孫凡

(1.煤炭科學研究總院沈陽研究院,遼寧沈陽　110016;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧撫順　113122)

煤礦救援機器人電源系統(tǒng)設計

孫凡1,2

(1.煤炭科學研究總院沈陽研究院,遼寧沈陽110016;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧撫順113122)

研制基于鋰離子蓄電池的煤礦井下救援機器人電源系統(tǒng)是提高機器人作業(yè)時間的重要手段。根據(jù)救援機器人的應用特性,設計井上充電系統(tǒng)與井下供電系統(tǒng)相結(jié)合的電源系統(tǒng),對今后煤礦救援機器人在井下的應用具有重大意義。

煤礦救援機器人電源系統(tǒng)鋰離子蓄電池充電控制放電控制

我國是世界產(chǎn)煤大國，由于作業(yè)設備和工藝相對落后，導致各類礦難事故頻繁發(fā)生。煤礦救援機器人可以在發(fā)生礦難但救援人員無法進入的緊急情況下，第一時間進入高危區(qū)域、探明災區(qū)情況、尋找遇險人員，為搶險救災提供決策支持，增加被困人員生還幾率，減少救援人員傷亡，是安全生產(chǎn)的迫切需要。

電源系統(tǒng)作為煤礦救援機器人重要組成部分，卻一直無法解決其作業(yè)時間短，續(xù)航里程低的問題，從而制約了煤礦救援機器人的發(fā)展。鋰離子蓄電池由于具有重量輕、儲能大、功率大、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應范圍寬泛、無記憶效應等優(yōu)點，特別適合作為礦用電源使用。

1　技術方案概述

鑒于礦用救援機器人的使用特性，其電源系統(tǒng)應具備以下特點:體積小，重量輕(能量比高)，可實現(xiàn)井下快速更換。

因此，將整個系統(tǒng)設計成井上充電系統(tǒng)及井下供電系統(tǒng)兩部分。井下供電系統(tǒng)由防爆電源箱及放置在電源箱內(nèi)的電池組及放電控制系統(tǒng)組成，主要負責為救援機器人提供電力，并進行放電管理，可以實現(xiàn)井下快速更換;井上充電系統(tǒng)由充電機及充電控制系統(tǒng)組成，當更換完的電源箱運至井上后，負責對電池組進行充電及管理。其組成如下圖1所示。

根據(jù)某型號煤礦井下救援機器人技術要求，其電源系統(tǒng)技術指標應滿足如下要求:

圖1　救援機器人電源系統(tǒng)

表1　鋰離子蓄電池技術參數(shù)

(1)電池組容量:48V/60Ah;(2)電源箱外形尺寸不大于:480mm ×420mm×350mm;(3)電源箱重量:不大于60kg;(4)額定工作電流: 20A，最大工作電流:50A。

2　電池模塊成組設計及防爆箱設計

2.1單體電池選用

圖2　放電控制系統(tǒng)功能原理圖

圖3　充電控制系統(tǒng)功能原理圖

鋰離子電池技術參數(shù)如下表1所示:

2.2電池模塊成組設計

電池組采用16串的方式，總?cè)萘?0Ah。每個單體電池加裝一個溫度傳感器，保證其工作可靠性。

2.3防爆箱設計

防爆箱結(jié)構(gòu)設計充分考慮了防爆、減振及輕量化的要求。防爆箱分為下部4個獨立隔爆的電池腔，上部的控制腔以及最外側(cè)的接線腔三個主要腔體。箱體重56kg，滿足設計要求。

3　控制系統(tǒng)設計

3.1放電控制系統(tǒng)設計

放電控制系統(tǒng)主要由放電電池管理系統(tǒng)(D-BMS)、繼電器、保險絲、分流器等組成，其中D-BMS負責采集所有單體電池的電壓、溫度信息，檢測總電壓、電流，計算電池SOC，并在必要時驅(qū)動繼電器實現(xiàn)保護控制。其功能原理圖如下圖2所示:

3.2充電控制系統(tǒng)設計

充電控制系統(tǒng)主要由充電電池管理系統(tǒng)(C-BMS)、繼電器、保險絲、分流器等組成，其中C-BMS分為主控制板(簡稱:BMCU)和從屬控制板(簡稱:LMU)兩部分，二者之間采用CAN通訊。每個LMU負責采集8個單體電池的電壓和溫度信息，并在充電時使用被動均衡方法對單體電池進行均衡管理;BMCU通過獲取LMU及分流器等的采集信息，利用安時積分、電壓修正及卡爾曼濾波法進行SOC的精確估算，同時負責驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的監(jiān)控及充電管理。其功能原理圖如下圖3所示:

當充電控制開關為“充電檔”，則IO1采集為有效:繼電器1、繼電器2閉合，則電池組進入充電狀態(tài)。當充電控制開關為“空置檔”，則IO2采集為有效:繼電器1、繼電器2斷開，則電池組進入擱置狀態(tài)。另外為了保證設備安全，在緊急情況下可以使用總開關切斷回路。

其中，充電控制策略為:BMCU控制充電電流，根據(jù)電池剩余SOC進行4階段充電。

(1)預充電;(2)大電流充電;(3)恒壓充電;(4)涓流充電。

4　結(jié)語

煤礦災害事故搶險救災的時效性極強，救災良機稍縱即逝，必須及時掌握災種、災情和災區(qū)環(huán)境條件，制訂救災對策和措施。因此，對煤礦救援機器人的作業(yè)時間和行駛里程要求也愈來愈高。而鋰離子電池作為現(xiàn)有電池種類中可靠性和比能量均較高的能源供給在煤礦救援機器人中應用對加強礦難后的搶險救災工作，保護救援人員安全具有重要意義。

[1]王勇,朱華,王永勝,等．煤礦救災機器人研究現(xiàn)狀及需要重點解決的技術問題．煤礦機械,2007,28(4).

[2]李允旺,葛世榮,朱華.煤礦救災機器人應用探討.煤礦機械,2009,30 (1).

[3]劉正耀,其魯,戴嘉昆,李揚．動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究[J].北京大學學報(自然科學版),2006年S1期.

孫凡(1959—),男,遼寧沈陽人,工程師,主要從事煤礦機電安全設備的設計和研發(fā)工作。