基于矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源的设计.pdf
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1、电子技术基于矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源的设计李庆栋(上海埃意自动控制系统有限公司,上海2 0 16 0 0摘要:为解决矿井下检测通信系统失电后一些重要数据需要保存,本文介绍一种矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源。电池组采用2 4串6 0 Ah磷酸铁锂电池共46 0 0 Wh的不间断电源,采用先进的BMS方案,为电池的充放电提供可靠的保障,让电池时刻保持一种健康状态,当矿井下检测通信系统失电后电源能够迅速响应。同时,电源还提供了RS485、C A N通信接口,用于远程检测锂离子蓄电池电源的运行状态。关键词:锂电池;不间断电源;BMS;R S48 5;C A N当前,随着煤炭工业发展和煤矿装备
2、的进步,煤矿井下电力监控系统、监测通信系统、紧急避险设施对防爆电源的容量要求越来越高,加之目前井下变电所高压开关保护电源采用柜体自身交流电源控制,存在系统出现短路时,容易造成操作电压降低,断路器不能分闸;高压控制电源检修时,容易发生低压反馈高压电源造成事故;存在三相不平衡问题,容易产生杂波及电磁干扰,相对稳定性及可靠性差;停电时,高压电路各项保护及断路器不能正常工作,保护器不能记录分析数据和系统进行保护等现象。根据应急管理部下发淘汰落后安全技术装备目录(2 0 16 年第一批)要求,采用交流电源控制的保护电源建议逐步淘汰,采用直流电源控制的保护电源代替。为此,本文设计了一种矿用隔爆兼本安型锂离
3、子蓄电池电源,采用2 4串6 0Ah磷酸铁锂电池作为备用电,双电源交流12 7 V、交流660V同时供电,通过整流滤波成波形平滑的直流电,再经过充电模块给电池充电,同时直流电再逆变成交流电输出并到系统中。一、双电源供电的设计通常矿用井下的供电电源有交流12 7 V、交流220V、交流6 6 0 V、交流1140 V等,常见的用得最多的有交流12 7 V和交流6 6 0 V。所以本设计的供电方案选用交流12 7 V和交流6 6 0 V同时供电,其中交流12 7 V为常用状态,交流6 6 0 V为备用状态。输入的交流12 7 V连接在DC24V功率型继电器的常开端,输人的交流6 6 0 V连接在D
4、C24V功率型继电器的常闭端,同时接在变压器的初级侧,次级侧通过二极管整流电容滤波产生DC24V控制继电器,当有DC24V时,继电器的初始状态为常闭状态。所以当输入交流12 7 V和交流6 6 0 V同时供电时,输出状态只有交流6 6 0 V有电,交流12 7 V那一路没有输出。当输入交流6 6 0 V断电时,交流12 7 V快速投切上去输出交25新潮电子流12 7 V。当然也可以单独输入单路供电,因为矿井下电源箱的使用场地复杂多样化,可能有的使用场地没有交流12 7 V那一路,有的使用场地没有交流660V那一路,这时候其中一路作为单路供电也是可以维持后级电路正常工作的。只是当输人级同时接上交
5、流12 7 V和交流6 6 0 V供电为后级电路正常工作运行又增添了一道安全保障。二、不间断电源的运行模式考虑到不同使用环境下和不同客户需求,本设计的不间断电源运行模式有3种:在线、节能和在线手动。(一)在线模式在线模式下,不间断电源的整流器、逆变器均处于工作状态,整流器将外电源(输入市电)转换为稳定的直流电。直流电同时给电池浮充,也为逆变器供电。逆变器将直流电转换为交电并为负载供电,这样可以保证提供最稳定和“干净”的电源。如果外电源消失(停电)或者电源质量急剧劣化,则不间断电源将切换到用电池为逆变器供电,继续为负载提供优良的电源供应。由于有两个转换级AC/DC和DC/AC,在线模式也通常被称
6、为“双转换”。(二)节能模式节能模式下,不间断电源的静态旁路开关处于“旁路”模式,不间断电源的外电源不经过整流器、逆变器,而是直接通过静态旁路开关为负载供电。整流器同时以小功率运行,为电池提供浮充电流。节能模式下的逆变器处于待机状态,一旦检测到外电源消失,不间断电源迅速切换到逆变状态,将蓄电池提供的直流电逆变为交流电为负载供电。因为电源不经整流器和逆变器转换,所以电能损失很小,节能模式有时被称为旁路模式。需要注意的是由于负载需要承受市电波动的风险,只有为比较“强壮”的负载供电时,UPS才可以第2 2 期(总第553期)第2 2 期(总第553 期)采用节能模式。(三)在线手动模式在线手动模式类
7、似于离线模式,负载直接通过静态旁路开关由外电源供电,但整流器不工作,蓄电池通过逆变器反向工作(AC/DC)获得浮充电流。采用在线手动式模式运行的不间断电源可采用舍弃整流器的设计,有助于降低UPS制造成本。三、电池组BMS的设计关于电池组的充放电问题,安标办有一套严格的要求,2 0 2 1年安标中心提出了矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求。针对此要求,本设计专门对技术要求的每一项功能项目都做了相应的软件和硬件调整。BMS系统充放电对单体电池电压的采样精度达到了0.1%,单节电池的温度采样精度控制在2,电池组的电压电流采样精度为0.1%,SOC和绝缘检测精度为1%,分别满足标准上对BMS系统对于
8、精度采样上的要求。BMS系统具有单体电池电压过充保护、单体电池电压过充保护失效检测功能,单体电池过充电压保护是指充电过程中2 4节电池的某一节电压达到3.5V时,2S内断开与充放电设施连接,显示屏应当在5S内有警告信息。单体电池过充电压保护失效检测功能是指人为跳过继电器,以小电流继续对电池组充电,当电池组中某节电池电压达到3.5 3.6 V时,显示屏在5S内报警。BMS系统具有单体电池电压过放保护、单体电池电压过放保护失效检测功能,单体电池过放电压保护是指放电过程中2 4节电池的某一节电压达到2.8 3 V时,2 S内断开与充放电设备连接,显示屏应当在5S内有警告信息。单体电池过放电压保护失效
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