蔣波

摘 要：從組成備用電源系統(tǒng)的蓄電池和電源管理系統(tǒng)入手，分析礦井安全監(jiān)控備用電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并在結(jié)合礦井特殊的應(yīng)用環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)影響備用電池失效的關(guān)鍵機(jī)理因素進(jìn)行分析，指出礦井安全監(jiān)控備用電源系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)，即優(yōu)化電池選型，優(yōu)化充電技術(shù)，監(jiān)控智能化及自適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)組建，集成化、高密度化及高頻化，備用時(shí)間延長(zhǎng)等，為進(jìn)一步研究提供新的思路。

關(guān)鍵詞：電源管理；備用電源；充電；安全監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）06-0108-03

Development Status and Tendency of Mine Safety

Monitoring Standby Power Supply System

Jiang Bo

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： From the composition of standby power supply system of the battery and power management system of introduced the current situation of the development of the non-mine field， the status of the standby power supply system of mine safety monitoring was analysed， and based on the special application environment of mine， the key mechanism of backup battery failure factors were analyzed， and the development trend of the standby power supply system of mine safety monitoring was pointed out， to optimize the battery selection， optimization of charging technology， intelligent control and adaptive， network construction， integrated， high density and high frequency， extend the standby time， and so on， to provide new ideas for further research.

Keywords： power management；standby power；charging；safety monitoring

煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障措施[1]，而系統(tǒng)的備用電源在系統(tǒng)正常工作和安全保障中的作用尤其重要，正確地監(jiān)控和測(cè)量蓄電池的工作狀態(tài)、提高礦井監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的性能從而更好地為煤礦的安全服務(wù)，意義重大。備用電源一般由蓄電池和電源管理系統(tǒng)組成，就目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品而言有四類電池[2-6]，即鉛酸蓄電池（LA）、鎘鎳蓄電池（Nicd）、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。由于價(jià)格和工藝成熟，礦井監(jiān)控系統(tǒng)備用電源一直都是以鉛酸電池為主，隨著鎳氫和鋰離子電池在理論、工藝方面取得了突破，應(yīng)用將越來越廣，而鎳鎘電池由于無法擺脫明顯記憶效應(yīng)困擾，故其應(yīng)用將受限制。

1 礦山備用電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)多數(shù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，其備用電源的使用與普通行業(yè)備用電源的區(qū)別如下。①備用電池的使用條件較為惡劣，人為進(jìn)行定期保養(yǎng)和維護(hù)較為不便；同時(shí)，電池處于密封的狀態(tài)，沒有良好的通風(fēng)條件，這是與普通行業(yè)備用電源使用時(shí)的最大區(qū)別。②礦井監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的輸入電壓等級(jí)較多，如660、380、127V等；而井上備用電源的輸入電壓等級(jí)一般為110、220V兩種[7]。③礦井監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的輸出一般沒有交流逆變環(huán)節(jié)，直接經(jīng)過開關(guān)電源變壓后進(jìn)行安全處理，輸出本質(zhì)安全型的直流電源；而普通行業(yè)備用電源一般給用電設(shè)備提供交流電。

目前，國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的蓄電池大多都使用閥控鉛酸電池，但鉛酸電池在使用過程中可能釋放電解氣體，廢舊的鉛酸蓄電池回收困難，利用成本較高[7-8]。此外，大多數(shù)充電電池是單獨(dú)直接作為電源系統(tǒng)使用的，用戶無法知道電池的狀態(tài)，如電池遇過壓、過充、過放、過流及溫度超限等問題，輕則會(huì)對(duì)電池造成大的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，這就對(duì)電池的管理和保護(hù)提出了更嚴(yán)格的要求。

[交流輸入][變壓器][開關(guān)電源][安全柵][本安輸出][電源監(jiān)控][電池]

圖1 礦井監(jiān)控系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)

2 備用電源系統(tǒng)失效機(jī)理

目前，礦井的環(huán)境較為惡劣，監(jiān)控分站一旦安裝就很少再進(jìn)行維護(hù)，而電池又被內(nèi)置于密閉的腔體內(nèi)，因此對(duì)備用電源的要求越來越高。備用電源系統(tǒng)失效的原因總結(jié)如下。

2.1 電池本身的因素

包括備用電池的類型、容量大小、設(shè)計(jì)壽命等本身選取的制約。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分廠家所使用的電池均為鉛酸電池，隨著制造工藝的改進(jìn)和科學(xué)研究的深入，密閉閥控式VRLA電池得到廣泛的應(yīng)用，但無法克服比能量低、壽命短、使用過程中易析出氫氣等缺陷。

2.2 充電和監(jiān)控方式的因素

用單純的恒壓、恒流或者恒壓限流的充電效果都不好，恒壓充電的缺點(diǎn)為電流不可控，初期電流較大、易損壞電池或充電設(shè)備；相對(duì)可接受電流而言，恒流充電前期電流過小，而充電后期電流過大，充電時(shí)間長(zhǎng)，析氣多；恒壓限流充電沒有進(jìn)行預(yù)充電。目前，監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的智能監(jiān)控還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善，正確地監(jiān)控備用電源的工作狀態(tài)，能使用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的了解更加深入，也便于對(duì)備用電源及系統(tǒng)進(jìn)行修護(hù)。

2.3 環(huán)境溫度的因素

電池本身在充放電時(shí)會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)而發(fā)熱，特別是大電流充放電時(shí)發(fā)熱現(xiàn)象更加明顯，腔體內(nèi)工作的電子元器件會(huì)發(fā)熱，部分區(qū)域的腔體外部環(huán)境溫度高，會(huì)導(dǎo)致部分備用電池所處的環(huán)境溫度較高?；诎⒗锛~斯原理，電池在環(huán)境溫度大于40℃時(shí)，溫度升高10℃，壽命則降低50%。

2.4 放電因素

停電頻繁會(huì)導(dǎo)致備用電池經(jīng)常處于充放電循環(huán)狀態(tài)，必將加速電池的老化，若電池經(jīng)常不能達(dá)到充滿的狀態(tài)，則會(huì)大為縮短電池的使用壽命；負(fù)載重則導(dǎo)致放電電流過大，放電時(shí)間短，發(fā)熱嚴(yán)重，甚至發(fā)生熱失控而損壞電池。

2.5 其他因素

如存儲(chǔ)時(shí)間過長(zhǎng)、串聯(lián)電池組的個(gè)體差異性嚴(yán)重而導(dǎo)致整組電池的性能受影響等。

綜上所述，備用電池的使用性能和安全性能除了與使用環(huán)境溫度、儲(chǔ)存時(shí)間、放電深度諸多外界因素相關(guān)外，更重要的是還與電池本身的內(nèi)因、充電方式和監(jiān)控維護(hù)方式密切相關(guān)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

為了提高能量利用效率、加快充電速度、不影響備用電池使用壽命，新型高效、快速、無損的充電技術(shù)已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)備受關(guān)注的一個(gè)研究方向[5，9]。目前，充電監(jiān)控設(shè)備的研究方面發(fā)展趨勢(shì)如下。

3.1 優(yōu)化電池選型

①蓄電池的種類多樣，不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的電池不能一一通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，只能在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)之上，通過理論分析來初步選擇實(shí)驗(yàn)的電池。

②同種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的電池，因廠家技術(shù)水平和電池應(yīng)用專業(yè)方面的不同，呈現(xiàn)出一定的差異性，需要確定合理的調(diào)研范圍和方式，以免出現(xiàn)不當(dāng)和漏洞。

③隨著科技的進(jìn)步，目前認(rèn)為有使用缺陷的電池可能會(huì)通過技術(shù)手段來改進(jìn)；將來還會(huì)有新型電池涌現(xiàn)，故在某一時(shí)期所得出的結(jié)論只能作為該技術(shù)水平下電池選型的參考意見。

3.2 優(yōu)化電池充電技術(shù)

用脈沖快速充電可以削弱蓄電池充電的極化現(xiàn)象，增大蓄電池的可接受電流從而縮短充電時(shí)間；單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限，蓄電池多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)，各個(gè)單體電池間的不一致性會(huì)使蓄電池充電不均衡，導(dǎo)致蓄電池組壽命縮短。因此，可考慮對(duì)電池實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進(jìn)行均充，具體實(shí)現(xiàn)方法包括：①附加一個(gè)并聯(lián)均衡電路，以起到分流的作用；②充電前對(duì)每單體逐一通過同一負(fù)載放電至同一水平，然后再進(jìn)行充電；③定時(shí)、定序、單獨(dú)對(duì)蓄電池組中的單體蓄電池進(jìn)行檢測(cè)及均勻充電。

3.3 監(jiān)控智能化及自適應(yīng)

監(jiān)控智能化及自適應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)被充電電池的自適應(yīng)性、容量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性方面，具體表現(xiàn)為能識(shí)別充電電池的類型，能檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)被充電電池的這些信息自動(dòng)生成最佳充電曲線，保證在最短時(shí)間內(nèi)高效地將電池充滿。

3.4 網(wǎng)絡(luò)組建

當(dāng)前，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的備用電源多數(shù)為單個(gè)獨(dú)立的備用電源，把多臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的備用電源與上位PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)方式為電源監(jiān)控單片機(jī)與監(jiān)控分站單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向收發(fā)，通過監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)與上位中心站的通訊，在地面監(jiān)控中心的上位機(jī)監(jiān)控整個(gè)充放電過程，還可以利用PC機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從而改進(jìn)充電方法。

3.5 集成化、高密度化及高頻化

備用電源中功率器件的元件需要微型化、密集化。功率器件集成在單片IC中，從而使系統(tǒng)控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)和末級(jí)功率放大集成為一體；提高主功率變換器件的開關(guān)速度，可明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容體積、重量等，這也使開關(guān)器件的研制從改進(jìn)電壓、電流的兩維體系發(fā)展到提高頻率的三維體系。

3.6 備用電源時(shí)間延長(zhǎng)

備用時(shí)間延長(zhǎng)的方式可通過增大電池容量、降低負(fù)載功耗等方式，從備用電源系統(tǒng)方面考慮，則需要考慮選用更大比容量的電池，并提高電源轉(zhuǎn)化效率。

4 結(jié)語

本文針對(duì)礦井安全監(jiān)控備用電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合礦井特殊的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)影響失效的關(guān)鍵機(jī)理因素進(jìn)行了分析，提出了其研究的發(fā)展趨勢(shì)，即優(yōu)化電池選型，優(yōu)化充電技術(shù)，監(jiān)控智能化及自適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)組建，集成化、高密度化及高頻化，這對(duì)于延長(zhǎng)蓄電池的壽命具有十分重要的意義，同時(shí)為進(jìn)一步研究提供了新的思路和建議。

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