一種ia級本安型礦燈保護(hù)電路設(shè)計(jì)

天地（常州）自動化股份有限公司 金業(yè)勇

中煤科工集團(tuán)上海檢測中心 張彬彬

1.前言

礦燈是煤礦井下生產(chǎn)必備的照明設(shè)備，其安全性能同煤礦安全生產(chǎn)密切相關(guān)。國內(nèi)目前的礦燈主要分為三大類[1]：KS型礦燈(酸性礦燈)、KJ型礦燈(堿性礦燈)、KL型礦燈(鋰電礦燈)，其中KL型礦燈是目前市場應(yīng)用比較廣泛的燈型。

三類礦燈都是屬礦用特殊型產(chǎn)品，防爆型式：EXSI，安全系數(shù)低，容易發(fā)生蓄電池、礦燈頭碰撞摔破、電纜破皮扯斷等現(xiàn)象而產(chǎn)生電火花，繼而引發(fā)瓦斯爆炸事故，這是礦燈引發(fā)礦難事故的根源。因此，有必要推出本安型礦燈，而本安型礦燈的安全性能，直接取決于對電池的保護(hù)處理，本文以KL型鋰電礦燈為例[2]。

2.現(xiàn)有的礦燈電池處理設(shè)計(jì)

目前，礦井常用的礦燈屬于特殊型，其鋰離子電池保護(hù)電路一般采用PTC和保護(hù)器，如圖1所示。

圖1

圖2

其中PTC是鋰離子蓄電池出廠時(shí)自帶，動作電流一般在4A以上，主要用于電池生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中短路保護(hù)，保護(hù)動作值過大。保護(hù)器具有過充保護(hù)、過流保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)。過流保護(hù)是通過時(shí)間來限定釋放能量。在蓄電池電量充足時(shí)，可以快速的切斷輸出，在蓄電池低電量時(shí)，很難在短時(shí)間內(nèi)切斷輸出，可靠性有限[3]。

3.ia級本安型保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，保留安標(biāo)產(chǎn)品保護(hù)器，同時(shí)增加過流保護(hù)、PTC串限流電阻兩重保護(hù)，達(dá)到ia級三重化保護(hù)，符合GB3836-2010的規(guī)定[5]。

如圖2所示，選擇具有安標(biāo)證號的保護(hù)器作為第一重保護(hù)。第二重過流保護(hù)電路，采用了精工電子的S8261鋰電池保護(hù)電路，內(nèi)置高精度電壓檢測電路，具有過充電、過放電和過電流的保護(hù)功能。這里主要采用S8261電路的過流保護(hù)功能，過電流1檢測電壓為0.05～0.3V。在通常狀態(tài)的電池放電狀態(tài)下，由于放電電流在額定值以上，VM端子的電壓在過電流檢測電壓以上且這個狀態(tài)持續(xù)在過電流檢測延遲時(shí)間以上的場合，關(guān)閉放電控制FET停止放電，這個狀態(tài)叫做過電流狀態(tài)。當(dāng)檢測VM端子電位為過電流1檢測電壓以下時(shí)即恢復(fù)到通常狀態(tài)。S8261保護(hù)IC的過充電檢測電壓為3.9～4.4V，過充電滯后電壓為0.1～0.4V，過放電檢測電壓為2.0～3.0V，過放電滯后電壓為0～0.7V，過電流1檢測電壓為0.05～0.3V，過電流2檢測電壓為0.5V。在第二級保護(hù)電路中，同時(shí)保留過充電、過放電保護(hù)，提高對電池的保護(hù)。

如圖2中，第三重保護(hù)采取PTC串限流電阻的方式，限流電阻作為可靠元器件，可以抑制電流突變。PTC俗稱“自恢復(fù)保險(xiǎn)絲”，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲在線路熔斷后無法自行恢復(fù)，而PTC在故障撤除后即可恢復(fù)到預(yù)保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)故障再次出現(xiàn)時(shí)，又可以起到過流保護(hù)。本設(shè)計(jì)中選用0.5Ω、5W的正偏值限流電阻，1.25A，0.2Ω的PTC，開路最大輸出功率4.2×(4.2/(0.2+0.5))=25.2W，小于GB3836-2010規(guī)定的33W，限流電阻的功率符合GB3836-2010的要求，即1.5×(In×1.7)×2×限流電阻阻值[4,6]。

如圖2所示，在鋰電池放電回路中，第一重保護(hù)器保護(hù)，第二重過流保護(hù)，第三重PTC串限流電阻保護(hù)。在鋰電池充電回路中，第一重保護(hù)器保護(hù)，第二重過流保護(hù)，第三重保護(hù)采用德州儀器(TI)生產(chǎn)的TPS2060開關(guān)芯片，利用TPS2060的反向電流阻斷特性，保證PC+端不加正向電壓的時(shí)，PC+端后級對地沒有輸出，無法拉出電流。TPS2060具有準(zhǔn)確度為±20%的電流限值容限，2μs(典型值)快速過流響應(yīng)，70mΩ(典型值)的內(nèi)阻值，確保快速響應(yīng)充電，低內(nèi)阻值，不影響鋰電池的充電電壓、充電時(shí)間，可以確保電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)充滿。

三重化保護(hù)中，任意一重或兩重保護(hù)失效，剩下的兩重或一重保護(hù)，都能可靠的保證電源安全。三重化保護(hù)的本安參數(shù)設(shè)定為UO:4.2V、IO:2A，可順利通過防爆火花實(shí)驗(yàn)[5，6]。

4.結(jié)語

本文研究的ia級本安型礦燈保護(hù)電路對礦燈鋰電池具備過充電、過放電、過流保護(hù)，保證了礦燈電池的工作時(shí)間及使用壽命，同時(shí)三重化保護(hù)，確保礦燈達(dá)到ia級防爆等級。

[1]MT1162.1-2011,礦燈.第1部分:通用要求[S].

[2]MT1162.4-2011,礦燈.第4部分:KL型礦燈[S].

[3]李方儒,臧才運(yùn),余博龍.礦燈保護(hù)器過電流安全保護(hù)局限性的研究[J].煤礦安全,2012,07:119-121.

[4]李方儒,車延武,臧才運(yùn),等.礦燈本質(zhì)安全電源串聯(lián)限流器的研制[J].煤礦安全,2012,43( 8):110-112.

[5]GB 3836.1-2010 爆炸性環(huán)境 第1部分:設(shè)備通用要求[S].

[6]GB 3836.4-2010 爆炸性環(huán)境 第4部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備[S].