CN206180689U - 矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其中，输入的多种不同电压等级的电网电源，采用选择开关控制并进行闭锁，电源变换装置具有交流输入端和直流输入端，电源变换装置的交流输入端与电网电源输入电路相连接，电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组连接，充电模块的交流输入与电源变换装置的交流输入同源，充电模块的直流输出端与锂离子蓄电池组相连接，锂离子蓄电池管理系统负责管理和监测锂离子蓄电池的运行状态，并兼有不间断电源的管理功能。本实用新型摒弃铅酸蓄电池作为不间断电源的储能单元，采用锂离子蓄电池作为不间断电源的储能单元，防爆性好，工作稳定性高，使用寿命长。

Description

矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源

技术领域

本实用新型涉及矿山设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源。

背景技术

受煤矿安全运行规程和相关法规的限制，当前煤矿井下不间断后备电源全部采用的是小容量(7Ah以下)铅酸蓄电池作为储能单元；由于铅酸蓄电池在使用中会释放出氢气，且氢气浓度达到一定数值时，还会引发氢气爆炸。所以，煤矿安全运行规程和相关法规、标准规定，大容量的铅酸蓄电池，不得安装在煤矿井下隔爆箱中。

铅酸蓄电池长期处于浮充状态，蓄电池内部铅板表面易氧化，蓄电池容量衰减严重，加上铅酸蓄电池容量很小，易造成煤矿井下后备电源延时很短(0.5～1小时)，不能满足井下监测监控技术的发展及网络化信息化建设对于大容量长时间后备电源的需要。

为此，采用新型的锂离子蓄电池作为不间断电源的储能单元，成为今后煤矿井下不间断后备电源发展的必然。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种采用锂离子蓄电池作为储能单元的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，包括隔爆箱、以及设于隔爆箱内的电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路、锂离子蓄电池组和本质安全型通信模块，多种不同电压等级的电网电源的输入采用选择开关进行控制并实现闭锁，所述电源变换装置具有交流输入端和直流输入端，所述电源变换装置的交流输入端与电网电源输入电路相连接，所述电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组连接，所述充电模块与电网电源输入电路相连接，所述充电模块的输出端与锂离子蓄电池组连接，所述锂离子蓄电池管理系统负责管理和监测锂离子蓄电池组的运行状态，所述电压和温度监测电路、充电模块、电源变换装置均通过通信总线与锂离子蓄电池管理系统连接，锂离子蓄电池管理系统还负责管理和监测电源变换装置的工作状态。

进一步地，还包括与锂离子蓄电池管理系统连接的LCD显示模块。

进一步地，所述电源输入电路包括两路，其中一路包括第一电网电源输入开关，以及连接在第一电网电源输入开关输出端的第一过流保护元件，所述第一电网电源输入开关输入端连接AC127V电网电源；另一路包括第二电网电源输入开关，以及连接在第二电网电源输入开关输出端的第二过流保护元件，所述第二电网电源输入开关输入端连接AC1140V或AC660V电网电源。

进一步地，所述充电模块输出端、电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组之间连接有蓄电池保护电路，所述第一过流保护元件和第二过流保护元件为熔断器或断路器等其他过流保护元件。

进一步地，还包括连接在充电模块的正极输出端与充电回路正极之间的防倒灌二极管。

进一步地，所述锂离子蓄电池组上还连接有蓄电池投退开关，所述蓄电池投退开关与蓄电池组过流保护元件熔断器连接，所述蓄电池投退开关为断路器、真空接触器、电磁继电器或固态继电器等。

进一步地，所述电源变换装置为UPS电源。

进一步地，所述电源变换装置为逆变器，所述逆变器上连接有稳压模块或整流模块。

进一步地，所述隔爆箱包括外壳，以及设于外壳内相对独立的接线腔、设备腔和蓄电池腔，所述电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路和本质安全型通信模块均设于设备腔内，所述锂离子蓄电池组设于蓄电池腔内。

进一步地，所述隔爆箱设备腔内的锂离子蓄电池管理系统还可以通过隔爆箱外部的控制器进行参数设置和信息查询，控制器与锂离子蓄电池管理系统的连接可以通过本质安全型通信总线、红外线或蓝牙方式实现。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型摒弃铅酸蓄电池作为不间断电源的储能单元，采用锂离子蓄电池作为不间断电源的储能单元，防爆性好、工作稳定性高、使用寿命长。

2、本实用新型采用隔爆结构设计，能够满足煤矿井下防爆隔爆要求，安全性高；

3、本实用新型将铅酸蓄电池不间断电源中充电和电源变换功能合为一体的架构，分解成电源变换装置、锂离子蓄电池管理系统(充放电功能)两大独立部分，很好地解决了锂离子蓄电池均衡充电管理的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一的的框架图。

图2是本实用新型实施例二的的框架图。

图3是本实用新型实施例三的的框架图。

图4是本实用新型实施例四的的框架图。

图5是本实用新型中核心器件的接线图。

图6是本实用新型接线中隔爆箱的主视图。

图7是本实用新型接线中隔爆箱的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

参阅图1和图5所示，本实用新型提供一种矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，包括隔爆箱、以及设于隔爆箱内的电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路、锂离子蓄电池组和本质安全型通信模块，多种不同电压等级的电网电源的输入采用选择开关进行控制并实现闭锁，所述电源变换装置具有交流输入端和直流输入端，所述电源变换装置的交流输入端与电网电源输入电路相连接，所述电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组连接，所述充电模块与电网电源输入电路相连接，所述充电模块的输出端与锂离子蓄电池组连接，所述锂离子蓄电池管理系统负责管理和监测锂离子蓄电池组的运行状态，所述电压和温度监测电路、充电模块、电源变换装置均通过通信总线与锂离子蓄电池管理系统连接，锂离子蓄电池管理系统还负责管理和监测电源变换装置的工作状态。

参阅图6和图7所示，在本实用新型中，隔爆箱的作用在于：防爆隔爆，使不间断电源满足煤矿井下高防护性、高安全性要求。所述隔爆箱包括外壳，以及设于外壳内相对独立的接线腔、设备腔和蓄电池腔，所述电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路和本质安全型通信模块均设于设备腔内，所述锂离子蓄电池组设于蓄电池腔内。

电源输入输出电路的作用在于：将电网电源接入矿用隔爆兼本安型不间断电源内部，同时将电源变换装置输出的逆变电源(交流)输出至隔爆箱外部，供负载设备使用。

所述电源输入电路包括多路，其中一路包括第一电网电源输入开关JQX1、JQX2，以及连接在第一电网电源输入开关JQX1、关JQX2输出端的第一过流保护元件熔断器FU1，所述第一电网电源输入开关JQX、JQX2输入端连接AC127V电网电源；另一路包括第二电网电源输入开关P105以及连接在第二电网电源输入开关P105输出端的过流保护元件熔断器FU2，所述第三电网电源输入开关P105输入端连接AC1140V或AC660V电网电源。

所述电源输入电路的过流保护元件还可以选择断路器。

所述电源输入开关JQX1、JQX2、P105的通断由隔爆箱前门上的四档选择开关或按钮进行控制。

所述锂离子蓄电池管理系统的作用在于：全面控制充电模块对锂离子蓄电池的充电，并监测和管理锂离子蓄电池的放电过程；为锂离子蓄电池的充放电过程提供必要的保护；完成各类运行参数、故障信息的显示；实现通信功能，将不间断电源的运行参数和各类信息通过本质安全型通信模块上传至调度中心。

所述锂离子蓄电池管理系统用于控制充电模块的充电方式、充电电压和充电电流的大小；蓄电池管理系统还负责采集并显示每只蓄电池的实时电压和温度数据，出现故障或异常时发出告警；蓄电池管理系统还具有各种蓄电池充放电保护功能，保证蓄电池稳定和安全地工作。

所述锂离子蓄电池组上还连接有独立于锂离子蓄电池管理系统之外的蓄电池投退开关(GL+、GL-)，所述蓄电池投退开关还与蓄电池过流保护元件熔断器FU3连接，所述蓄电池投退开关为断路器、真空接触器、电磁继电器或固态继电器。

所述蓄电池投退开关的通断，由隔爆箱前门上的选择开关或按钮进行控制。

当锂离子蓄电池管理系统的过流保护功能失效时，第二过流保护元件熔断器FU3提供第二级保护，保证锂离子蓄电池的安全运行。

所述蓄电池第二过流保护元件还可以选择断路器。

矿用锂离子蓄电池为矿用隔爆兼本安型不间断电源的电能储存单元，串联连接成组。

电源变换装置的作用在于：当电网电源正常时，通过旁路或交流逆变回路、输出电路向负载设备输出交流电源；当电网电源出现故障或停电时，无间断地切换至直流逆变模式，将锂离子蓄电池的电能转换为交流电源，向负载设备供电。

本实用新型还包括与锂离子蓄电池管理系统连接的LCD显示模块。

在使用时，通过电缆将外部电网电源接入隔爆箱的接线腔中，通过接线腔中的隔爆型接线端子将电源输入到设备腔。由于电源输入电路可以同时接入多路不同电压等级的电网电源如AC127V、AC660V、AC1140V等，接入的多路电源不能同时工作，只能选择其一。为了防止误操作，在隔爆箱的设备腔防爆前门上设计有一选择开关(SA)，可以通过此开关选择电网电源并进行防误操作闭锁。

设备腔前门设计有选择开关(SA)，能够实现不间断电源输入电源的选择和闭锁。设备腔前门还设计有隔爆指示灯，负责输入输出电路状态的显示。设备腔前门还设计有若干隔爆按钮，控制输入输出电路的通断。

选择开关(SA)具有四个档位，分别是：交流Ⅰ、交流Ⅱ、逆变、开门。“交流Ⅰ路”为第一路电源输入，选择开关旋至此档，不间断电源使用此路电网电源；“交流Ⅱ路”为第二路电源输入，选择开关旋至此档，不间断电源使用此路电网电源；“逆变”档位外部电网电源无法接通，只能使用蓄电池电源。选择此档，可以在没有电网电源，需要为外部设备提供临时电源的情况下使用。另外，此档还可以作为蓄电池的放电激活档位，无论有没有电网电源，置于此档时，蓄电池为放电工作模式；“开门”档位不间断电源完全断开输入输出电路、为需要开启防爆前门时的档位。选择开关置于此档，隔爆箱设备腔内部全部断电，不间断电源无电源输入输出。设备腔内部检修时，可以置于此档位后开启前门。

由于煤矿井下使用的单相交流电源绝大多数为AC127V，本实施例仅就不间断电源输出电压为AC127V加以说明，其他输出电压等级类似。

由于不间断电源的输出电压为AC127V，因此井下单相AC127V电网电源接入设备腔后无需经过变压器(T1)变换电压，可直接输入至电源变换装置(DU)和充电模块(MK)的交流输入端。电源变换装置(DU)和充电模块(MK)的交流输入电压均为AC127V。当不间断电源的输入电压等级不符合输出电压时，则需要经过隔离变压器(T1)将电网电源变换到AC127V。例如:当输入的电网电压为AC1140V时，隔离变压器的变压比应选择为：AC1140V/AC127V。

所述电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组之间还连接有蓄电池保护电路。

在锂离子蓄电池管理系统中充电模块的交流输入与电源变换装置同源。充电回路用于给锂离子蓄电池充电并维持电能，并以均衡充电方式保证锂离子蓄电池的能量充足，具体的，还包括连接在充电模块的正极输出端与充电回路正极之间的防倒灌二极管，防倒灌二极管能够阻止蓄电池组的电流反向输入到充电模块内部，防止充电模块损坏。

所述电源变换装置不具备充电功能，不能直接对锂离子蓄电池充电。锂离子蓄电池的充电，需要通过锂离子蓄电池管理系统控制充电模块的充电模式来实现。蓄电池管理系统的充电模式分为：恒压充电模式和恒流充电模式。

本实施例中，所述电源变换装置为UPS电源。

通常UPS电源使用普通铅酸蓄电池作为储能单元时，UPS电源自带充电功能，但是，由于其充电方式简单，蓄电池长期处于浮充状态，铅酸蓄电池的内部铅板容易氧化，对蓄电池的容量保持和使用寿命影响很大。

本实施例采用锂离子蓄电池，UPS不具有充电功能，锂离子蓄电池的充电功能独立于UPS之外。

锂离子蓄电池与传统的铅酸蓄电池有着如下优点：

1、锂离子蓄电池使用中不会释放氢气，不会因为氢气浓度超标而发生爆炸，使用安全性高；

2、锂离子蓄电池使用寿命较铅酸蓄电池长。锂离子蓄电池充放电循环次数大于1200次，使用寿命可达十年以上。而铅酸蓄电池充放电循环次数只有500次左右，实际使用寿命只有3-5年左右；

3、铅酸蓄电池应用于不间断电源时，绝大多数时间蓄电池处于浮充电状态，蓄电池内部的铅板宜在其表面形成硫化层，严重影响铅酸蓄电池的充放电特性和使用寿命，所以铅酸蓄电池需要定期进行充放电维护。而锂离子蓄电池内部没有硫酸，不存在极板硫化，在使用寿命年限内，无需进行多次充放电来激活蓄电池；

4、锂离子蓄电池具有很好的防爆性和安全性，可以用于煤矿及石化等行业多易燃易爆气体环境中，适合煤矿井下等具有防爆要求场所；

5、锂离子蓄电池生产过程中不会像铅酸蓄电池一样带来严重环保问题，发展前景广阔。

本实施例中每一路输出都具有风电和瓦斯闭锁功能，它是运用外部风机或瓦斯信号控制输出开关的通断来实现的；所述每一路输出电路具有接地保护或漏电保护功能。

本实施例具有UPS三种工作模式：①交流逆变②直流逆变③旁路。默认“交流逆变”模式优先。在“交流逆变”模式下，电网电源输入至UPS后会经过滤波稳压处理，这样可以保证UPS输出的电源稳定性好。当电网电源出现异常或停电时，UPS无间断地切换至“直流逆变”模式工作，利用蓄电池组的放电电流，经UPS逆变稳压后输出稳定的交流电源。当UPS逆变电路出现故障时，还可以无间断地切换至“旁路”模式保持输出，保证输出无掉电情况。

在电网电源供电模式下，交流AC127V交流经过双BOOST升压为较高直流电压，后级通过半桥逆变器，经LC滤波后输出AC127V稳定交流电源；当电网电源故障和停电时，UPS无间断切换到蓄电池组供电，蓄电池输出的直流电源输入经隔离的高频全桥变换后，升压为隔离的较高直流电压，供后级逆变使用。采用UPS的优点是：市电通过UPS处理后，输出的电压稳定，电能质量提高。

UPS具有通信功能，通过通信总线，可以将其运行数据传输到锂离子蓄电池管理系统，并通过管理西显示器LCD显示运行数据和故障告警信息。

交流逆变电路和旁路的区别在于：逆变电路输出的电源经过滤波稳压处理，输出电源质量高。旁路为直通电路，没有经过UPS(DU)做任何处理，输出电源和电网电源为同一电源。

经过UPS处理后的逆变电源输出至输出电路。输出电路带漏电保护器LB。漏电保护器承担输出回路的漏电保护,当漏电电流达到设定值时瞬时自动切断输出电路。

实施例二

参阅图2所示，所述电源变换装置为逆变器TN，没有稳压单元WY和整流单元RSP。其余部分和实施例一样。实施例二架构简单，制造成本较低。图2中，逆变器有两个工作模式：①直流逆变模式②旁路模式。逆变器默认工作在“旁路”旁路模式，当电网电源出现异常或停电时，逆变器在极短时间内切换至“直流逆变模式”运行。逆变器工作在旁路状态下时，不间断电源输出的电源与电网电源相同，电源质量差，不利于用电设备的安全。

实施例三

参阅图3所示，所述电源变换装置为逆变器，即逆变器+稳压单元WY架构。其它部分与图1实施例一、图2实施例二相同。工作模式和实施例二一样。实施例三与实施例二的区别在于：在逆变器TN的旁路输入端的前端，增加了稳压器WY，对输入电网电源进行了稳压滤波处理。它的优点是：通过稳压器的滤波稳压处理，保证旁路输出电源电压稳定可靠，利于用电设备安全。

实施例四

参阅图4所示，所述电源变换装置为逆变器，即逆变器TN+整流单元RSP的架构。其它部分和图1实施例一、图2实施例二相同。实施例四与实施例二的区别在于：在逆变器TN的直流输入端并联连接了整流模块RSP。整流模块RSP的作用在于：把输入的电网电源经整流变换成直流电源后输入至逆变器TN，同时逆变器TN的工作模式设置为“逆变”模式，优先使用整流模块RSP提供的直流电源。它的优点是：逆变器TN优先运行在“逆变”工作模式，保证了不间断电源输出电源的质量。

本实施例还适用于不带“旁路”工作模式的逆变器，在逆变器工作正常时，不间断电源的输出全部通过逆变器TN逆变输出，当逆变器TN出现故障时，再通过逆变器外部继电器切换至电网电源输出。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：包括隔爆箱、以及设于隔爆箱内的电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路、锂离子蓄电池组和本质安全型通信模块，多种不同电压等级的电网电源的输入采用选择开关进行控制并实现闭锁，所述电源变换装置具有交流输入端和直流输入端，所述电源变换装置的交流输入端与电网电源输入电路相连接，所述电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组连接，所述充电模块与电网电源输入电路相连接，所述充电模块的输出端与锂离子蓄电池组连接，所述锂离子蓄电池管理系统负责管理和监测锂离子蓄电池组的运行状态，所述电压和温度监测电路、充电模块、电源变换装置均通过通信总线与锂离子蓄电池管理系统连接，锂离子蓄电池管理系统还负责管理和监测电源变换装置的工作状态。

2.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：还包括与锂离子蓄电池管理系统连接的LCD显示模块。

3.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述电源输入电路包括两路，其中一路包括第一电网电源输入开关，以及连接在第一电网电源输入开关输出端的第一过流保护元件，所述第一电网电源输入开关输入端连接AC127V电网电源；另一路包括第二电网电源输入开关，以及连接在第二电网电源输入开关输出端的第二过流保护元件，所述第二电网电源输入开关输入端连接AC1140V或AC660V电网电源。

4.根据权利要求3所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述第一电网电源输入开关和第二电网电源输入开关均由隔爆箱前门上的选择开关或按钮进行控制，所述第一过流保护元件和第二过流保护元件为熔断器或断路器。

5.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述充电模块的直流输出端、电源变换装置的直流输入端与锂离子蓄电池组之间连接有锂离子蓄电池保护电路。

6.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：还包括连接在充电模块的正极输出端与充电回路正极之间的防倒灌二极管。

7.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述锂离子蓄电池组上还连接有蓄电池投退开关，所述蓄电池投退开关上连接蓄电池过流保护元件熔断器，所述蓄电池投退开关为断路器、真空接触器、电磁继电器或固态继电器。

8.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述电源变换装置为UPS电源。

9.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述电源变换装置为逆变器，所述逆变器上连接有稳压模块或整流模块。

10.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述隔爆箱包括外壳，以及设于外壳内相对独立的接线腔、设备腔和蓄电池腔，所述电源输入输出电路、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、电源变换装置、电压和温度监测电路和本质安全型通信模块均设于设备腔内，所述锂离子蓄电池组设于蓄电池腔内。

11.根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池不间断电源，其特征在于：所述隔爆箱设备腔内的锂离子蓄电池管理系统还可以通过隔爆箱外部的控制器进行参数设置和信息查询，控制器与锂离子蓄电池管理系统的连接可以通过本质安全型通信总线、红外线或蓝牙方式实现。