12完成充电操作，在充电过程中从属控制板LMU还会监测并均衡支路内各个串联单体电池，提高充电效率，延长电池寿命。

本系统可在外电供应中断时，在1.0秒内迅速完成内外供电模式的切换，通过电池组继续供电保证输出的不间断性。本系统具有两路非本安电源输出和三路本安电源输出用来为不同类型负载提供电源。本系统主控板BMCU内嵌软件可实现系统的超温、过压、过流及短路保护，可及时切断问题电路或关闭系统输出，并具有故障诊断和报警显示功能。系统上位机软件可通过RS485灵活查看和配置系统内各数据记录和配置参数，有效地辅助故障分析和设置系统配置。

井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统的使用操作过程及工作原理：

按照图9所示，连接配置整个电源系统，将负载分别通过本安输出端子和非本安输出端子连接到系统的3路本安电源输出和2路非本安电源输出上；当外部供电输入正常时，外部输入电源通过本安电源模块给液晶显示模块供电；外部供电还通过电源转换模块给主控板BMCU及本安和非本安用电负载供电。根据需要主控板BMCU在外电供应正常的情况下，通过CAN总线下发指令到电源防爆箱内的从属控制板LMU驱动切换继电器切换相应电池支路到充放电回路进行自动充放电维护，切换完成后，主控板BMCU控制充电继电器和放电继电器开始相应的操作，其中，充电过程中LMU对电池组内的每只单体电池进行监测和均衡充电。当外电断电时，主控板BMCU检测到外部无电力输入，自动切换到电池组供电；电池组供电经过主控板BMCU输出给本安和非本安为各个负载供电，电池组供电还经本安电源模块给液晶显示模块供电。此时液晶显示模块上将原来显示的外部供电切换为电池组供电，并实时显示电池组工作状态。当电池电源运行过程中出现外部过流、短路故障时，控制系统启动智能保护功能软件，并在液晶显示模块上显示报警信息；当电池模块过放或温度过高时，控制系统自动切断外部电路并报警显示。

Claims (7)

1.井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于包括：主控装置(1)与充放电装置(2)、电源装置(3)连接；充放电装置(2)与电源装置(3)连接；

主控装置(1)：接收充放电装置(2)、电源装置(3)的电源状态信号，通过CAN总线控制充放电装置(2)的充电以及电源装置(3)的电池管理，并将外部市电进行电压转换供给避险救生设施；还具有液晶显示功能；

充放电装置(2)：根据主控装置(1)的控制命令进行充放电的逻辑控制；

电源装置(3)：根据主控装置(1)的控制指令进行电源管理，用于在外电供给异常时完成对避险救生设施的不间断供电；

所述电源装置(3)包括从控板(17)、电池支路(16)、第一切换继电器(18)、第二切换继电器(19)；从控板(17)与CAN总线、电池支路(16)、第一切换继电器(18)、第二切换继电器(19)连接，用于采集电池支路(16)的电池状态信号，根据主控板(6)的控制指令进行充电均衡和放电控制；电池支路(16)为两路，该两路的正极输出端分别与两个切换继电器(18)(19)的常开触点连接。

2.根据权利要求1所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述从控板(17)包括：从控板CPU(30)通过CAN总线与主控装置(1)内的主控板(6)连接，通过电源转换模块(31)与主控装置(1)内的电源转换模块(7)连接，通过采集电路(33)与电池连接，通过光耦隔离电路(34)分别与两个切换继电器(18)(19)的线圈一端连接，线圈另一端接地；从控板CPU(30)还通过均衡电路(35)与电池连接。

3.根据权利要求2所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述均衡电路(35)包括：电池正极通过第一二极管和并联的电阻再与场效应管B的D极连接，场效应管B的S极与电池负极连接，场效应管B的G极通过电阻R2与场效应管A的S极连接，场效应管B的D极与R2之间串联有电阻R1；场效应管A的G极与从控板CPU(30)连接，场效应管A的D极通过电阻R3接地；电池正负极之间还连有第二二极管。

4.根据权利要求1所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述主控装置(1)包括：主控防爆模块(4)和与其串口连接的液晶显示模块(5)；所述主控防爆模块(4)包括：主控板(6)与电源转换模块(7)、主回路继电器(8)、本质安全电源模块(9)连接，电源转换模块(7)与本质安全电源模块(9)连接；

电源转换模块(7)用于将外部市电进行电压转换，分别供给避险救生设施、主控板(6)、从控板(17)和本质安全电源模块(9)，本质安全电源模块(9)将主控板(6)或电源转换模块(7)的电压进行转换作为本质安全电源输出；主回路继电器(8)的一个常开触点分别与电源装置(3)的两个切换继电器(18)(19)的常闭触点连接，另一个常开触点与主控板(6)连接。

5.根据权利要求4所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述主控板(6)包括：外部供电以及主回路继电器(8)的一个常开触点都分别通过电源转换模块(21)、电流传感器(24)与CPU(20)连接，CPU(20)与三个继电器(27)(28)(29)的线圈一端分别连接，三个继电器(27)(28)(29)的线圈另一端接地，第一继电器(27)的常开触点、第二继电器(28)的常开触点、第三继电器(29)的常开触点与电流传感器输出端连接，第一继电器(27)的另一常开触点、第二继电器(28)的另一常开触点作为非本安电源输出，第三继电器(29)的另一常开触点与本质安全电源模块(9)连接；CPU(20)还通过RS-485模块(25)与主控装置(1)内的液晶显示模块(5)连接，通过CAN总线与从控板(17)连接。

6.根据权利要求1所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述充放电装置(2)包括：充电模块(10)和放电模块(11)；充电模块(10)包括：充电机(12)和充电继电器(13)的一个常开触点连接；充电继电器(13)的另一个常开触点分别与电源装置(3)的两个切换继电器(18)(19)常开触点连接；充电机(12)通过CAN总线与主控板(6)连接；

放电模块(11)包括放电设备(14)和放电继电器(15)的一个常开触点连接；放电继电器(15)另一个常开触点分别与电源装置(3)的两个切换继电器(18)(19)常开触点连接。

7.根据权利要求1所述的井下紧急避险救生设施用大容量锂离子电池电源系统，其特征在于：所述电源装置(3)可以为多个。