PL206602B1 - Zasilacz akumulatorowy, zwłaszcza górniczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zasilacz akumulatorowy, zwłaszcza górniczy, znajdujący zastosowanie do zasilania urządzeń elektrycznych w podziemnych pomieszczeniach górniczych zagrożonych wybuchem lub oddziaływaniem agresywnego środowiska.

W górnictwie podziemnym w pomieszczeniach zagroż onych wybuchem gazów lub oddział ywaniem agresywnych czynników środowiskowych istnieje zapotrzebowanie na urządzenia elektryczne zasilane napięciem iskrobezpiecznym, niezależnie od górniczej sieci doprowadzającej energię elektryczną. Dla przykładu, w urządzeniach do sterowania funkcją rabowania, do zdalnego sterowania, w urzą dzeniach pomiarowych zlokalizowanych w miejscach trudno dostę pnych oraz w innych tego typu urządzeniach elektrycznych wykorzystuje się prądowe zasilacze akumulatorowe wielokrotnego ładowania wykorzystujące baterie niklowo-kadmowe (baterie Ni-Ca). Baterie Ni-Ca posiadają niewielką pojemność i niekorzystne parametry ponownego ładowania, ponieważ zawsze wtedy, gdy przed powtórnym ładowaniem nie zostaną rozładowane całkowicie, w wyniku tzw. efektu pamięciowego (memory-effect) uzyskuje się ograniczoną, możliwą do wykorzystania pojemność ładowania. Stąd też przy wykorzystywaniu baterii Ni-Ca w górnictwie podziemnym wymagana jest duża ilość baterii rezerwowych, które muszą być przetransportowane i zmagazynowane w podziemiach kopalni, przez co transport rozładowanych baterii i powrotny transport baterii naładowanych jest istotnym problemem logistycznym.

W górnictwie podziemnym przepisy bezpieczeństwa dopuszczają do stosowania w obszarach zagrożonych wybuchami tylko takie źródła prądu, które odpowiadają przepisom ochrony przeciwpożarowej. Każde badanie dopuszczeniowe związane jest ze znacznym nakładem kosztów, stąd też ekonomicznie nieuzasadnionym jest ponowne dopuszczanie do użytku w pomieszczeniach górniczych wielokrotnie zmienianych lub przerabianych baterii akumulatorowych. Z tego powodu w podziemiach kopalń często wykorzystuje się iskrobezpieczne zasilacze akumulatorowe, które wprawdzie nie odpowiadają najwyższym standardom, ale są powszechnie dopuszczone do stosowania, takie jak dla przykładu przedstawione w niemieckim opisie patentowym nr DE 30 50 751 C2 z 1980 r. Takie prądowe zasilacze akumulatorowe posiadają baterie Ni-Ca zlokalizowane w obudowie akumulatorowej oraz system elektroniczny nie mający charakteru urządzenia iskrobezpiecznego, umieszczony w obudowie elektroniki i zatopiony w kauczuku silikonowym. Obydwie obudowy umieszczone są we wnętrzu nadrzędnej, wspólnej dla nich obudowy. Alternatywnie, komory akumulatorowe mogą być zalane wraz z koniecznym okablowaniem masą ochronną , dla zapewnienia wymaganego zabezpieczenia przeciw zapłonowego. Naprawa takich zasilaczy, zwłaszcza zaś wymiana baterii w takich zasilaczach nie jest możliwa, biorąc pod uwagę choćby koszt takiej naprawy.

Poza górnictwem, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym, czy specjalistycznych zakładach naprawczych ciągle wzrasta zakres wykorzystywania baterii litowych w miejsce zwykłych baterii Ni-Ca. Uzasadnione dążenia do wykorzystywania baterii litowych występują również w innych obszarach techniki, wymienionych przykładowo w niemieckim opisie patentowym DE 695 18 147 T2 dotyczącym ładowalnych, wodnych baterii litowo-wodorojonowych. Jednak przy stosowaniu baterii litowych występują istotne problemy dotyczące zagadnień bezpieczeństwa, z powodu możliwych eksplozji takich baterii. Dlatego też do tej pory nie było szerokiego zastosowania baterii litowych ani w górnictwie, ani też w pomieszczeniach zagrożonych ewentualną eksplozją.

Znana jest na przykład z niemieckiego opisu patentowego DE 38 44 554 A1 lampa bezpieczeństwa dla górnictwa, w której wykorzystane są baterie składające się z ogniw litowych. Lampa ma umieszczone we wspólnej obudowie okienko świetlne, zasilaną prądem żarówkę i dwie równolegle połączone baterie z ogniw litowych. Lampa taka umożliwia wykorzystanie w górnictwie bez czynności konserwacyjno-naprawczych przez bardzo długi okres czasu, zbliżony nawet do 10 lat. Jak z tego wynika, baterie litowe umieszczone są we wspólnej z zasilanym urządzeniem obudowie, a więc stanowią faktycznie integralny element urządzenia. Nie ma przy tym możliwości ładowania ogniw, ani też zasilania różnych urządzeń, ani też zasilania różnych urządzeń w sposób wybiórczy w wyrobiskach, co oznaczałoby możliwość szerokiego wykorzystania baterii litowych w sprzęcie górniczym.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie takiego zasilacza akumulatorowego, zwłaszcza górniczego, który będzie mógł być używany w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem z wykorzystaniem baterii akumulatorowych litowych odpowiadających aktualnemu poziomowi techniki.

Istota wynalazku polega na tym, że bateria akumulatorowa litowa umieszczona jest w wyodrębnionej, umieszczonej poza konstrukcją zasilanego urządzenia obudowie akumulatorowej, odpornej na

PL 206 602 B1 ściskanie i posiadającej zabezpieczenie dla wszystkich baterii akumulatorowych litowych w niej umieszczonych. Wraz z baterią akumulatorową litową w obudowie tej zlokalizowany jest iskrobezpieczny ogranicznik nadmiarowy prądu i/lub napięcia w kierunku rozładowania, a ponadto umieszczony jest przełącznik ładowania z elektronicznym systemem regulacji prądu i napięcia ładowania oraz rozładowania baterii akumulatorowych litowych.

W korzystnym wykonaniu obudowa akumulatorowa jest gazoszczelna, a wię c odporna na działanie gazu i ciśnienia.

Korzystnym jest również, gdy obudowa akumulatorowa jest odporna na działanie elektrolitu.

W preferowanym wykonaniu bateria akumulatorowa składa się z ogniw litowo-jonowych albo ogniw litowo-polimerowych, w szczególności z płynnym elektrolitem.

Jednocześnie w preferowanym wykonaniu zasilacza obudowa akumulatorowa umieszczona jest wewnątrz obudowy nadrzędnej, albo wyposażona jest w obudowę dodatkową tak, że iskrobezpieczny zasilacz akumulatorowy w istocie może być zbudowany na zasadzie konstrukcji zespołowej, w której w odpornej mechanicznie obudowie akumulatorowej zlokalizowane s ą ogniwa litowe hermetycznie zabezpieczone przed wybuchem, mogące stanowić kombinacje ze wszystkimi koniecznymi bądź pożądanymi łączami zainstalowanymi w obudowie nadrzędnej, bądź dodatkowej.

Dla takiego wykonania obudowa akumulatorowa może być sporządzona z lekkiego, odpornego mechanicznie materiału, takiego jak na przykład blacha aluminiowa, podczas gdy nadrzędna lub dodatkowa obudowa wykonana jest z tworzywa sztucznego.

Zasilacz może korzystnie obejmować przełącznik ładowania, zwłaszcza iskrobezpieczny przełącznik ładowania, działający jako wyłącznik bezpieczeństwa, zlokalizowany we wnętrzu nadrzędnej, albo dodatkowej obudowy.

Zgodnie z wynalazkiem szczególnie korzystnym jest, gdy nadrzędna lub dodatkowa obudowa wyposażona jest w gniazdo ładowania, w którym osadzana jest wtyczka zasilana prądem z podziemnej sieci zasilającej, a więc gdy nadrzędna lub dodatkowa obudowa wyposażona jest w gniazdo poboru prądu i/lub przełącznik trybu roboczego i/lub włącznik/wyłącznik.

Dalej korzystnie w obrębie nadrzędnej lub dodatkowej obudowy, na zewnątrz obudowy akumulatorowej może znajdować się zespół połączeń zabezpieczających.

Celowym jest wówczas, gdy przełącznik ładowania oraz zespół połączeń zabezpieczających podłączone są elektrycznie pośrednio pomiędzy łączami elektrycznymi albo przewodami przyłączeniowymi na odpornej mechanicznie obudowie akumulatorowej w baterii akumulatorowej litowej a gniazdami poboru prą du i ł adowania.

W szczególnie korzystnym wykonaniu bateria akumulatorowa litowa umieszczona w obudowie akumulatorowej jest źródłem wewnętrznego napięcia roboczego, które jest wyższe niż bezpieczne napięcie robocze doprowadzane do odbiorników elektrycznych.

Dla przeprowadzenia procesu ładowania, mimo wysokiego wewnętrznego potencjału napięciowego, za pomocą iskrobezpiecznej podziemnej sieci zasilającej celowym jest wyposażenie przełącznika ładowania i/lub ogranicznika prądu w przetwornik stałoprądowy do odpowiednich wartości wewnętrznego napięcia roboczego, względnie wartości niższego zewnętrznego napięcia roboczego. Do tego celu mogą być stosowane zwłaszcza przetworniki typu DC/DC.

Szczególnie korzystnym jest takie wykonanie zasilacza, w którym bateria akumulatorowa litowa, umieszczona w przeznaczonej dla niej obudowie akumulatorowej, połączona jest z zespołem połączeń poprzez hermetyczny, odporny mechanicznie przepust izolowany w obudowie akumulatorowej.

Zasadniczą zaletą zasilacza według wynalazku jest to, że zasilacz ma własną obudowę akumulatorową, odporną mechanicznie i hermetyczną, przystosowaną do osadzania w niej wszystkich ogniw litowych składających się na baterię akumulatorową litową, dzięki czemu ogniwa litowe nie stwarzają zagrożenia wybuchowego dla otoczenia. W konfiguracji zasilacza według wynalazku tylko obudowa akumulatorowa podlega dopuszczeniu do ruchu według przepisów zabezpieczenia przeciwpożarowego, jako że istotną jest jej odporność na ciśnienie wewnętrzne powstające w przypadku wybuchu baterii akumulatorowej litowej. Wymiana samej baterii akumulatorowej litowej, ulokowanej w obudowie akumulatorowej spełniającej wymogi dopuszczeniowe, nie pociąga za sobą wygaśnięcia dopuszczenia do ruchu całego zasilacza akumulatorowego. Odporność mechaniczna obudowy akumulatorowej, zwłaszcza na ciśnienie wewnętrzne, umożliwia zatem stosowanie baterii akumulatorowych litowych w pomieszczeniach górniczych pod ziemią, przy czym dodatkową zaletą jest brak występowania w tych bateriach efektu pamię ciowego, co przekłada się również na dłuższą ich ż ywotność, znacznie wyższą pojemność elektryczną i na dłuższy czas efektywnej pracy. Niezależnie od powyższych zalet

PL 206 602 B1 istotnym jest również to, że wprowadzanie nowych technologii i rozwiązań dotyczących baterii akumulatorowych litowych nie wymaga aktualizacji dopuszczenia zasilacza, przez co mogą one być na bieżąco wprowadzane z określonymi korzystnymi skutkami techniczno-ekonomicznymi. Dodatkowo zauważyć trzeba, że zastosowanie ogranicznika nadmiarowo-prądowego i/lub ogranicznika przepięciowego powoduje ograniczenie co do wartości określonych maksymalnych parametrów prądu, niezależnie od typu zainstalowanej baterii akumulatorowej. To zaś, że w obudowie akumulatorowej zlokalizowany jest przełącznik ładowania, ładowanie ogniw baterii litowej może odbywać się za pośrednictwem wtyczki połączonej z podziemną siecią zasilania.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat budowy zasilacza akumulatorowego.

Zasilacz akumulatorowy 1 obejmuje obudowę akumulatorową 2 o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej oraz nadrzędną lub dodatkową obudowę 3. Obudowa akumulatorowa 2 wyposażona jest w skrzynkę 4, w komorze mocującej 5, w której osadzona jest bateria akumulatorowa składająca się z wielu połączonych szeregowo ogniw litowo-jonowych 6. Skrzynka 4 zamknięta jest z zachowaniem odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej pokrywą 7, zamocowaną przykładowo złączami śrubowymi 8, po zdemontowaniu której ogniwa litowo-jonowe 6 mocowane są w komorze mocującej 5. Grubość ścianek skrzynki 4 oraz pokrywy 7, a także złącza śrubowe 8 są tak dobrane, że nawet w przypadku wystąpienia w komorze mocującej eksplozji z towarzyszeniem maksymalnego określonego ciśnienia nie nastąpi jej mechaniczne uszkodzenie i pozostanie gazoszczelna. Wytrzymałość mechaniczna obudowy akumulatorowej 2 jest dobrana odpowiednio do maksymalnej oczekiwanej wartości ciśnienia przy eksploatacji baterii litowych 6. Sam materiał do wykonania skrzynki 4 oraz pokrywy 7 dobrany jest odpowiednio pod względem gazoszczelności i odporności na elektrolity, które wykorzystywane są w bateriach litowych 6 dla umożliwienia ruchu i przepływu jonów wytwarzających energię zasilającą.

Dodatkowa obudowa 3 przykręcona jest do czołowej ściany skrzynki 4, po stronie przeciwnej niż pokrywa 7, za pomocą złączy śrubowych 9. Jednakże, w preferowanym wykonaniu skrzynka 4 oraz jej pokrywa 7 wytworzone są z lekkiego metalu, zwłaszcza z aluminium, podczas gdy dodatkowa obudowa 3 wytworzona jest ze stosownego tworzywa sztucznego i całkowicie obejmuje skrzynkę 4 z pokrywą 7 tak, że zasilacz akumulatorowy 1 nie posiada zewnętrznych powierzchni metalowych. W prezentowanym na rysunku przykładowym wykonaniu powierzchnia 4' skrzynki 4 oraz powierzchnia 7 pokrywy 7 wytworzone są z blachy aluminiowej, ale od zewnątrz posiadają powłokę 10 ze sztucznego tworzywa, zapewniającą uzyskanie takiego samego rezultatu.

W dodatkowej obudowie 3 zlokalizowany jest zespół połączeń, przedstawiony schematycznie w postaci płytki 11, spełniający wiele funkcji. Wszystkie łącza na płytce 11 mają korzystnie charakter iskrobezpieczny. Płytka 11 za pośrednictwem łączy elektrycznych 12, 13 lub za pomocą przewodów łączących oraz przynajmniej jednego przewodu 14 sensorowego czujnika temperatury połączona jest z odpowiednimi stykami baterii litowej 6 za pośrednictwem umieszczonego w obudowie akumulatorowej 2 przełącznika ładowania PŁ, który ogranicza wartość maksymalną napięcia podawanego z baterii litowej 6. Łącza 12, 13 oraz przewód 14 przechodzą przez otwór 15 w dnie skrzynki 4, przy czym otwór 15 jest wykonany i zamknięty jako przepust izolowany 16 o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej, przechodzący przez elementy zabudowy, masę zalewową i/lub wsporniki stabilizujące.

Dodatkowo przez otwór 15 w postaci przepustu izolowanego 16 przechodzą przewody 12' i 13' łączące gniazdo poboru prądu 17 z ogranicznikiem nadmiarowo-prądowym NP, wyposażonym w połączenia zabezpieczające. Na płytce 11 zlokalizowany jest iskrobezpieczny wyłącznik ładowania oraz iskrobezpieczne połączenia zabezpieczające. Połączenia zabezpieczające połączone są elektrycznie łączami i przewodami 121, 13', dopuszczonymi do stosowania w podziemiach kopalń z gniazdem poboru prądu 17, do którego może być podłączony odbiornik. Oprócz gniazda poboru prądu 17 w dodatkowej obudowie 3 może znajdować się gniazdo ładowania 18. Przełącznik ładowania PŁ włączony pośrednio pomiędzy gniazdem ładowania 18, płytką 11 a łączami elektrycznymi 12, 13 baterii litowej 6, co pozwala na ponowne ładowanie jednego, bądź wielu ogniw litowych iskrobezpiecznego zasilacza akumulatorowego 1 poprzez nie narysowaną wtyczkę, podłączoną do podziemnej sieci zasilania w energię elektryczną.

W preferowanym wykonaniu, baterie litowe 6 mają na swych klemach, do których dołączone są łącza elektryczne 12, 13 napięcie o potencjale wyższym niż potrzebne do pracy urządzeń sterujących, sterowników, urządzeń pomiarowych i urządzeń warsztatowych używanych w podziemiach kopalń, a nie będących urządzeniami stacjonarnymi, mogącymi być zasilanymi z podziemnej sieci zasilającej.

PL 206 602 B1

Zespół połączeń 12', 13', jak i ogranicznik nadmiarowo-prądowy NP wyposażone są w przekładnik stałoprądowy DC/DC służący do przetransformowania wewnętrznego napięcia roboczego baterii litowej 6 na zewnętrzne napięcie robocze na gnieździe poboru prądu 17. Ponadto przełącznik ładowania PŁ wyposażony jest w elektroniczny system regulacji prądu ładowania i napięcia ładowania baterii litowej 6.

Przedstawiony przykład wykonania wynalazku nie ogranicza zakresu ochrony i w ramach tego wynalazku istnieje szereg możliwych jego wykonań i modyfikacji.

Claims (17)

1. Zasilacz akumulatorowy, zwłaszcza górniczy, przeznaczony do zasilania elektrycznych urządzeń i posiadający co najmniej jedną, zlokalizowana w obudowie baterię akumulatorową wielokrotnego ładowania, przykładowo baterię akumulatorową litową, znamienny tym, że ta bateria akumulatorowa litowa (6) umieszczona jest w wyodrębnionej, umieszczonej na zewnątrz urządzenia zasilanego obudowie akumulatorowej (2) odpornej na ściskanie, która ma zabezpieczenie dla wszystkich baterii akumulatorowych litowych (6), przy czym w obudowie akumulatorowej (2) wraz z baterią akumulatorową litową (6) zlokalizowany jest iskrobezpieczny ogranicznik nadmiarowy prądu i/lub napięcia (NP) w kierunku rozładowywania, a ponadto w obudowie akumulatorowej (2) umieszczony jest przełącznik ładowania (PŁ) z elektronicznym systemem regulacji prądu i napięcia ładowania oraz rozładowania baterii akumulatorów litowych (6).

2. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa akumulatorowa (2) jest gazoszczelna.

3. Zasilacz według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że obudowa akumulatorowa (2) jest odporna na działanie elektrolitu.

4. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że bateria akumulatorowa litowa (6) składa się z ogniw litowo-jonowych albo ogniw litowo-polimerowych.

5. Zasilacz według zastrz. 4, znamienny tym, że ogniwa litowe baterii akumulatorowej litowej (6) zawierają płynny elektrolit.

6. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa akumulatorowa (2) zlokalizowana jest w nadrzędnej obudowie lub wyposażona jest w dodatkowa obudowę (3).

7. Zasilacz według zastrz. 6, znamienny tym, że obudowa akumulatorowa (2) wykonana jest z lekkiego, odpornego mechanicznie materiału, korzystnie z aluminium, a nadrzędna albo dodatkowa obudowa (3) wykonana jest z tworzywa sztucznego.

8. Zasilacz według zastrz. 7, znamienny tym, że lekki materiał odporny na ściskanie to lekki metal.

9. Zasilacz według zastrz. 8, znamienny tym, że lekki metal to aluminium.

10. Zasilacz według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że wewnątrz nadrzędnej albo dodatkowej obudowy akumulatorowej (3) zlokalizowany jest na płytce (11) iskrobezpieczny wyłącznik bezpieczeństwa.

11. Zasilacz według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że nadrzędna lub dodatkowa obudowa (3) wyposażona jest w gniazdo ładowania (18), do którego przyłączana jest wtyczka ładująca podziemnej sieci zasilającej.

12. Zasilacz według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że nadrzędna lub dodatkowa obudowa (3) wyposażona jest również w gniazdo ładowania i poboru prądu (16, 17) i/lub przełącznik trybu roboczego, i/lub włącznik/wyłącznik.

13. Zasilacz według zastrz. 8, znamienny tym, że wewnątrz nadrzędnej albo dodatkowej obudowy (3), ale poza obudową akumulatorową (2), umieszczony jest zespół połączeń zabezpieczających (11).

14. Zasilacz według zastrz. 11, znamienny tym, że przełącznik ładowania (PŁ) oraz zespół połączeń zabezpieczających (11) podłączone są elektrycznie, pośrednio, pomiędzy łączami elektrycznymi (12', 13'; 12, 13) na obudowie akumulatorowej (2) dla baterii akumulatorowej litowej (6) a gniazdami poboru prądu (17) i ładowania (18).

15. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że bateria akumulatorowa litowa (6) umieszczona w obudowie akumulatorowej (2) jest źródłem wewnętrznego napięcia roboczego wyższego niż bezpieczne napięcie robocze, doprowadzone na wyjściu do odbiorników elektrycznych.

PL 206 602 B1

16. Zasilacz według zastrz. 8, znamienny tym, że przełącznik ładowania i/lub ogranicznik prądu (PŁ, NP) wyposażony jest w przetwornik stałoprądowy do transformacji potencjałów napięcia.

17. Zasilacz według zastrz. 8 albo 10, albo 14, znamienny tym, że bateria akumulatorowa litowe (6) połączona jest z zespołem połączeń (11, 17) poprzez hermetyczny, odporny mechanicznie przepust izolowany (16) w obudowie akumulatorowej (2).