矿用救生舱锂离子蓄电池后备电源系统研制

邹海曙 杨继承 沈小进 陈伟 曹长云

江苏春兰清洁能源研究院有限公司, 江苏 泰州 225300

引言

我国作为能源消费大国，煤炭在我国能源生产的大格局中占有绝对的比重，达到近70%，但每年都发生矿难造成人员伤亡，在以人为本理念成为世界发展潮流的大环境下，积极开展矿山安全保障技术的研究与开发，不仅是我国实现中国梦强国梦的必然要求，更是遭受矿井灾害威胁的煤矿工人的迫切愿望。基于此国务院于2010年7月19日颁布了《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》（国发〔2010〕23号），明确规定煤矿企业应在2013年建设安装完成井下安全避险“六大系统”即：监测监控系统、人员定位系统、紧急避险系统、通信联络系统、压风自救系统、供水施救系统。随后安监总局和煤矿安监局联合发布了《关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》（安监总煤装〔2010〕146号），对建设完善安全避险“六大系统”做出了进一步规定。矿用救生舱属紧急避险系统，而矿用救生舱锂离子蓄电池后备电源系统是救生舱的重要部件。因此，矿用救生舱锂离子蓄电池后备电源系统项目的开展，迎合紧急避险系统市场的需求。能够促进紧急避险系统市场的发展，符合国家煤矿安全产业发展需要。

1 系统组成及工作原理

矿用救生舱锂离子电池后备电源系统是能量存储、转换装置，为救生舱安全监控、人员管理、通讯等系统提供24VDC电源，当有127VAC交流电时，由充电器和锂离子蓄电池组提供24VDC电源，无127VAC交流电时，由锂离子蓄电池组提供24VDC电源。

矿用救生舱锂离子蓄电池后备电源系统由隔爆外壳、锂离子蓄电池组、电池管理系统等组成。系统结构图如下。

图1 系统结构图

隔爆外壳采用三腔结构，分别是电池腔、控制腔、接线腔，各腔之间互相密封隔爆，电气连接通过过腔接线端子实现。

锂离子蓄电池组采用8只能量密度高、安全性能高的3.2V/60Ah磷酸铁锂蓄电池组成24V/60Ah电池组。电池管理系统由控制板、显示板、充电器组成，实现后备电源系统的智能化工作。

电池管理系统通过检测单体电池与热、电相关数据，对电池组进行充放电管理。当电池充满后，自动切断充电回路，进入后备状态。当电池电压低于充电门限后，自动接通充电回路，对电池充电。当发生过电压、欠电压、过电流、超温及通信等故障时，管理系统根据故障类别做相应处理，并通过LED灯、LCD显示。

2 锂离子蓄电池组设计

锂离子蓄电池组主要由电池、连接件、极柱端子等组成。主要考虑几个方面。

通风散热：主要考虑模块结构的自散热和均温设计，各单体电池间设计有风道。

电池连接/跨接方式：采用跨接片硬连接方式，满足较大的工作电流，降低串联电池组的电阻，操作方便，防起弧。

电和热安全隔离：设计上电池之间留有足够的爬电距离，起到散热和绝缘作用。

机械性能安全裕度和组装：考虑模块中单体电池的防窜动偏移和防止箱体碰撞造成的破损。模块的组合和定位设计上采用框架格栅的定位和固定方法，防位移和防上窜。

可扩展的标准化模块设计：采用标准模块组合方式，在应用上根据实际应用需求，标准模块可以通过不同方式的组合形成不同的容量和电压的组合模块，简化生产工艺降低电池开发成本。

3 电池管理系统设计

矿用后备电源系统的安全性是电池管理系统设计首先要考虑的因素，保障单体电池在矿用条件下长期安全使用相当重要，通过研究电池在矿用条件下的电池特性，建立软、硬件双重保护及保护失效检测功能，并且通过LCD显示、LED灯、RS485通讯进行多重报警，实现可靠、完备的保护策略，提高可靠性、安全性。

选择满足矿用要求的电压、电流、温度采集电路是电池管理系统的基础，其中锂离子蓄电池组单体电池电压的检测比较困难，选用专用检测集成电路，不仅使电路设计变得简单，更重要的是保证检测精度，提高可靠性。经过实测，采集误差≤0.15%，满足《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》单体电池电压值≤0.5%的要求。

单体电池组装成电池组之后，其循环使用寿命远远低于其电池单体使用寿命，是电池在储能和动力领域推广的难题。究其根本，原因在于电池间的一致性差异造成的短板效应。主要的一致性差异体现在三个方面。

1）各不同电池单体间的容量差、内阻差等差异，一般由于电池的生产工艺偏差造成。

2）各个不同电池单体各项指标的衰减差异。

3）电池成组后使用环境的温度差异，极化电压差异等。

均衡技术能够改变不同电池间充放电的电流或充放累计能量，是解决电池成组一致性差异的关键性技术，能够防止电池出现一致性差异，在电池成组的使用寿命指标上有决定性的作用。目前均衡技术主要分被动均衡（Passive Balancing）和主动均衡（Active Balancing）两种，被动均衡技术，电路简单，使用元器件少成本低，可靠性高，但均衡电流小，有能量损失。主动均衡技术，电路复杂，使用元器件多成本高，可靠性低，但均衡电流大，能量损失小。考虑矿用电源的安全要求，选用可靠性高的被动均衡技术对成组电池进行均衡。其工作原理为：当单体电池电压及电压差达到设定的门限值时，电压高的电池CELL1对应的MOSFET管T1导通，通过电阻R1分流部分充电电流，达到均衡目的。

图2 被动均衡电路示意图

均衡容量与均衡时间和均衡电流有如下关系：

C=IR1*t

其中：IR1=VCELL1/R1

C为均衡容量，I R 1为均衡电流，t为均衡时间，VCELL1 为单体电压值， R1 为放电电阻。

4 隔爆外壳选择

矿用隔爆外壳采用三腔结构，由于国家对矿用产品安全的特殊要求，要选择有生产资质厂家的隔爆外壳产品。

5 结语

本项目紧跟矿用救生后备电源系统的发展趋势，研制了一种以结构、热管理、电管理于一体的集成化的矿用救生舱锂离子蓄电池后备电源系统产品，技术先进，安全可靠，用户使用满意，已形成批量生产、供货及服务保障能力。

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