一种新型高压动力蓄电池组的应急供电电源的研究

一种新型高压动力蓄电池组的应急供电电源的研究摘要 为了改善我国中大型矿井局部风机的工作可靠性，提出了一套完整的掘进工作面应急供电供风系统方案。 采用磷酸铁锂作为新型蓄电池材料， 设计了新型隔爆大功率应急供电电源， 保证了掘进工作面的正常供电供风。 研究一种新型无损均衡充电方法， 采用恒流恒压相结合的充电模式，对蓄电池组进行分组充电，有效解决了蓄电池组容量与均衡性问题，满足矿井复杂的用电环境。实验表明，系统提高了局部风机的安全可靠性，可支持 30KW风机正常工作 60 分钟以上。关键词 均衡充电，应急供电电源，蓄电池分组充电，可编程序控制器 PLC Abstract In order to solve the issues such as gas explosion accidents caused by power and air cut in medium-sized underground tunneling face ,a new set of overall heading for the wind power system design was proposed, and on this basis, a high-power explosion-proof emergency power was developed. The power was charged through a balance method for nondestructive, it could meet 30KW wind turbine more than 60 minutes to work. Experiments show that the emergency power supply suitable for the majority of our large coal mines in the heading face occasions.Keywords Emergency Power Supply, Programmable Logic Controller PLC, Battery charging ， Balanced protection 引言我国近几年煤炭事故频繁发生。据调查表明，由瓦斯爆炸引起的事故占 70左右。因此供电系统除了要向负载提供高质量的电能外， 还要保证供电的连续可靠性。 局部通风机配备应急电源（ EPS） ，可以防止因断电造成的停风问题，减少瓦斯爆炸事故 [4] 。传统的低压蓄电池组 EPS 不能满足现在煤矿井下苛刻的供电要求。因此，研究开发新型高压动力蓄电池组， 保证蓄电池组具有良好的充电状态尤为重要 [6]。本文就掘进工作面局部通风机停电时的应急供风系统，展开应急电源的研究工作。主要研究开发矿用隔爆型 660V 大功率三相应急电源 EPS， 同时在煤矿掘进工作面发生停电停风故障时， 实现自动应急供风， 保障煤矿安全生产。1. EPS 系统模型及工作原理本系统设计的应急电源包括五个模块电网电源模块、控制电路模块、充电电路模块、高压蓄电池组和负载模块，其系统结构框图如图 1 所示电网电源充电开关充电电路负载（风机）控制电路保护电路切换开关高压蓄电池组检测电压检测电流图 1 EPS 电源的系统框图在不发生系统故障时，市电直接给负载（一般指风机）供电， 并通过高频高压大功率开关为蓄电池组进行充电。充电电路主要由前级 AC-DC 动力电交流输入 660V 变换成直流高压 、 中间级 DC-AC 直流高压逆变成高频高压 和后级 AC-DC （高频高压变换成直流低压 三个大部分组成。前级 AC-DC 往往采用动力电源 660V 交流输入经不控整流滤波得到随电网电压波动的直流电； 中间级通过控制电路和大功率电子器件 MOSFTT 管或 IGBT 管 及功率开关变压器一起组成开通、关断的电路来实现 DC-AC 变换；最后通过高频整流将高频交流变成为低压直流输出为电池组充电， 同时检测输出直流电压， 反馈到控制电路， 达到充电控制的目的， 满足蓄电池组的充电要求。 一旦发生突然断电时， 由蓄电池组为风机提供动力。2. 蓄电池组的设计2.1 蓄电池组的难点处理磷酸铁锂电池具有容量高、功率大、输出电压平稳、安全性高、寿命长、充放电效率高及无污染等优点， 是目前最好的大电流输出动力电池材料。 因此本设计选用磷酸铁锂作为单体电池的正极型材料。结合矿用充电环境，本电源要满足在 660V 的动力系统上取能，经整流后直流电压高达 930V，如此高的充电电压，将会产生蓄电池组充电的均衡性问题；防爆电气系统内部主接线不易改变， 因此要在不改变主接线方式的情况下完成蓄电池组的充放电； 煤矿供电波动一般很大 （ -2515 ） ， 会造成蓄电池组充电不足。 综上所述， 我们采用恒流恒压相结合的充电模式，对蓄电池组进行分组充电。2.2 一种新型无损均衡充电方法蓄电池组中存在的均衡性问题，将直接导致电池寿命缩短，因此均衡充电成为了串联电池组充电技术中急需解决的关键问题。 现有的充电方法很难兼顾电池容量和均衡性， 鉴于此， 研发出了一种无损均衡充电方法。 均充模块启动后， 过充的电池会将多余的电量转移到没有充满的电池中， 实现动态均衡。 效率高， 损失少，所有的电池电压都由均充模块全程监控。 另外， 提出以降升压式转换器为基础的均衡充电电路结构。 串联电池组中的每一单体电池都配备降 /升压式转换器，当其电量较高时，可将电量转移，重新分配给其它电量较低的电池，有效地缓和电池组的不平衡状态。2.3 系统试验与应用情况分析充电过程中根据电池的充电状态增加脉冲开关信号， 通过逻辑控制系统输出控制电压信号作为控制信号电压 VCON ，控制开关电源的输出。当有的电池单元电压充电高于平均值时，由电池保护电路进行处理，实现电池组充电均衡。 在控制回路中， 设有电流、电压传感器随时监视蓄电池的充放电过程参数， 经过累计充放电电流和时间计算可初步得到得到电池的充放电容量变化情况。当电池组放电电压低于 900V 时，终止放电，实现电池的智能充放电管理。通过上述充电方式，在经过 12 小时充电过程后电池达到额定容量。充电试验数据见表1充电时间 h 电池组电压 V 最高单元电压 V 最低单元电压 V 0 327 32.9 32.43 1 331 33.3 32.08 2 335.5 33.9 32.7 3 339 33.9 33.1 4 343.4 34.5 33.4 5 347 35.1 33.8 6 350 35.9 34.2 7 351 35.8 34.3 11 355 35.9 34.7 表 1 电池组充电试验数据开始充电电流比较大，处于恒流过程，充电电流为 4.5A，从 10 小时以后，电池电压变化很小，只是上下波动， 充电电流已降到 20mA 以下。对于充电后的电池组，经过逆变器向28KW 局部风机供电，进行放电试验。持续约 2 小时后，电池组电压约为 900V。满足应急供电电源 30KW 负载连续工作 1 小时的需要。电池组放电试验数据见表 2放电时间 min 电池组电压 V 放电电流Ａ 风机转速 rpm 0 960 22.4 2887 10 960 22.4 2887 20 960 22.4 2887 30 950 22.4 2887 40 950 22.4 2887 50 950 22.4 2887 60 950 22.4 2887 70 950 22.4 2887 80 950 22.4 2887 90 940 22.4 2887 100 940 22.4 2887 110 930 22.4 2887 120 920 22.4 2887 130 900 22.4 2887 表 2 电池组放电试验数据结果显示由于无损均衡充放电方案采用独立模块形式，工作时只需将 N-1 个模块连接在个数为 N 的电池组里，容易实现且方便维护。此外，在充放电过程中自动平衡相邻电池间的容量差异， 确保了电池组中所有的电池在充放电过程中都处在同一水平状态， 从而有效防止了电池的过充、过放，延长了电池组的工作寿命。3. 控制策略分析本系统选用的可编程序控制器 PLC是西门子 S7-200， EPS采用的是 CPU-224模块。该控制器控制能力较强、运行速度快、 功能强， 适用于小型控制系统。本系统在常用局部风机与备用局部风机的启动器之间设有电气监测装置和自动投切装置，当常用局部风机因故障 主要故障是停电 停风时， 电气监测装置发出警报， 自动投切到备用局部风机， 由备用局部风机向工作面供风， 维持工作面风量要求， 待电源故障排除后， 再转换由常用局部风机供风。4. 隔爆外壳的设计中大型煤矿中使用的应急电源应该具有安全性、 可靠性和隔爆型。 通过对煤矿瓦斯气体的爆炸特性及井下电气设备现有的防爆技术研究， 本系统主要采用间隙隔爆技术， 并在控制回路中采用本质安全技术。应用 Solidworks 系统对隔爆外壳进行设计，首先建立各个零件和部件的三维实体模型，然后由实体模型生成工程图。借助有限元分析 COSMOSworks 模块，对矩形类隔爆箱体主要部分进行了有限元分析， 该分析大大缩短了产品设计开发周期， 提高了设计质量，通过后期的样机厂内静压试验证明结果正确。总结本文结合当前国内外供电系统应急电源发展状况，针对目前我国煤矿矿井中普遍存在的瓦斯爆炸等安全隐患问题，设计了新型防爆型大功率 EPS 电源。提出了一种基于磷酸鉄锂高压动力蓄电池组均衡充电的新思路，研制出了应急电源和正常供电电源的自动切换装置，响应速度快，可使切换时间缩短到 0.1s0.25s。实验证明，系统有效地提高了矿井局部通风机的工作可靠型。参考文献 [1] 刘孟祺 .煤矿井下局部通风机供电系统的改进 [J]. 科技情报与经济 ,200515255[2] 任洪军 ,李进 ,从继忠 .煤矿井下局部通风机供电系统存在问题及处理方法 [J]. 煤炭工程 .2009041315 [3] 戴宝峰 EPS 的设计与应用 UPS 应用 2004.636）[4] 刘凤君 . 现代高频开关电源技术及应用 [M]. 电子工业出版社 ,2008. [5] 赖桂棠 ,李大光 ,李军，磷酸铁锂的结构及其改性研究进展 材料研究与应用 2007 [6] 卢其威 , 王聪 , 程红 . 增设局部通风机应急电源的思考及可行性分析 [J]. 煤炭科学与技术， 2008371 ～ 73. [7] 张悦 ,罗根华 .五龙矿矿井通风方案优化选择 [J]. 煤炭科学技术 ,2006,251155 ～ 57 [8] 张延聪 .UPS 电源蓄电池的正确使用与维护 .煤炭科学与技术 ,200633132 [9] 周佳娜 . 铅酸蓄电池充放电原理及现场应用 [J]. 电力建设 ,200341 5～ 17.[10] KUTKUT NH, WIEGMAN HLN, DIV AN DM, et al. Design Considerations for Charge Equalization of an Electric Vehicle Battery System[C]// IEEE APEC Conf. Rec,1995,Dallas 96103. 作者简介杨春稳（ 1957.9） ，博士研究生，教授级高工，专业电机与电器，研究方向电器可靠性，现任开滦集团有限责任公司技术中心主任。先后主研科技项目 4 项，专利 2 项，制定行业标准 1 项。 E-mail yangchunwenkailuan.com.cn 李 凤 强 （ 1987.6- ） ， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 专 业 为 电 气 工 程 ， 研 究 方 向 电 力 系 统E-mailzhao198970316126.com 黄小松（ 1986.3-） ,男，硕士研究生，专业为电气工程，研究方向为电器可靠性及检测技术 E-mailhxs02344944sohu.com 李志刚 1958.11- ，男，博士，教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，河北省省管优秀专家。 主要社会职务包括 中国电工技术学会电工产品可靠性研究会秘书长、 中国机械工程学会可靠性管理委员会常务委员。先后主持国家级、省级科研项目 9项，获专利十余项。专业为电机与电器，研究方向包括电子电器、电器可靠性、电器智能设计。现任河北工业大学电器研究所副所长。 E-mail haohaohaoyeou.com 通讯地址天津市红桥区丁字沽光荣道 8号 , 河北工业大学 东院 电器研究所 323信箱