郭長娜

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

目前越來越多的企業(yè)選擇鋰離子蓄電池作為井下機車用電源、啟動電源、監(jiān)控系統(tǒng)等產(chǎn)品的備用電源等[1]，礦用機器人項目中動力電源大多為鋰離子蓄電池電源[2]，因此礦用鋰離子蓄電池電源試驗方法的研究具有重要意義。礦用鋰離子蓄電池電源安全標志檢測檢驗依據(jù)文件《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求（試行）》中明確要求鋰離子電源應(yīng)具有短路保護功能，短路保護時間不超過50 ms，并在10 s 內(nèi)具有報警顯示，且此試驗要求短路負載電阻不超過5 mΩ。大容量多節(jié)鋰離子電池電源短路瞬間電流很大，最大可達到幾千安培[3]，而井下復(fù)雜環(huán)境下一旦出現(xiàn)短路故障若不能在極短時間內(nèi)實現(xiàn)保護，電池極易產(chǎn)生爆炸，從而引發(fā)一系列井下安全問題[4]。因此，此項保護功能的檢測檢驗至關(guān)重要。

目前國內(nèi)并沒有安全可靠的礦用鋰離子蓄電池電源短路保護試驗設(shè)備，早期只是根據(jù)企業(yè)短路保護功能原理通過給定大電流模擬短路，實際上真正的短路會產(chǎn)生非常大的能量，其危害及不確定因素遠遠大于早期所采取的模擬短路方法[5]。后期對試驗方法進行了改進，采用了小內(nèi)阻直流繼電器實現(xiàn)主回路的短路，控制端使用手動控制開關(guān)，但此測試方法如被檢樣機一旦達不到標準要求，繼電器便會點燃損壞，造成財產(chǎn)損失，更對實驗室設(shè)施、檢測人員人身安全等具有很大的潛在危險。因此，研究新的短路保護試驗設(shè)備十分必要。

1 總體設(shè)計

1.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1，系統(tǒng)主要包括定時控制單元、數(shù)據(jù)分析單元。

圖1 試驗及分析系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the test and analysis system composition

當(dāng)定時控制單元接收到遙控觸發(fā)信號發(fā)出合閘信號至直流斷路器，控制直流斷路器動作，因斷路器操作機構(gòu)動作具有延時[6]，因此，本定時控制單元設(shè)計了信號反饋接收部分，當(dāng)以AVR 單片機為核心的中央處理單元采集到直流斷路器動作的反饋信號開始定時，定時時間可在試驗開始前進行設(shè)置，當(dāng)定時時間到達后，會強制斷路器分閘，實現(xiàn)后備保護功能。

在定時控制單元向直流斷路器發(fā)出合閘、分閘信號的同時，也將信號發(fā)送給數(shù)據(jù)分析單元。主回路中電流、電壓檢測傳感器檢測試驗過程中主回路的電流及短路保護用元件的端電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)分析單元中的數(shù)據(jù)采集卡AD 轉(zhuǎn)換處理后傳輸至LABVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件，LABVIEW 經(jīng)對直流斷路器操作機構(gòu)動作延時時間、主回路通斷時間、短路保護動作時間準確計算，形成波形顯示并自動生成數(shù)據(jù)報表。

1.2 主回路

主回路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。建立低阻抗回路，短路負載電阻為μΩ 級[7]，遠遠小于5 mΩ。用大容量高壓直流斷路器連通電池組的正、負極，在直流斷路器有效合閘瞬間，構(gòu)成電源短路。發(fā)生短路后，電池組的短路保護動作，并應(yīng)在50 ms 內(nèi)切斷電路電流。

圖2 試驗主回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of test main circuit

實際檢驗過程中電源的短路保護可能存在問題，造成短路保護時間過長或者不保護情況，一旦出現(xiàn)這種異常，將會對電池造成巨大損傷，嚴重時甚至發(fā)生爆炸及火災(zāi)[8]。為了在試驗中避免這一異常情況出現(xiàn)，本試驗及分析系統(tǒng)將采用高壓直流斷路器根據(jù)設(shè)定好的時間強制斷開電路的方法實現(xiàn)安全的后備保護，無論在試驗前設(shè)置好的定時時間內(nèi)電源的短路保護是否動作，都可以可靠的保證電路斷開。

2 定時控制單元

定時控制單元主要實現(xiàn)對高壓直流斷路器的通斷進行精確的定時控制。在進行短路試驗時，巨大的電流沖擊對電池組是一個損傷的過程[9]，為了盡量避免短路對電池造成的過熱效應(yīng)，應(yīng)在滿足試驗的條件下，盡量減小短路時間，從而此試驗需要一個能夠在觸發(fā)短路時，可以精確定時的控制系統(tǒng)。

由于電源短路保護的動作時間非常短（通常小于50 ms），而采用高壓直流斷路器觸發(fā)短路時，其電磁操動機構(gòu)的動作延時時間也不可忽視[10]（通常合閘在20 ms 左右，分閘在10 ms 左右）。如若在直流斷路器合閘后，延時很短時間就進行分閘，可能造成電源的短路保護不能正常觸發(fā)；反之若延時很長時間才進行分閘，極有可能在短路保護失效后，無法及時切斷電路電流，造成電池損壞這一嚴重后果。

定時控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3。定時觸發(fā)控制核心采用AVR 單片機實現(xiàn)。中央處理電路如圖4。

圖3 定時控制單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure block diagram of timing control unit

圖4 中央處理電路Fig.4 Central processing circuit

考慮到安全問題，短路試驗的觸發(fā)信號通過遠程遙控的方式實現(xiàn)，在定時控制單元上設(shè)置遙控信號接收模塊，遙控信號接收電路圖如圖5，一旦收到遠程發(fā)來的觸發(fā)信號，單片機輸出口輸出高壓直流斷路器的合閘信號，高壓直流斷路器電磁操動機構(gòu)立即動作，當(dāng)主觸點完成合閘后，其輔助觸點輸出一個合閘完成信號到單片機。當(dāng)單片機接收到直流斷路器的合閘完成信號后，立即啟動定時器，延時預(yù)先設(shè)定的時間后，再發(fā)出分閘信號，實現(xiàn)強制切斷電路電流的功能。單片機將合閘及分閘信號輸出給直流斷路器的同時，也將信號通過IO 口傳輸至數(shù)據(jù)分析單元。

延時時間和動作時序可以通過液晶顯示觸摸屏界面直觀地設(shè)定。觸摸屏與單片機之間采用RS232接口進行數(shù)據(jù)通訊。

控制單元的電源為AC220 V，通過AC/DC 開關(guān)電源電路，實現(xiàn)多路相互隔離的不同電壓輸出，其中中央處理電路、線圈電壓驅(qū)動電路及遙控信號接收電路的電源電壓為5 V，觸摸屏電源電壓為24 V。CPU 核心系統(tǒng)與外圍電氣實現(xiàn)了光電隔離，極大地提高了抗電磁干擾性能[11]，使得定時、動作更為可靠。定時控制單元的控制流程圖如圖6。

圖5 遙控信號接收電路Fig.5 Remote signal receiving circuit

圖6 定時控制單元程序流程圖Fig.6 Flow chart of timing control unit program

3 數(shù)據(jù)分析單元

3.1 數(shù)據(jù)分析單元設(shè)計方案

設(shè)計了數(shù)據(jù)分析單元，主要包括數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件2 部分。

數(shù)據(jù)采集卡通過電流、電壓檢測傳感器采集主回路電流、短路保護用元件兩端電壓，經(jīng)處理后通過USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。同時，數(shù)據(jù)采集卡接收定時控制單元發(fā)送的直流斷路器線圈合閘、分閘信號，并傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。以上信號均為實時真值采集，可以真實反映系統(tǒng)的工作參數(shù)。

LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件安裝在工控機上，主要有數(shù)據(jù)顯示、量化分析、曲線記錄、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)果判定等功能。所有采集通道均有數(shù)字顯示和曲線顯示，采樣精度可調(diào)，每通道最高采樣速率可達500 kbps。界面曲線顯示窗口長度可調(diào)，可充分顯示波形特征。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面包括操作模式、參數(shù)設(shè)置、波形顯示及數(shù)據(jù)報表部分。操作模式部分設(shè)計了手動及自動合、分閘兩種模式可供選擇，包括合閘、分閘、報警等狀態(tài)的指示。參數(shù)設(shè)置部分包括合閘定時時間、采樣速率及采樣點數(shù)等設(shè)置，其中為了對系統(tǒng)運行進一步保護，設(shè)計了電壓、電流范圍設(shè)置欄，一旦系統(tǒng)運行過程中采集到的電壓及電流超出了設(shè)置范圍，數(shù)據(jù)分析單元將進行報警，并將信號及時反饋至定時控制單元，實現(xiàn)故障分閘。LabVIEW數(shù)據(jù)分析軟件經(jīng)對數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)分析處理后將線圈信號、短路保護用元件端電壓、主回路電流繪制成波形進行實時顯示，另外，通過精準計算將斷路器操動機構(gòu)延時時間、主回路通斷時間、短路保護動作時間直觀顯示。分析軟件將合閘時刻、分閘時刻、斷路器操動機構(gòu)延時時間、主回路通斷時間、短路保護動作時間及故障報警等最終形成數(shù)據(jù)報表，可進行導(dǎo)出打印。

3.2 測試結(jié)果分析

在短路試驗過程中，由于高壓直流斷路器的電磁操動機構(gòu)動作需要一定時間，在電磁線圈通電后，不能立即使主觸點閉合，實現(xiàn)短路效應(yīng)，而是延時一段時間后，主觸點才閉合，回路電流以極高的速率增加造成短路效應(yīng)，可通過高壓直流斷路器的線圈信號、主回路的電流測試曲線分析出線圈有信號至回路電流極速上升的這段時間即為電磁操動機構(gòu)合閘的延時時間。

當(dāng)短路發(fā)生后，開始計時，短路電流持續(xù)一段時間，短路保護開始動作，保護成功后，回路電流降至零，此時高壓直流斷路器的線圈仍然通電，當(dāng)計時到達設(shè)定時間后，單片機發(fā)出分閘信號，經(jīng)過操動機構(gòu)分閘動作延時完成分閘，線圈失電?；芈冯娏鳂O速上升后又下降為0 的這段時間即為短路保護動作時間，此段時間應(yīng)與短路保護用元件的端電壓波動時間一致。短路電流上升至線圈信號消失的時間即為主回路通斷時間（即試驗開始前設(shè)置的定時控制時間），從線圈信號消失至線圈失電這段時間即為斷路器操動機構(gòu)分閘延時時間。

綜上所述，數(shù)據(jù)分析單元可以準確，詳細地記錄試驗過程中的各關(guān)鍵電信號，并可以對電源短路保護功能進行分析與判斷，另一方面，也可以通過定時控制對此項試驗進行后備保護，可靠保障了試驗的安全性。

4 結(jié) 語

針對大容量鋰離子蓄電池電源短路保護功能，設(shè)計了短路保護的試驗與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①對電源短路后的主回路電流、短路保護用元件的端電壓、線圈信號進行精確采集與記錄；②對試驗過程中的斷路器、定時器、觸發(fā)記錄等時序精準控制；③對短路試驗過程中的斷路器操動機構(gòu)延時時間、主回路通斷時間、短路保護動作時間進行準確計算；④對試驗過程中的電壓、電流變化進行實時記錄與波形顯示。