專利名稱：用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及煤礦井下不間斷電源技術領域，特別是涉及采用磷酸鐵鋰電池的用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的不間斷電源。
背景技術：
煤礦井下含有多種易燃、易爆危險性氣體(如甲 烷、CO等)，需實時采用探頭監(jiān)控，以采取措施保證井下安全。井下監(jiān)控分站承擔著對監(jiān)控探頭信號處理、電路控制的重要任務，主要采用不間斷備用電源對井下監(jiān)控分站實現(xiàn)實時供電。其中電池組是不間斷電源(UPS)系統(tǒng)中最為核心的組件之一，電池的重量與體積、放電容量的多少、放電電流特性、高低溫放電特性以及使用壽命，直接影響到不間斷電源(UPS)的重量、體積、放電時間和可靠性。煤礦井下做為高安全等級的本質安全性場所，要求輸出電壓、電流實現(xiàn)二級保護，以免引起外部火花造成煤礦井下安全性事故。目前，市場上的可用于煤礦井下監(jiān)控分站供電的不間斷電源都是由“免維護鉛酸蓄電池”來實現(xiàn)，現(xiàn)有鉛酸蓄電池存在明顯不足①在3倍率以上電流放電時，只能放出電池容量的30%以下，而充電時，其充電電流必須控制在O. 25倍率以上，在完全放電后，其充電時間需要在8小時才能充到電池容量的80%，電池循環(huán)性能差、備電時間短的缺點突出；②鉛酸蓄電池在壽命周期內，容量逐年下降，其動態(tài)變化難于保證輸出電壓、電流的二級保護，嚴重制約了煤礦井下不間斷電源的指標；③鉛酸蓄電池放電的循環(huán)壽命在300次左右，在低溫環(huán)境下放電容量更差，煤礦井下環(huán)境溫度接近O度，鉛酸蓄電池不適宜于煤礦井下應用；④鉛酸蓄電池的主要原料是“鉛”，其使用及“鉛”排放直接影響到地下水環(huán)境鉛酸蓄電池在充電過程中存在析氫副反應，而氫氣做為高危險性氣體嚴重影響煤礦井下安全。目前，多數(shù)井下監(jiān)控分站不間斷電源的蓄電池技術指標僅為24V/4Ahr，僅能維持井下監(jiān)控分站工作2小時。隨著礦井開采深度的不斷加深、開掘面的不斷加長，2小時已遠不能滿足井下實際應用需要。由于鉛酸電池組沒有內部放電、充電控制機制，其放電輸出電壓及電流難于處于保持穩(wěn)定，很難實現(xiàn)輸出電流、電壓的二級保護性輸出，從而顯著影響到煤礦井下產(chǎn)品的可靠性、安全性、實用性等多項指標。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有煤礦井下使用的鉛酸蓄電池技術中的不足和缺陷，提供一種用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，可實現(xiàn)電源的電壓、電流的二級保護性輸出，并防止在電池起火、爆炸時的安全性保護。本實用新型的技術方案如下一種用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，其特征在于所述不間斷電源裝置含有電路轉換模塊、輸出電路、電池組、電池組控制電路和外圍防爆裝置；所述電路轉換模塊的輸入端與外部交流電源相連，電路轉換模塊的輸出端經(jīng)過開關和耐壓二極管，與輸出電路和電池組及電池組控制電路的輸入端呈串聯(lián)連接，其中輸出電路和電池組控制電路呈并聯(lián)連接；所述電池組采用磷酸鐵鋰電池組，電池組和電池組控制電路為混聯(lián)連接；所述的外圍防爆裝置包括電池腔和本安腔，電池腔和本安腔之間由防爆隔板分隔，磷酸鐵鋰電池組置于電池腔內，電路部分置于本安腔內，并采用機械過橋方式實現(xiàn)電學連接。本實用新型的技術特征還在于所述的輸出電路包括一級過流保護元件、二級過流保護元件、一級過壓保護元件、二級過壓保護元件和開關處理單元；一級過流保護元件、 二級過流保護元件、一級過壓保護元件和二級過壓保護元件之間串聯(lián)連接，所述的開關處理單元與過流、過壓保護元件并聯(lián)連接。上述技術方案中，所述的電池組控制電路包括信號處理單元、功率MOS管、均衡電路、平衡負載和溫度監(jiān)控單元；所述的信號處理單元通過均衡電路和平衡負載實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池組在充、放電時的電壓均衡處理，以及對功率MOS管和溫度監(jiān)控單元實現(xiàn)溫度處理；均衡電路在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的電位，上傳至信號處理單元；溫度監(jiān)控單元在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的溫度信號，上傳至信號處理單元。本實用新型具有以下優(yōu)點及突出性效果本實用新型的不間斷電源的核心儲能電池采用新型材料的磷酸鐵鋰電池組，該電池具有體積小、充放電循環(huán)性能好、高低溫環(huán)境適用、快速充電、超長使用壽命、不含對環(huán)境污染元素等優(yōu)點；在現(xiàn)有鋰電家族中，磷酸鐵鋰電池具有最高安全性，可有效避免眾多鋰電池發(fā)生的明火、爆炸現(xiàn)象；通過外圍防爆裝置的采用，該裝置的安全性等級進一步提高，已具備在高安全性場合煤礦井下應用的基礎。本實用新型不僅可解決現(xiàn)有不間斷電源中所用鉛酸電池在使用上的各種不足，而且通過電池組控制電路實現(xiàn)了對磷酸鐵鋰電池組的保護，并通過輸出電路設計實現(xiàn)對煤礦井下現(xiàn)場的二級電流保護、二級電壓保護，為防止因誤操作及電池自身引起的明火、爆炸，通過外圍防爆設計對電路、外部環(huán)境沒有損傷，以最大程度保護煤礦井下現(xiàn)場安全，防止事故災難性蔓延。從而該裝置具備下述優(yōu)點。①.保持整機、電池組的體積電池/電池組的體積、重量和現(xiàn)有鉛酸電池相當。在同等放電電流的情況下，磷酸鐵鋰電池比鉛酸電池放電率更高，可達3倍以上。②.磷酸鐵鋰電池組采用電池組控制電路實現(xiàn)對單節(jié)電池的電壓、溫度監(jiān)控，可實現(xiàn)充放電的電池均衡，及時切斷異常充放電，并對電池實現(xiàn)溫度監(jiān)控，以防止電池組處于不利工作狀態(tài)。③.輸出電壓、輸出電流的二級保護輸出，可以實現(xiàn)電路的本質安全性輸出，有助于維護井下用電安全。④.采用了對電池組的單獨電池腔設計，以在電池組發(fā)生明火、爆炸時限制范圍，從而不對控制電路及井下現(xiàn)場帶來危害性影響。

圖I是本實用新型提供的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置電路總圖。圖2是本實用新型提供的輸出電路中二級電流、二級電壓控制原理圖。圖3是磷酸鐵鋰電池組及電池組控制電路的原理框圖。圖4是本實用新型提供的防爆裝置結構簡圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型原理、結構和具體實施方式
做進一步的說明。圖I是本實用新型提供的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置電路總圖，所述不間斷電源裝置含有電路轉換模塊I、輸出電路2、電池組3、電池組控制電路4和外圍防爆裝置5 ;所述電池組采用磷酸鐵鋰電池組。外部交流電源可由AC127V、220V、380V、660V或1140V等煤礦井下、井上供電電路提供，電路轉換模塊I前端與外部交流電源相連，該模塊可由交流/直流電路轉換模塊構成，也可由交流變壓器-直流調壓構成，以實現(xiàn)對交流電壓的直流變換；電路轉換模塊I的輸出端與開關6和耐壓二極管7呈串聯(lián)連接，該電路的功能可保持直流電路單向傳輸并切斷電路，其中耐壓二極管7和開關6可由直流繼電器相應替換；之后，主路電路與輸出電路2、電池組3和電池組控制電路4呈串聯(lián)連接，輸出電路2的輸出端與用電負載呈串聯(lián)連接，該輸出電路在輸出電壓超限或輸出電流超限時切斷對外部負載的輸出，從而維持井下現(xiàn)場 的用電安全；其中輸出電路2和電池組3及電池組控制電路4呈并聯(lián)連接，電池組3和電池組控制電路4為混聯(lián)連接，通過電池組控制電路4對電池組3實現(xiàn)充、放電控制，以保證電池組的充、放電狀態(tài)，在外部電源截斷時保障對輸出電路的供電。圖2是本實用新型提供的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置輸出電路中二級電流和二級電壓控制原理框圖。所述的輸出電路包括一級過流保護元件、二級過流保護元件、一級過壓保護元件、二級過壓保護元件和開關處理單元；一級過流保護元件、二級過流保護元件、一級過壓保護元件和二級過壓保護元件之間串聯(lián)連接，所述的開關處理單元與過流、過壓保護元件并聯(lián)連接。圖中直流輸入除保證輸出外，同時保證開關處理單元的用電工作，在輸出主路中，兩個過流保護元件中各自監(jiān)控最大電流，在過流時報送信號至開關處理單元，開關處理單元相應對開關采取輸出截斷處理；兩個過壓保護元件各自監(jiān)控最大電壓，在過壓時報送信號至開關處理單元，開關處理單元相應對開關采取輸出截斷處理。在電流、電壓故障解除后，開關處理單元重新允許開關導通，實現(xiàn)正常工作。同時采用二級過流和二級過壓保護是為了防止個別元件的硬件失效，實現(xiàn)電路冗余；為防止特定元件失效及電路共振現(xiàn)象，過流保護元件、過壓保護元件應實現(xiàn)器件匹配。通過上述二級電流、二級電壓的最大電流、最大電壓控制及有效截斷，則可以實現(xiàn)對外部輸出的恒定直流控制，以最大限度保護煤礦井下現(xiàn)場安全。以直流輸出最大電壓24V，最大充許電流O. 5A為例，一級過流保護元件、二級過流保護元件監(jiān)控最大電流均設為O. 5A，一級過壓保護元件、二級過壓保護元件最大電壓設為24V。當通過上述元件的電流、電壓超出上述設定值時，則報送信號至開關處理單元，開關處理單元則對輸出開關實現(xiàn)截斷，避免對外部負載的供電；當上述電流、電壓回落至最大電壓、電流值時，則報送信號至開關處理單元，開關處理單元則對輸出開關實現(xiàn)閉合，繼續(xù)保證外部輸出。圖3是磷酸鐵鋰電池組及電池組控制電路的原理框圖，通過電池組控制電路對磷酸鐵鋰電池組實現(xiàn)控制。磷酸鐵鋰電池組內部各子電池呈串聯(lián)連結，電池組正、負極分別與總路正極、負極相連；可采用芯片做為電池組控制電路的信號處理單元，以實現(xiàn)對元件控制和對上傳數(shù)據(jù)進行對比、實時反饋；[0026]所述電池組控制電路包括信號處理單元、功率MOS管、均衡電路、平衡負載和溫度監(jiān)控單元，所述信號處理單元通過均衡電路和平衡負載實現(xiàn)對電池的電壓平衡管理，通過溫度監(jiān)控單元實現(xiàn)對電池組的溫度監(jiān)測，并根據(jù)信號方式對功率MOS管實現(xiàn)開關管理，以實現(xiàn)對外部總路的充放電功能。均衡電路在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的電位，上傳至信號處理單元；溫度監(jiān)控單元在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的溫度信號，上傳至信號處理單元；所述信號處理單元可以采取以下方式處理①對過高電位的子電池，打開均衡電路子路，實現(xiàn)均衡電路子路與內部負載的串聯(lián)連接，對該子電池放電以降低其電位，實現(xiàn)對整體電池組的電位均衡；②當存在外部電路電位時，在磷酸鐵鋰電池組充滿時打開功率MOS管，以隔絕充電，在磷酸鐵鋰電池組未充滿時關閉功率MOS管，以維持電池動態(tài)充電；③當不存在外部電路電位時，對功率MOS管實現(xiàn)關閉，使磷酸鐵鋰電池組對外部電路放電，當?shù)竭_磷酸鐵鋰電池組截止放電電位時，對功率MOS管實現(xiàn)打開，以保護整體電池組不再深度放電；④當電池溫度超過定值時，對功率MOS管實現(xiàn)關斷處理，以防止電池溫度的進一步上升。通過上述四種控制策略，實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池組的電池均衡、充電、放電和溫度控制處理，促進整體電池組的高安全性應用。設單節(jié)磷酸鐵鋰電池的電壓為3. 8V，其最大充電電壓允許至4. 2V。則可設置單節(jié)·電池的過充電壓在3. 8 4. 2V，信號處理單元可在IOms內通過功率MOS管實現(xiàn)斷電，以防止電池組的過充。設單節(jié)磷酸鐵鋰電池的溫度允許至120度，安全溫度為60度，則設電池溫度保護點為60度，當溫度監(jiān)控單元監(jiān)控單節(jié)電池溫度達到60度時，信號處理單元在IOms內通過功率MOS管實現(xiàn)斷電，以防止電池組的溫升。為防止電池過放，設置過放壓保護電壓，設單節(jié)電池的最小允許電壓為2. 0V，則設電池的最小允許電壓為2. 0V,當單節(jié)電池達到2. OV時，信號處理單元在IOms內通過MOS管實現(xiàn)斷電，以防止電池組的過放。圖4是本實用新型提供的防爆裝置結構原理簡圖。將電路轉換模塊、輸出電路和電池組控制電路完成電學連接后，進一步實現(xiàn)機械安裝。外圍防爆裝置5包括電池腔和本安腔，磷酸鐵鋰電池組置于電池腔內，其余部分，例如電路轉換模塊、輸出電路和電池組控制電路等電路均置于本安腔內，兩個腔體均按國家煤礦井下防爆相應標準制造和設計，腔體之間采用高強度防爆板制造，并采用機械過橋方式實現(xiàn)兩個腔體間的電學連接。將上述電池組、其余部分分別進行相應的結構設計，并分別在電池腔和本安腔安裝，從而可以構建用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置。
權利要求1.一種用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，其特征在于所述不間斷電源裝置含有電路轉換模塊(I)、輸出電路(2)、電池組(3)、電池組控制電路(4)和外圍防爆裝置(5);所述電路轉換模塊的輸入端與外部交流電源相連，電路轉換模塊的輸出端經(jīng)過開關(6)和耐壓二極管(7)，與輸出電路和電池組及電池組控制電路的輸入端呈串聯(lián)連接，其中輸出電路和電池組控制電路呈并聯(lián)連接；所述電池組采用磷酸鐵鋰電池組，電池組和電池組控制電路為混聯(lián)連接；所述的外圍防爆裝置包括電池腔和本安腔，電池腔和本安腔之間由防爆隔板分隔，磷酸鐵鋰電池組置于電池腔內，電路部分置于本安腔內，并采用機械過橋方式實現(xiàn)電學連接。
2.按照權利要求I所述的一種用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，其特征在于所述的輸出電路包括一級過流保護元件、二級過流保護元件、一級過壓保護元件、二級過壓保護元件和開關處理單元；一級過流保護元件、二級過流保護元件、一級過壓保護元件和二級過壓保護元件之間串聯(lián)連接，所述的開關處理單元與過流、過壓保護元件 并聯(lián)連接。
3.按照權利要求I所述的一種用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，其特征在于所述的電池組控制電路包括信號處理單元、功率MOS管、均衡電路、平衡負載和溫度監(jiān)控單元；所述的信號處理單元通過均衡電路和平衡負載實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池組在充、放電時的電壓均衡處理，以及對功率MOS管和溫度監(jiān)控單元實現(xiàn)溫度處理，其中均衡電路在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的電位，上傳至信號處理單元；溫度監(jiān)控單元在電池組表面取磷酸鐵鋰電池組各子電池的溫度信號，上傳至信號處理單元。
專利摘要用于煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控的磷酸鐵鋰不間斷電源裝置，該裝置包括電路轉換模塊、輸出電路、磷酸鐵鋰電池組、電池組控制電路和外圍防爆裝置。本實用新型中磷酸鐵鋰電池組具有重量輕、體積小、安全性高、充放電優(yōu)越、綠色環(huán)保等優(yōu)點；電池組控制電路具有均衡電池組電位、控制充放電和防止電池組過溫功能；輸出電路采用二級電壓和二級電流保護，以實時切斷過壓過流供給；外圍防爆裝置分隔為電池腔和本安腔，兩腔采用機械過橋方式實現(xiàn)電學連接，在電池組起火、爆炸時，可以有效隔絕對周圍環(huán)境的威脅，從而解決了現(xiàn)有鉛酸電池為主體的不間斷電源供電時間短、電池及輸出電流非本質安全、易對環(huán)境產(chǎn)生危險的難點，可做為高等級監(jiān)測監(jiān)控電源在煤礦井下應用。
文檔編號H02H7/18GK202678992SQ201220111379
公開日2013年1月16日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權日2012年3月22日
發(fā)明者郭建偉, 白宏峰, 崔智明, 田文科, 劉文利, 連朝陽, 姜寧 申請人:山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司, 清華大學