矿用大容量备用电源设计

孟小红

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

随着煤矿井下智能化程度不断提高[1-2]，煤矿井下各类监测监控系统的应用越来越广泛，且大多数监测设备都需要24 h不间断地工作。由于煤矿井下供电电网的稳定性受多种因素影响而存在不确定性，为了保证监测监控系统能稳定工作，需要配套可靠的备用电源。国家煤矿安全监察局在煤安监[2016]5号文件，以及AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》等行业管理规范及标准中都将安全监控系统的备用电源的工作时间由不少于 2 h 提高到了不少于4 h[3];部分用户将备用时间指标提高到了8 h甚至10 h;要求监控系统的备用电源具备更长工作时间已逐渐形成一种趋势。目前，煤矿井下所用的电源箱多数为隔爆兼本安的防爆型式[4-6]，备用电池直接放置在隔爆箱内[7-9]。根据GB 3836.2—2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》规定，允许在隔爆箱内放置的电池类型有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池，而锂离子电池只有达到标准时才能使用[10]。由于镍镉类电池的记忆效应较为明显，而且镉金属的毒性较大，因此绝大多数厂家采用镍氢电池作为备用电源的储能设备[11]。监测监控系统的供电模式多采用集中供电模式，即采用多路电源通过远距离拉线方式为分布在不同地点的监测监控设备供电[7]，当交流电停止供电时，监测监控系统皆由备用电池提供电能，因此需要具备足够的电能储量才能保证备用电池组长时间工作。根据GB/T 22084.2—2008《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组》标准要求，单体镍氢电池的额定电压为1.2 V，最大允许结构尺寸为F型，常规容量为13～15 A·h，常常以电池组模式工作。防爆标准规定电池不能并联使用，只能将多块单体电池串联通过提高电池组两端电压，继而提高电池组的容量[12-15]，但该方法对电池组管理和使用造成较大困难。GB 3836.2附录E规定，电池组中每一块单体电池两端电压均应监测，当单体镍氢电池两端电压超过电池生产厂家规定的电压值时，应切断电源以防止镍氢电池析出氢气，这对多块镍氢电池的串联使用提出了更高的要求。仅依靠单体电池串联使用的方法已经无法提供电源箱需要的大容量备用电源。因此，笔者提出一种新的镍氢电池组充放电管理方法，以满足矿用大容量备用电源的需求。

1 大容量备用电源的需求定义

由于安全监测监控系统的本安供电为集中模式供电，多数传感器都是通过分站连接电源箱的电源取电。当交流电停止供电时，由电源箱内部的备用电池代替交流电为各本安电源模块供电。电源箱内部功能模块工作如图1所示。

图1 电源箱内部功能模块工作示意图

行业内主流电源箱的总输出功率约为40 W左右，按备用电源工作时间不少于8 h，本安电源模块整体效率按80%计，镍氢电池组的容量应大于400 W·h。如果指标为8 h，在实际评价实验过程中，备用电源工作时间应不低于10 h，则电池组容量应不低于 500 W·h。单体电池容量为13 A·h，电池组损耗按5%计，需要串联34节单体镍氢电池才能满足要求。此时前级的充电电压应不低于51 V，后级的本安电源模块工作电压范围则应介于30.0～76.5 V，配套电源模块的技术要求较高，成本也较高。将 34节电池分为2组，每组17节，则其两端电压介于15.0～25.5 V，考虑1.5倍安全系数，后级电源模块最高输入电压应在38.25 V以上，为常规工作电压范围。笔者对2组镍氢电池组的充放电管理进行研究，以提供满足防爆标准要求的大容量备用电源。

2 电源箱充放电管理电路设计

为防止电池极性反接或在同一电池组内被其他电池反向充电，根据防爆标准，需要监测单体电池两端的电压，并增加旁路二极管。当单体镍氢电池电压低于允许的最低电压值时，应切断电源。单体镍氢电池充满后最高开路电压应为1.5 V，按17节镍氢电池串联计，充电电源的最大输出值应在25.5 V以上。由于电源箱内AC/DC功率有限，应适当限制充电电流，按13 A·h容量计算，充电电流控制在1.30～1.56 A，保证该电池组在12 h内充满，若镍氢电池放完全部电后电源箱可在24 h内充满。

结合上述需求，在电池管理电路中，需要分别对2个电池组中的单体镍氢电池电压进行独立监测；在充电电路中，需采用恒流限压方式进行控制，再通过温度、充电时间监测等措施实现对电池组的过充保护；在充放电管理电路中，利用继电器对2组镍氢电池组切换控制。充电管理电路框架如图2所示。

图2 充电管理电路框图

2.1 镍氢电池组组件设计

镍氢电池组组件主要包括镍氢电池组、单体镍氢电池电压监测电路、电池组温度监测电路及相应的保护组件等。镍氢电池组组件原理如图3所示。

图3 镍氢电池组组件示意图

镍氢电池组的信息通过I2C总线与主控管理板进行通信，将该电池组在充放电过程中的信息上传给主控管理板，通过主控管理板进行判断控制。单体电压监测电路实时监测每块单体镍氢电池的两端电压，防止镍氢电池处于过充状态导致镍氢电池析出氢气或者深度放电状态下析出氧气而出现危险。配置电池组温度监测电路保证电池组工作在允许温度范围内，也是电池组充满并停止充电的监测依据。电池组并联二极管防止反向充电或者电路接反。将镍氢电池组输出端动力线和采样信号线分开设置，避免输出回路产生压降引起采样误差。

2.2 镍氢电池组充放电管理设计

镍氢电池组采用恒流限压的充电方式，实时监测电池组两端电压U、温度T和充电时间t。计算得出单位时间内镍氢电池组两端电压变化量ΔU、温度变化量ΔT。

在主要充电过程中，以上述5个参量为基础进行综合控制，其中将T及ΔT作为安全参量其优先级最高；其次是U及ΔU；最后是t。当充电电源接入时，首先接入电池组1，检测电池组两端电压，若电池组电压过低，则先用50 mA的小电流进行保护性充电，直至电池组电压恢复到设定值。再将充电电路控制电流调整为1.3 A，进入大电流充电过程并开始计时。在大电流充电过程中，持续监测U、T值，计算ΔU、ΔT等参量值，判断电池组是否充满；当电池组1充满后，切换到电池组2重复上述充电过程。在整个充电过程中，要持续监视交流电输入信号，若发现交流电断电，则将电池组切换到直流放电状态，确保电源箱供电的稳定性；当2组电池组都充满电后则进入间歇式补充充电状态，避免电池组因长时间自放电导致其容量下降。

当镍氢电池组放电时，同样需要实时监测电池组两端电压及单体镍氢电池电压，确保镍氢电池不出现深度放电现象。为方便电池容量管理，先由电池组2工作放电，当电池组2放电完毕后，切换到电池组1工作放电。要确保电池组1开始放电时电池组2已经放电完毕，备用电源剩余电量计算时以电池组1为基础进行整体管理；放电过程中，需要持续监测交流电供电状态，若交流电恢复供电则及时对备用电池进行电能补充。当发现交流电供电时，首先对电池组1进行电能补充，电池组1充满后再为电池组2充电。

镍氢电池组充放电管理流程如图4所示。

图4 镍氢电池组充放电管理流程设计图

在充放电过程中，电源主控管理板实时将电池组信息通过智能接口上传给分站，再通过分站上传到地面中心站，以便管理人员了解镍氢电池组状态，实时掌握电池组的可供电时间，以保证可靠供电。

3 系统测试

为测试矿用大容量备用电源设计的有效性，验证充放电管理电路在不同镍氢电池组状态下的适应性，分别选用2组处于欠压状态的镍氢电池组(电池组1、电池组2)和正常状态的镍氢电池组(电池组3、电池组4)组装2台样机，对1次完整的充放电后的数据进行分析，结果如表1所示。

表1 充放电对比测试

由表1中数据可知，矿用大容量备用电源设计可以实现2组镍氢电池组的充放电管理，可实现欠压电池组的充电维护。只要镍氢电池组没受到实质性损坏，镍氢电池组欠压后充电时间虽有延长，但充满后不影响其长时间的放电性能。

4 结语

分析了隔爆腔体内2组镍氢电池组的设计要求，提出了矿用大容量备用电源的设计思路。通过分组设置实现2个电池组的独立管理和监测，通过集中管理实现长时间备用输出，降低了备用电源硬件电路的设计难度。所设计的电源具有电池容量大、管理电路简单、配置灵活等特点，还可以扩展至更多电池组管理，以满足煤矿的更大容量备用电源的需要。