基于大容量鋰電池后備電源集中供電模式

陳于亮

摘 要：針對煤礦井下“六大系統”供電使用過程中出現的問題進行分析梳理和總結，并結合實際的工程應用提出了煤礦“六大系統”供電保障系統的設計，并對 “六大系統”供電保障系統的預期目標進行了分析，提出一些意見和思路。

關鍵詞：大容量；鋰電池；集中供電

近年來隨著新型動力電池材料的研制成功，磷酸鐵鋰電池以其能量高、電化學性能穩定、輸出電流大等優點被廣泛用作動力電源。隨著煤炭工業發展和礦山裝備技術進步，監測通信系統、緊急避險設施、井下運輸車輛等對防爆電源容量的要求越來越高，同時GB3836.2010《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》中明確禁止“在正常使用時可能釋放電解氣體的電池（如鉛酸蓄電池）”在隔爆外殼內使用，越來越多的生產企業趨于選擇、使用比能量高、無記憶效應的磷酸鐵鋰蓄電池。實際應用中，煤礦對大容量串聯鋰離子蓄電池組的需求也越來越大，單體磷酸鐵鋰蓄電池電壓及容量有限，實際應用中采用大容量磷酸鐵鋰電池串聯的方式組成電池組使用。

1 目前煤礦供電現狀

目前煤礦井下的監測監控、人員定位、無線通訊、廣播等各類數字化礦山系統設備分布廣，布置比較分散，供電方式多為就近接入巷道內排水、照明供電系統，可靠性差較差，供電發生故障后停電時間長，無法保證數字化礦山系統可靠運行，影響煤礦安全生產；如果數字礦山系統全部采用雙回路、專用變壓器、專用開關方式供電，可以有效保證供電網絡安全、可靠，但建設費用較高；監測監控等系統自帶的后備電池容量有限，一般只能滿足2小時后備供電，現場交流斷電一旦超過2小時，則供電中斷，系統將無法正常運行；數字礦山系統電源不具有電池智能管理功能，后備電源電池長期處于浮充狀態，會大幅度降低電池使用壽命，必須進行周期性放電操作，以保證電池使用壽命；數字化礦山相關子系統采用傳統的分散式供電方式，每個系統數十臺電源，都采用人員工檢查和放電的維護模式，工作量較大，后期運行維護質量難以保障。

2 鋰電池箱工作原理

在電池腔內，交流輸入的AC127V/AC660V經過隔離變壓器輸出AC22V，AC220V經過電源濾波器、群脈沖抑制器，輸出的AC220V輸入到充電器，充電器輸出DC30V到網關，網關與BMS接口方式為SMBUS，網關具有LCD實時顯示電池信息的功能，網關輸出的非安DC、RS485輸出到電源箱，網關通過8個并聯的18B20測量8節電池溫度，BMS通過2個JF6的穿墻端子對電池組進行最大6A電流充電，BMS通過JD12的穿墻端子實現對電池組的均衡充放電。

當存在市電時，DC-DC的供電由充電器提供，DC30V輸出到電源箱，再經過本安保護電路，實現3路獨立的12V本安輸出。當市電斷電時，負載設備供電由電池提供，可以實現設備的不間斷供電。

3 基于大容量鋰電池后備電源集中供電模式的特點

穩定、可靠、經濟的供電：對比分析采用雙回路、專用網絡供電模式，與以現有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式的穩定性、可靠性，經濟性，研究適合于煤礦井下的數字化礦山供電模式。

數字化礦山統一的供電平臺：研究被供電設備的輸入電壓規格及參數，研發出可以廣泛適用于數字化礦山各種輸入電壓等級的供電設備和系統，實現供電網絡的規范管理。

故障診斷管理：分析系統和關鍵設備的故障點及故障出現時工作狀態，研發出可以實現關鍵技術1+1冗余的設備和系統，實現科學、有效的故障自診斷專家管理系統的建立，實現故障報警。

智能電池冗余管理：分析井下不同環境下設備檢修、維護、故障排除時間的大數據，科學布置后備電池的電量，研發適合于煤礦井下的后備電池冗余管理系統，應不僅保證系統不間斷供電，同時有效節約成本。

智能電池充放電管理：分析本機設備供電適用環境和被供電設備特點，建立起一套科學的預防式的電池分組充放電管理機制，以實現當需要放電時電池有電可放。

鋰電池的充放電管理：研究鋰電池在不同溫度環境下的充放電曲線，采用合適算法實現對電池SOC（荷電容量）的準確計算，完善鋰電池保護機制，有效降低電池的后期維護成本。

4 預期目標

該系統和設備解決了分散式供電的諸多問題，無論是系統級、設備級均具有冗余設計，極大提高了被供電設備的可靠性，保證了數字化礦山各類系統的可靠供電。形成了整個數字化礦山的供電系統，該系統可以直觀展示出礦井各系統被供電設備的實時工作狀態及運行參數，實現覆蓋整個井下的無盲點管控。

該系統和設備適用范圍較大，既具有非安DC24V輸出，又具有非安AC127V輸出，同時還具有本安DC18V輸出，可以廣泛覆蓋各種廠家的各類系統及設備。以現有就近取電方式為基礎的智能電源集中供電模式，可以形成數字化礦山穩定、可靠、經濟的供電網絡，其總體成本不超過100萬；如采用雙回路開關、專用網絡供電模式總成本約300萬，采用智能電源集中供電的模式預期可以節約資金200萬。

項目完成后實現了對煤礦井下后備電池的統一管理，具有專業的電池容量診斷功能，為及時更換電池提供技術支撐。

系統和設備具有完善的保護、報警機制，通過電源故障專家診斷系統，方便現場故障定點排查，快速檢修，有效減少了維護人員。以某煤礦為例，該礦的無線通訊、人員定位、廣播、安全監控系統，每種系統不少于50臺電源，共計200臺電源，需要6名日常維護人員，項目建成后，只需2名兼職動態檢修人員即可，人力成本每年節約100萬元.

項目完成后系統支持對電池箱后備電池、隔爆兼本安電源后備電池遠程充放電管理操作，有效延長了后備電池的使用壽命，減少了電池更換的次數。以某煤礦為例，200臺電源，年可節約維護電池成本約30萬。

5 應用范圍

可以實現煤礦井下的無線通訊、人員定位、車輛定位、監視監控（工業電視）、語音廣播、調度指揮、工業自動化、安全監控等系統數字化系統的不間斷、可靠供電，可以實現緊急避險系統等要求長時間供電的場合，可實現隔爆PLC、交換機等單機設備供電的不間斷供電。

6 結語

系統完成后，通過智能化電源集中供電系統成功用于煤礦井下，實現了數字化礦山各類系統的正常工作，為煤礦的安全生產保駕護航，該系統具有科學、易管理、易擴展、易維護等特點。

參考文獻

[1] 王曉陽.KJ95N型煤礦綜合監控系統[J].西安科技大學學報，2008，28（2）：397-399

[2] 徐磊 周孟然 趙祥 . 煤礦實用本安電源設計[J]. 《煤礦機械》 2012年03期