趙 鵬 任木堯

（中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司）

0 引言

眾所周知，煤礦井下的大型設(shè)備電氣設(shè)計都是采用動力回路與設(shè)備控制回路相結(jié)合的方式，設(shè)備控制回路的電力由設(shè)備內(nèi)部的動力回路供電變壓后供應(yīng)，所以一旦動力回路因故障引起設(shè)備供電突然中斷，設(shè)備控制回路也會同時失去電力供應(yīng)而停止工作，導(dǎo)致設(shè)備故障及之后的系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)信息無法被監(jiān)測、記錄及保存，工作人員不能通過系統(tǒng)的記錄準(zhǔn)確定位信息，不利于設(shè)備故障的分析與快速維修，因而為了煤礦井下大型設(shè)備的安全運行及可持續(xù)運行，煤礦井下供電系統(tǒng)是需要必要的投入和研究的。

1 總體方案

爆炸環(huán)境下定時斷電延時系統(tǒng)如圖1所示，由兩部分組成：一部分為帶有電網(wǎng)電壓檢測功能的自動旁路及控制系統(tǒng)，另一部分為電池供電系統(tǒng)，其中電池供電系統(tǒng)包括充電裝置、電池、放電控制系統(tǒng)、逆變升壓系統(tǒng)、電池電壓檢測系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)[1]。自動旁路及控制系統(tǒng)位于電網(wǎng)和設(shè)備控制回路之間，并且與電池管理系統(tǒng)相連，當(dāng)自動旁路及控制系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)有電時，自動旁路及控制系統(tǒng)將電網(wǎng)的電力輸送給設(shè)備控制回路，提供設(shè)備控制回路用電，同時電池管理系統(tǒng)接收到自動旁路及控制系統(tǒng)發(fā)送的電網(wǎng)的帶電信號，控制放電控制系統(tǒng)、逆變升壓系統(tǒng)不動作，當(dāng)檢測到電網(wǎng)斷電時，控制自動旁路及控制系統(tǒng)內(nèi)部電路截住，防止設(shè)備控制回路電力反向流回電網(wǎng)，同時電池管理系統(tǒng)接收到自動旁路及控制系統(tǒng)發(fā)送的電網(wǎng)的斷電信號，控制放電控制系統(tǒng)、逆變升壓系統(tǒng)動作，切換為電池供電系統(tǒng)，為斷電后的設(shè)備控制回路提供延續(xù)電力供給[2]。

圖1 爆炸環(huán)境下定時斷電延時裝置框圖

充電裝置與電池和電網(wǎng)相連，用于電網(wǎng)帶電時電池的充電工作，內(nèi)部設(shè)計有降壓、整流、濾波及保護等功能，同時充電裝置為單向?qū)?，防止在電網(wǎng)斷電時，電池中的電能向電網(wǎng)流失。

電池管理系統(tǒng)是整個電池供電系統(tǒng)的控制邏輯中心，接收自動旁路及控制系統(tǒng)發(fā)送的電網(wǎng)帶/斷電信號并控制放電控制系統(tǒng)、逆變升壓系統(tǒng)不動作/動作：當(dāng)電池管理系統(tǒng)接收到自動旁路及控制系統(tǒng)發(fā)送的電網(wǎng)帶電信號時，控制放電控制系統(tǒng)、逆變升壓系統(tǒng)不動作，保持截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電池管理系統(tǒng)接收到電網(wǎng)斷電信號時，控制放電控制系統(tǒng)導(dǎo)通、逆變升壓系統(tǒng)工作，將電池釋放的低壓直流轉(zhuǎn)換為設(shè)備控制回路所用高壓交流，為設(shè)備控制回路持續(xù)供電。

電池管理系統(tǒng)中還設(shè)置有定時系統(tǒng)，通過電池電壓檢測系統(tǒng)反饋的電池儲能狀態(tài)信息，計算電池的可續(xù)航時間，為定時系統(tǒng)提供設(shè)定時間上限。在電池續(xù)航時間內(nèi)，保證能夠自由設(shè)置電網(wǎng)斷電后電池供電系統(tǒng)的工作時間，并在記錄足夠的有用信息后，停止對設(shè)備控制回路的持續(xù)電力供應(yīng)，避免了電池的持續(xù)損耗。

當(dāng)電網(wǎng)供電突然中斷，大型設(shè)備的設(shè)備控制回路可以通過電池供電系統(tǒng)繼續(xù)工作，并記錄故障后設(shè)備的運行參數(shù)，為工作人員準(zhǔn)確定位故障信息、進行快速維修提供了便利條件。

2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

此管理系統(tǒng)是基于 DSPTMS320LF2407A的鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)[4-5]。筆者采用的電池管理系統(tǒng)方案設(shè)計包括電池相關(guān)的電流檢測設(shè)計、電壓檢測設(shè)計及溫度檢測設(shè)計等。電池管理系統(tǒng)組成框圖如圖 2所示。電壓采樣通道采用12路設(shè)計，可以使用多路模擬電路開關(guān)分時，控制不同單株電池的電壓輸入TMS320。采樣保持電路作用是將電壓與電流采樣保持功能，是為了確保電池管理系統(tǒng)中單株電池同步采樣。電池的溫度采用熱敏電阻檢測，通過DSP分析電池溫度的數(shù)據(jù)，以便判斷電池安全性及穩(wěn)定性[6]，在設(shè)計中還使用了環(huán)境溫度的檢測，采用紅外溫度感應(yīng)傳感器。所有這些電池信息采入 DSP后進行數(shù)據(jù)的分析、處理，并通過CAN總線和控制系統(tǒng)通信，將電池狀態(tài)信息傳輸至控制系統(tǒng)并通過液晶顯示屏進行顯示。該設(shè)計還設(shè)置有存儲器，應(yīng)用了集成數(shù)據(jù)存儲功能。以上這些管理系統(tǒng)主要作用是為了確保電池在充放電過程中，因單株電池性能或質(zhì)量的不同而致使電池組過充或過放電，進而影響電池的使用壽命[7]。

圖2 電池管理系統(tǒng)框圖

3 采樣電路設(shè)計

3.1 電壓檢測電路設(shè)計

蓄電池使用過程中電池電壓穩(wěn)定性是衡量電池優(yōu)劣的主要參數(shù)之一[6]，那么電壓檢測電路精度設(shè)計在蓄電池組均衡管理顯得額外重要。因此本設(shè)計采用H380高精度、穩(wěn)定性好、功能強大的芯片，它根據(jù)采樣電壓不但能估算出電池的節(jié)余電量大小，同時對比當(dāng)前電壓是否超出電壓極限值，還可以比較電池組各單體電壓均衡性。因此，電池電壓的準(zhǔn)確測量是非常重要的。本方案的電池組是由12節(jié)12V鉛酸蓄電池單體串聯(lián)制成，所以電壓檢測電路測量單體電池電壓范圍為7～14V。為實現(xiàn)耐壓隔離度要求，要求所有電池不能共地，所以采用光耦隔離設(shè)計，光耦隔離芯片采用穩(wěn)定性較好的TLP785。電池電壓經(jīng)過H380芯片處理后，再經(jīng)由處理器A/D轉(zhuǎn)換的測量范圍（0～3.3V），電壓檢測電路如圖3所示。

圖3 采樣保持及保護電路

3.2 電流檢測電路設(shè)計

蓄電池使用過程中電池電流輸出是衡量電池容量的主要參數(shù)之一[8]，單體電池電流測量精度直接決定了電池SOC計算的精度。所以電流采樣電路設(shè)計的精度、抗干擾能力、零漂、溫漂和線性度誤差等都需要考慮。在本方案中采用高精度霍爾電流傳感器對蓄電池充放電采集電流。設(shè)計電路如圖4所示。霍爾電流傳感器的型號采用 CHB-100SF，其一次電流與二次電流也同樣采用電氣隔離，可測量直流、交流和脈沖電流。頻率范圍：DC 100kHz，供電電壓為±15V，測量范圍是0～±150A，匝數(shù)比1∶1000，精度±0.3%～1%，線性度0.1%，響應(yīng)時間：＜1μs，電流消耗10mA，絕緣電壓2～6kV/50Hz/lmin，工作溫度0～+70℃。

圖4 電流采集電路

4 結(jié)束語

經(jīng)過測試表明，本裝置增加電池供電系統(tǒng)模塊設(shè)計后，當(dāng)電網(wǎng)供電突然中斷，大型設(shè)備的控制回路可以通過電池供電系統(tǒng)繼續(xù)工作，并記錄故障后設(shè)備的運行參數(shù)，且準(zhǔn)確定位故障信息，為現(xiàn)場快速維修提供了便利條件。