满足5G 供电的矿用胶轮车大容量备用电源

谢 浩

（1.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州213015；2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015）

矿用无轨胶轮车是矿井辅助运输系统中的一种重要形式，因性能可靠、运输效率高，机动灵活性好，载重能力强等特点可保证矿井的高产高效及安全生产，给安全生产带来极大的方便和快捷，并能获得极佳的经济效益[1]。目前使用的矿用无轨胶轮车大多采用隔爆兼本安电源箱为自动保护装置（电控保护装置）的甲烷、温度、液位、压力等传感器和胶轮车控制单元ECU 的转速、压力、温度等传感器及机车启动提供稳定的工作电源[2]。

随着煤矿智能化和5G 技术的快速发展[3]，华为公司在阳煤集团新元煤炭有限责任公司成功部署“5G+辅助运输”车联网系统，首批井下煤矿5G 基站进行组网应用，实现了矿井主巷道、运输巷道的5G覆盖。利用5G 技术打造车联网[4]，提升煤矿安全管控能力，建设智能化矿山，提高煤矿生产经营能力。但是，要实现“5G+辅助运输”车联网，势必要在原机车监测传感器的基础上加装更多的电器元件、本安型监测传感器和5G 无线传输装置，诸如激光雷达、超声波、红外、胎压、速度等传感器、CCD 摄像头和5G 无线传输装置等设备[5]。而现用的隔爆兼本安型备用电源箱的供电能力远不能满足机车启动、车联网和智能化要求，急需研发大容量、低静态功耗、缓启动[6]和具备通讯功能的隔爆兼本质安全型电源，解决矿用无轨胶轮车供电问题。

1 改进后胶轮车整车供电系统

矿用无轨胶轮车整车供电系统采用2 种供电方式，一种为非本安输出供电，另一种为本安输出供电。矿用隔爆型机车照明灯、信号灯、燃油喷射电控装置等设备为非本安设备，由非本安输出供电；原自动保护装置配套的显示器、各种传感器及矿用5G无线传输装置、矿用激光雷达、超声波、红外等传感器、矿用CCD 摄像头和本质安全型声光信号器等为本安设备，由大容量矿用隔爆兼本安型备用电源箱的本安输出供电，机车启动、停止或出现故障时，后备电池自动投入使用。改进后机车整车供电系统如图1。

图1 改进后机车整车供电系统Fig.1 The improved locomotive power supply system

2 矿用隔爆兼本安型备用电源

2.1 备用电源结构

矿用隔爆兼本安型备用电源为箱式设备，主要由DC/DC 开关电源、核心电源板和后备电池组组成。车辆调节器输出直流28 V，为电源箱的DC/DC开关电源供电，DC/DC 开关电源为后续核心电源板供电，1 路通过过流过压保护电路实现非本安输出，另外3 路经3 组隔离DC/DC 再通过两级过流过压保护实现3 路本安输出[7]。矿用隔爆兼本安型备用电源原理框图如图2。

2.2 大容量及缓启动本安电源

电源设计了3 路本安输出，每路额定输出电压为12 V，电流1.3 A，以满足机车启动、5G 无线传输装置和新旧传感器的供电需求。若采用限压限流方式的传统截流型保护电路，存在动态响应慢等问题，只有当电路出现过电压时，过压保护电路开始执行保护动作；出现过电流时，过流保护电路动作，很大程度上限制了矿用本质安全型电源的输出功率。因此，采用动态电弧识别及关断技术（DART 技术）[8]来增加本质安全电源的功率，提高本安系统输出的动态响应能力。DART 技术是通过检测电流变化率，一旦电流变化率超过预先设定的临界值，就会提前切断电路，可在200 μs 内实现保护。

图2 矿用隔爆兼本安型备用电源原理框图Fig.2 Principle block diagram of mine flameproof and intrinsically safe backup power box

基于本安电源容量的增加，动态响应能力的提高，在电源电路设计时还应该注意2 个方面：一方面是电路设计时必须考虑缓启动问题, 否则电路将无法正常启动；另一方面是必须考虑机车使用过程中，经常会遇到持续几微秒至几百毫秒的高电压电源尖峰，这就要求电子线路不仅要承受瞬态电压尖峰，而且在此过程中可靠地运作，即使出现故障，待故障解除后，系统还能自动恢复。

2.3 智能化管理

传统矿用隔爆兼本安型备用电源只具备供电的功能，电源出现问题需要用户逐一排查或咨询厂家，有时甚至需要厂家赴现场解决问题，处理问题时间周期长。为提高维修效率，降低维护成本，最大程度地减少维护的工作量。增加了电源箱的CAN 总线通讯和故障自诊断功能，用户可通过显示屏实时监测各路电源的各种运行参数和状态，智能化的分析电源状况，将电源信息与故障报警显示在本安显示器上，对电源进行相应的保护措施，如过流保护、过温保护、欠压保护等；也可对备用电源箱进行手动充放电维护，发现放电时间短不能满足要求的电池，及时进行更换；通过故障自诊断和故障代码显示，在发生故障的情况下，能初步判断电源故障类型，可事先对故障类型进行更为准确的判断, 从事后补救维护向事前预警转换，提高电源的维护管理水平，提高本安电源供电质量,使供电有更高的可靠性，使电源管理向智能化方向迈进。

2.4 电池管理系统

一般情况下，矿用无轨胶轮车不会一直处于工作状态，电池也就不会一直带载运行，所以大部分损耗都来自于电源板的静态功耗，为了满足电源板在胶轮车上使用过程中产生较小静态功耗的需求，选用高能效、高性能和低成本的STM32L 系列芯片作为电池管理的核心，同时结合开源的嵌入式实时操作系统，进行源码移植[9]。该芯片不仅功耗很低，而且运算能力很强，可以保证在低功耗的情况下拥有较好的运算能力；胶轮车系统大多采用CAN 通讯协议，芯片提供的CAN 接口可与矿用无轨胶轮车的其他控制单元进行信息通信，完全满足设备需求；同时，芯片抗干扰能力强，更适合煤矿特殊环境使用。电池管理系统原理框图如图3。

图3 电池管理系统原理图Fig.3 Schematic diagram of the battery management system

为保证胶轮车电池组充放电平衡，DC/DC 转换器的容量按大于1.5 倍实际功率计算。

电池组由20 节无记忆效应、对环境无污染且安全稳定的镍氢电池串联组成，并用硅胶浇封处理。电池容量的准确预估、电池初始容量的判断、电池对环境的适应性和电池充放电适应性是电池管理系统的主要表现[10]。关键点在于对电池荷电状态SOC 的估算[11]，电池SOC 估算方法有很多种，因为在BMS中充放电电流和电池电压是可以很方便的直接测量得到的信息，所以采用安时积分法。对于首次使用的电池，进行完整充放电过程，计算出真正的电池容量，并保存容量值。在现场使用过程中，基于首次计算的电池容量，再根据正常工作时的充放电电流，来估算电池电量，通过参考放电结果，不断更新电池容量。同时考虑镍氢电池经过长时间的使用，容量会发生变化，通过对充电效率系数值的改变来修正电池容量的计算。针对胶轮车工作过程中使用不同负载的情况，对电池容量也是会发生变化的，所以基于额定负载的情况，设计了放电效率系数值，根据不同的带载情况来计算电池容量。此外，电池温度也会对电池组SOC 的估算产生影响，在低温时电池容量表现很明显，所以在安时积分法的基础上配合温度补偿来减小误差范围，达到预期目标。

通过嵌入式软件平台与安时积分法的结合，实现了低静态功耗，达到了SOC 的准确把握，可以及时对电池进行过充过放保护，也可以根据总的电池容量来判断电池的老化情况，从而提醒煤矿井下作业人员及时更换备用电池，还可以根据剩余电池组电量来判断电池的续航时间。

3 结 语

为“5G+辅助运输”车联网使用的矿用无轨胶轮车配套的矿用隔爆兼本安型备用电源箱通过了国家安全生产检测检验中心检验，取得“MA”矿用产品安全标志。按照设计要求，将矿用隔爆兼本安型备用电源箱与机车外部电器设备连接，在现场进行为期2周的连续通电拷机试验和反复送电、停电实试验，矿用隔爆兼本安型备用电源箱及外部电器设备工作正常，无异常现象和故障出现，抗干扰能力强，具备完全带负载能力，既能满足设备启动电流的需求，又能满足5G 设备的需求。具有输出电压稳定、容量大、静态功耗低、电池管理系统完善、通讯可靠等特点，达到了研究、设计的预期。