压差式电池充电器的研究与分析

商红桃

（江苏联合职业技术学院 常州刘国钧分院，江苏 常州 213025）

压差式电池充电器的研究与分析

商红桃

（江苏联合职业技术学院 常州刘国钧分院，江苏 常州 213025）

在天然气管线在线检测领域，压差式电池充电器是传统的太阳能电池系统的有效且可靠的替代产品，它利用输气管道压差发电，将所产生的电能储存到蓄电池。压差式电池充电器几乎可以安装在任何工况下，它不受阴、雨、雪、冰等气候条件以及表面污染物的影响，可以实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。同时可以消除太阳能充电系统中因为电池的经常性深度放电带来的电池维护成本。

压差；充电器；天然气管线；分析

传统天然气管线的在线检测多采用太阳能电源系统，将太阳能电池板产生的电除去杂波及稳压，并控制其电流，电压充入电池储存起来。太阳能电源系统由于盗贼、野生动物、天气、各种破坏行为导致了供电电源系统的不安全或者供电不充分。压差式电池充电器能很好地解决上述问题，它利用输气管道压差发电，将所产生的电能储存到蓄电池。压差充电系统不受阳光、雨雪等复杂气象条件以及表面污染物的影响，可以实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。压差式充电器环境友好，不消耗气体，气体最终流回主管路，没有非正常排放。在65 psig压差下可持续产生10 W的供电，在85 psig压差下可持续产生20 W的供电，在125 psig压差下可持续产生50 W的供电，产生的电用于蓄电池的充电，储存在蓄电池中，提供于蓄电池的接口为12或24 V电压。

1 结构组成

压差式电池充电器外观图和内部结构示意图如图1所示。系统主要由盖子、电路板、动力装置、联接器、电气盒、控制阀组件、护罩、叶轮组件等几大部分组成。盖子和电气盒构成一个封闭的空间，保护电路板、动力装置等部件；电路板根据控制器信号控制动力装置的运动，并提供发电机输出接口；电机控制阀控制流过系统的压力和流量，保持叶轮的转速稳定，进而保持发电机电压和电流的稳定；护罩用于保护内部零部件、指示控制阀状态；叶轮组件是系统的核心之一，内部带有发电机，将管路中气体的压差转化成电能。

图1 设备外观图和结构示意图

2 工作原理

发电过程中，压差式电池充电器中的电机控制阀控制少量的气体流经充电系统。系统中装备的超小型管道叶轮发电机构，通过旁通管线中气体，利用气体压差的动力驱动叶轮，叶轮带动发电机，发电机利用线圈切割磁力线产生电能，将所产生的电能储存蓄电池。该充电系统可以进行无人照管操作，连续不断地监测电池的状态，当电压低于下限，开始充电，当电压高于上限，停止充电。工作原理图如图2所示。

图2 基本工作原理图

3 系统电路图

3.1 系统主要部件连接图

压差式电池充电器主要有三大核心部件：发电机、控制器和蓄电池接口模块。发电机通常安装在管线附近，而控制器和蓄电池接口安装在蓄电池附近的安全区域。图3为发电机、控制器和蓄电池接口模块的系统接线图。

图3 三大核心部件连接图

发电机电路板是发电机电能输出的接口，同时是电机控制阀的控制信号输入接口；控制器负责检测信号的处理，控制充电器充电状态以及指示信号等；蓄电池接口模块提供12/24充电接口，实现蓄电池与发电机以及控制器的连接。发电机电路和控制器电路分别有一个微处理器。由于使用单独的处理器，发电机电路可以实现自身监控、与控制器通信，并在必要时使用发电机的电能关闭控制阀。发电机电路将会监控转速，充电电流，控制阀位置以及输出电压。所有的其他参数（蓄电池电压，蓄电池温度，ESD输入，警报输出，工作状态LED）由控制部分的微处理器监控和管理。该系统可以在不拆除发电机防护罩的情况下实现监控。蓄电池温度传感器，电池接口螺丝端子，以及过流保护集成在蓄电池接口模块，尽可能地安装在靠近电池的位置。

3.2 充电电路图

系统充电电路如图4所示，发电机发出的电能经BR1整流后，经过熔断器F1，再由电容C1，C2滤波后，得到稳定的直流电，经电阻R2后充到蓄电池中。电阻R4连接测压电路，检测发电机输出电压，微处理器根据电机输出电压，控制进口调节阀的动作。当电压超过规定数值时，微处理器给出信号，电机驱动电路驱动阀门电机减小开度，从而使流过系统的气体减少，发电机转速下降，输出电压下降；反之，当电压低于规定数值时，微处理器给出信号，电机驱动电路驱动阀门电机增大开度，从而使流过系统的气体增加，发电机转速上升，输出电压上升，使输出电压稳定在额定值。R2两端连接到电流检测电路上，检测充电电流大小。

4 特性及技术参数

系统配备了具有功能强大的微处理器，启动及诊断方便快捷，集成充电的温度补偿功能，充电状态远程监控警告。发电可用的最大天然气压差为1 440 psi，可直接安装在管线上或用2英寸支撑杆安装。

主要技术参数有：

充电电压：12/24 V（带温度补偿）用于胶体铅酸电池；

输出功率：环境温度68oF （20oC）充电时提供10，20或50瓦 ；

进口供气压力：最大1440 PSI；

电气连接：1/2NPT管（防爆）；

充电循环气体流量：30 SCFM@10 W，40 SCFM@20 W，65 SCFM@50 W；

供气连接：进口 3/8”外径不锈钢管，出口3/4”FNPT；

工作温度范围：-40°C 到60°C。

图4 充电电路图

5 结束语

压差式电池充电器系统环境友好，不消耗气体，气体最终流回主管路，没有非正常排放，它利用气体通过压力调节阀产生的压差驱动叶轮发电，使我们享受到了清洁安全且免费的电源。它不受阳光、雨雪等复杂气象条件以及表面污染物的影响，可以在-40～60°C的工作环境下实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。安装简单，免维护，可以为天然气检测线路提供接口为12或24 V电压，目前已经在欧美发达国家得到了广泛的应用，深受用户好评，在我国已经应用于新疆地区的部分天然气管线，随着中国天然气线路的日益增长，它的运用将越来越广泛。

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Research and analysis of the differential pressure charger

SHANG Hong-tao
（Changzhou Liu Guojun Branch，Jiangsu Union Technical Institute，Changzhou 213025，China）

The differential pressure charger is an efficient and reliable alternative to solar panel systems that are used to power electronic instruments on gas pipelines.Power is generated by the differential pressure of gas pipeline and stored in a battery.It can be installed in almost any location and unaffected by shade，snow，freezing rain，ice，dust build-up，it also can continually charge the battery by 24hours and keep the stable and reliable power supply，meanwhile it can eliminate the Battery maintenance costbecause of usualness and depth discharging of battery of solar panel system.

differential pressure；charger；gas pipelines；analysis

TN7

：A

：1674-6236（2017）08-0072-03

2016-04-02稿件编号：201604014

2014年度江苏省高等学校"青蓝工程"优秀青年骨干教师培养项目（苏教师【2014】23号）

商红桃（1981—），男，江苏常州人，硕士，副教授。研究方向：智能控制技术、电工技术。