一种ia级本安型矿灯保护电路设计

天地（常州）自动化股份有限公司 金业勇

中煤科工集团上海检测中心 张彬彬

1.前言

矿灯是煤矿井下生产必备的照明设备，其安全性能同煤矿安全生产密切相关。国内目前的矿灯主要分为三大类[1]：KS型矿灯(酸性矿灯)、KJ型矿灯(碱性矿灯)、KL型矿灯(锂电矿灯)，其中KL型矿灯是目前市场应用比较广泛的灯型。

三类矿灯都是属矿用特殊型产品，防爆型式：EXSI，安全系数低，容易发生蓄电池、矿灯头碰撞摔破、电缆破皮扯断等现象而产生电火花，继而引发瓦斯爆炸事故，这是矿灯引发矿难事故的根源。因此，有必要推出本安型矿灯，而本安型矿灯的安全性能，直接取决于对电池的保护处理，本文以KL型锂电矿灯为例[2]。

2.现有的矿灯电池处理设计

目前，矿井常用的矿灯属于特殊型，其锂离子电池保护电路一般采用PTC和保护器，如图1所示。

图1

图2

其中PTC是锂离子蓄电池出厂时自带，动作电流一般在4A以上，主要用于电池生产、运输过程中短路保护，保护动作值过大。保护器具有过充保护、过流保护、过放保护、短路保护。过流保护是通过时间来限定释放能量。在蓄电池电量充足时，可以快速的切断输出，在蓄电池低电量时，很难在短时间内切断输出，可靠性有限[3]。

3.ia级本安型保护电路设计

本设计中，保留安标产品保护器，同时增加过流保护、PTC串限流电阻两重保护，达到ia级三重化保护，符合GB3836-2010的规定[5]。

如图2所示，选择具有安标证号的保护器作为第一重保护。第二重过流保护电路，采用了精工电子的S8261锂电池保护电路，内置高精度电压检测电路，具有过充电、过放电和过电流的保护功能。这里主要采用S8261电路的过流保护功能，过电流1检测电压为0.05～0.3V。在通常状态的电池放电状态下，由于放电电流在额定值以上，VM端子的电压在过电流检测电压以上且这个状态持续在过电流检测延迟时间以上的场合，关闭放电控制FET停止放电，这个状态叫做过电流状态。当检测VM端子电位为过电流1检测电压以下时即恢复到通常状态。S8261保护IC的过充电检测电压为3.9～4.4V，过充电滞后电压为0.1～0.4V，过放电检测电压为2.0～3.0V，过放电滞后电压为0～0.7V，过电流1检测电压为0.05～0.3V，过电流2检测电压为0.5V。在第二级保护电路中，同时保留过充电、过放电保护，提高对电池的保护。

如图2中，第三重保护采取PTC串限流电阻的方式，限流电阻作为可靠元器件，可以抑制电流突变。PTC俗称“自恢复保险丝”，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复，而PTC在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当故障再次出现时，又可以起到过流保护。本设计中选用0.5Ω、5W的正偏值限流电阻，1.25A，0.2Ω的PTC，开路最大输出功率4.2×(4.2/(0.2+0.5))=25.2W，小于GB3836-2010规定的33W，限流电阻的功率符合GB3836-2010的要求，即1.5×(In×1.7)×2×限流电阻阻值[4,6]。

如图2所示，在锂电池放电回路中，第一重保护器保护，第二重过流保护，第三重PTC串限流电阻保护。在锂电池充电回路中，第一重保护器保护，第二重过流保护，第三重保护采用德州仪器(TI)生产的TPS2060开关芯片，利用TPS2060的反向电流阻断特性，保证PC+端不加正向电压的时，PC+端后级对地没有输出，无法拉出电流。TPS2060具有准确度为±20%的电流限值容限，2μs(典型值)快速过流响应，70mΩ(典型值)的内阻值，确保快速响应充电，低内阻值，不影响锂电池的充电电压、充电时间，可以确保电池在规定时间内充满。

三重化保护中，任意一重或两重保护失效，剩下的两重或一重保护，都能可靠的保证电源安全。三重化保护的本安参数设定为UO:4.2V、IO:2A，可顺利通过防爆火花实验[5，6]。

4.结语

本文研究的ia级本安型矿灯保护电路对矿灯锂电池具备过充电、过放电、过流保护，保证了矿灯电池的工作时间及使用寿命，同时三重化保护，确保矿灯达到ia级防爆等级。

[1]MT1162.1-2011,矿灯.第1部分:通用要求[S].

[2]MT1162.4-2011,矿灯.第4部分:KL型矿灯[S].

[3]李方儒,臧才运,余博龙.矿灯保护器过电流安全保护局限性的研究[J].煤矿安全,2012,07:119-121.

[4]李方儒,车延武,臧才运,等.矿灯本质安全电源串联限流器的研制[J].煤矿安全,2012,43( 8):110-112.

[5]GB 3836.1-2010 爆炸性环境 第1部分:设备通用要求[S].

[6]GB 3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分:由本质安全型“i”保护的设备[S].