公安部沈陽(yáng)消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

消防通信裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急供電裝置的研究與設(shè)計(jì)

公安部沈陽(yáng)消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

【摘要】公安消防部隊(duì)在處置重大災(zāi)害事故過(guò)程中，往往面臨基礎(chǔ)供電設(shè)施損毀，電力中斷，道路中斷，汽柴油發(fā)電機(jī)油料運(yùn)輸困難等問(wèn)題，常常導(dǎo)致消防通信設(shè)備無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響了消防部隊(duì)災(zāi)難救援工作的開(kāi)展。為此，本文設(shè)計(jì)了消防通信裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急供電裝置，以期解決重大災(zāi)害事故初期，現(xiàn)場(chǎng)消防通信裝備的應(yīng)急供電問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】消防；應(yīng)急供電；通信裝備

隨著公安消防部隊(duì)在處置地震、洪水等重大災(zāi)害事故時(shí)，由于基礎(chǔ)供電設(shè)施損毀，往往導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)電力中斷，而道路中斷、運(yùn)輸困難，使得汽柴油發(fā)電機(jī)的油料供應(yīng)困難，嚴(yán)重影響消防應(yīng)急通信裝備的供電，給消防部隊(duì)的指揮和調(diào)度帶來(lái)巨大困難。盡管近年來(lái)各種供電保障方式逐漸增多，但穩(wěn)定、可靠、便攜并能滿足消防部隊(duì)機(jī)動(dòng)需求的通信裝備應(yīng)急電源系統(tǒng)尚不多見(jiàn)。為此，本文結(jié)合我國(guó)公安消防部隊(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信保障體系建設(shè)的要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)供電電源系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，解決重大災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)消防單兵通信裝備和消防通信組網(wǎng)裝備供電難題。

1 消防應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

1.1 消防應(yīng)急電源使用場(chǎng)景分析

消防應(yīng)急電源系統(tǒng)通常在以下場(chǎng)景中使用：

（1）基礎(chǔ)通訊、交通、供電等設(shè)施被嚴(yán)重破壞，無(wú)法短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的突發(fā)災(zāi)難事件，如汶川、玉樹(shù)等地震應(yīng)急救援早期，汽柴油發(fā)電機(jī)的油料運(yùn)輸受到嚴(yán)重影響的現(xiàn)場(chǎng)。

（2）在重大災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)救援過(guò)程中，消防部隊(duì)10人以內(nèi)的突擊隊(duì)在到達(dá)破壞更為嚴(yán)重、無(wú)公網(wǎng)供電、需要進(jìn)行通訊保障的地區(qū)的過(guò)程中，和到達(dá)后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)，需要提供單兵通信裝備的應(yīng)急充電保障。

1.2 消防應(yīng)急電源系統(tǒng)主要用途分析

根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，應(yīng)急電源主要用于下述方面：

（1）通信裝備供電保障。包括便攜式衛(wèi)星站、通信基站、短波電臺(tái)、超短波電臺(tái)等。

（2）辦公電子設(shè)備供電保障。包括筆記本電腦、手機(jī)、PDA等設(shè)備的供電保障。

（3）生活供電保障。包括場(chǎng)地、探路、辦公等現(xiàn)場(chǎng)照明、搜救、防蚊蟲(chóng)等日常生活防護(hù)等供電保障。

1.3 應(yīng)急供電裝置研制的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）便攜性：最大程度保障電能容量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕，并便于攜帶。需設(shè)計(jì)可背負(fù)或手提裝置。

（2）可靠性：考慮通訊設(shè)備瞬時(shí)沖擊電流大，且供電設(shè)備可能在充電儲(chǔ)能同時(shí)對(duì)外輸出的特性，需要充分考慮極限情況，設(shè)計(jì)時(shí)留有余量，并設(shè)計(jì)完備的充放電策略和故障處理機(jī)制；

（3）兼容性：為適應(yīng)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性和多變性，為多種通信設(shè)備提供不同電壓等級(jí)、物理接口類型的供電或充電，并為通信裝備的特殊供電接口設(shè)計(jì)專用接口。

（4）環(huán)境適應(yīng)性：為適應(yīng)應(yīng)急設(shè)備野外環(huán)境的使用條件，設(shè)計(jì)時(shí)考慮防水、防塵、防腐、防震的要求。

2 應(yīng)急供電裝置構(gòu)成

綜合考慮需求和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為覆蓋產(chǎn)品便攜性、兼容性及可靠性要求，應(yīng)急供電系統(tǒng)具有完備的供電、儲(chǔ)能和電源變換分配功能，并其配置主要包括以下主機(jī)和輔助系統(tǒng)兩部分，其中輔助系統(tǒng)含折疊式太陽(yáng)能板單元、人力發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元和接口轉(zhuǎn)換單元，組成框圖見(jiàn)圖1。

（1）主機(jī)：即電源變換分配單元，對(duì)來(lái)自太陽(yáng)能電池板和人力發(fā)電組件的電壓進(jìn)行變換，以適應(yīng)儲(chǔ)能組件和外部用電設(shè)備的需求，同時(shí)對(duì)電能進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)電能合理調(diào)配，效率最優(yōu)；此外，電源變換分配組件也實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)和處理功能；

（2）折疊式太陽(yáng)能板單元：可折疊式的太陽(yáng)能電池，可在有陽(yáng)光時(shí)實(shí)現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)接口將電能輸送至電源變換分配組件；

（3）人力發(fā)電單元：由人力腳踏車發(fā)電機(jī)和專用整流器組成，將手動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)專用整流器整流為直流后，將電能輸送至電源變換分配組件；

（4）儲(chǔ)能單元：主要由高性能鋰電池組成，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，為外部設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓；

（5）接口轉(zhuǎn)換單元：將電源變換分配組件的標(biāo)準(zhǔn)接口轉(zhuǎn)換為指定外部設(shè)備接口。

圖1 應(yīng)急供電裝置組成框圖

3 應(yīng)急供電裝置的技術(shù)方案與實(shí)現(xiàn)

3.1 主機(jī)技術(shù)指標(biāo)

電源變換分配單元作為整個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)的控制核心部件，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）接收太陽(yáng)能電池電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級(jí)和功率的電源，同時(shí)也可變換為儲(chǔ)能單元充電所需電源；

（2）接收人力發(fā)電單元電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級(jí)和功率的電源，同時(shí)也可變換為儲(chǔ)能單元充電所需電源；

（3）接收儲(chǔ)能單元輸出電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級(jí)和功率的電源；

（4）可利用太陽(yáng)能、人力電能或外部交流電源實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的充電；

（5）對(duì)各部分電能進(jìn)行分配，提高電能利用率，降低損耗，以獲得最優(yōu)效率；

（6）具備故障檢測(cè)功能，并設(shè)置故障保護(hù)機(jī)制；

應(yīng)急供電裝置主機(jī)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

輸入電壓　12V/220VAC輸出電壓　220VAC/12-48V/5V交流220V輸出功率　500W DC 12V輸出　2路 DC12V 2A 24W×2 DC12-48V輸出　1路DC12-48V /24-96W DC5V輸出　2路 DC5V 1A 5W×2 2路 DC5V 2A 10W×2配套電池　DC12V 10AH欠壓指示　　有過(guò)流指示　　有充電指示　　有外形尺寸（mm）　160*160*300主機(jī)凈重（Kg）　15

3.2 輔助系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

綜合考慮便攜性和功率搭配，選取120W折疊太陽(yáng)能板，可根據(jù)實(shí)際情況并聯(lián)使用，以達(dá)到功率要求，其折疊后和展開(kāi)后外形圖見(jiàn)圖2所示，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 折疊式太陽(yáng)能板

表2 折疊式太陽(yáng)能板主要參數(shù)

3.3 人力發(fā)電單元

人力發(fā)電單元的主要采用人力發(fā)電單車，因一般人力腳踏產(chǎn)生的發(fā)電功率約為100～300W左右，體能較好的人可達(dá)到500～800W充分考慮便攜性要求，選擇行車自與自行車折疊支架發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合組成人力發(fā)電系統(tǒng)。人力發(fā)電單車外形見(jiàn)圖3。

圖3

人力發(fā)電單元主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

3.4 儲(chǔ)能單元

儲(chǔ)能單元主要實(shí)現(xiàn)電能供給，目前可充電式電源電池主要有以下幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。鎳鎘電池因含重金屬，同時(shí)具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對(duì)較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應(yīng)”，長(zhǎng)期不徹底充放電，電池內(nèi)易留下痕跡，降低電池容量。近年來(lái)，越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池作為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)選擇由3個(gè)3.6V10AH鋰電池串接而成，配有30A的電池保護(hù)板。為逆變器提供供10.8V10AH的電能，使便攜設(shè)備具有一定的續(xù)航能力。

3.5 接口轉(zhuǎn)換單元

接口轉(zhuǎn)換單元主要實(shí)現(xiàn)電源變換分配單元輸出的電源與負(fù)載設(shè)備的接口轉(zhuǎn)換和匹配，本系統(tǒng)配備5V USB接口輸出，12V固定電壓輸出12-48V可調(diào)電壓輸出，AC輸出電壓：220V。電源面板LCD顯示設(shè)計(jì)（包括運(yùn)行、報(bào)警、充電、電池電量和放電狀態(tài)）。

4 裝置的性能及測(cè)試

在充放電特性測(cè)試方面，主要測(cè)試充電電壓、電流，以及放電電流特性對(duì)電池性能的影響，尤其是對(duì)多節(jié)電池的串并聯(lián)組成的電池組，多種電池的充放電狀態(tài)，對(duì)不同的充放電狀態(tài)組合關(guān)系進(jìn)行了嚴(yán)格設(shè)定，對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)電路進(jìn)行了狀態(tài)細(xì)化，很好的解決了過(guò)充過(guò)放問(wèn)題，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于消防通信裝備對(duì)電流的需求是動(dòng)態(tài)變化的，與信號(hào)強(qiáng)度、連接的終端數(shù)量等都有關(guān)系，為了防止虛短虛斷現(xiàn)象，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行情況正常。

5 結(jié)論

近年來(lái)，消防隊(duì)伍自我保障水平在不斷提高，但是汽柴油發(fā)電機(jī)組和匹配的供電連接系統(tǒng)尚不適應(yīng)重大災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)道路狹窄、油料運(yùn)輸困難、環(huán)境極度惡劣條件下的電源保障，也無(wú)法滿足單兵救援或小組遠(yuǎn)程野外救援的供電保障需求。本文介紹的應(yīng)急供電裝置較好地解決了現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)供電和充電問(wèn)題，為現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備的供電保障提供了一種相對(duì)理想的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：

張磊（1982—），遼寧沈陽(yáng)人，碩士，現(xiàn)工作于公安部沈陽(yáng)消防研究所。