技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種不間斷直流電源及控制方法，特別是一種適用于煤礦井下使用的在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著我國煤礦機(jī)械化、自動化程度的提高，不間斷供電隔爆電源在井下的電氣設(shè)備的監(jiān)控、通訊、信號、儀表和自動化系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛，越來越多的煤礦裝備需要使用大容量隔爆蓄電池電源。
目前，我國的礦用隔爆電源所用蓄電池大多為鉛酸蓄電池。與鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池具有更高的能量重量比和能量體積比，無記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，瞬間放電電流大，循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)成為煤礦用防爆蓄電池電源的一個最優(yōu)選擇。
為保證采用磷酸鐵鋰電池組的礦用后備電源在井下能安全工作，安標(biāo)國家中心研究了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，深入分析了相關(guān)產(chǎn)品安全技術(shù)現(xiàn)狀，組織業(yè)內(nèi)專家、相關(guān)檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、電池制造企業(yè)進(jìn)行反復(fù)仔細(xì)研究，在2012年2月頒布了暫行的《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)給礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源的設(shè)計(jì)提出了功能要求，在此功能要求上對礦用隔爆（兼本安）鋰離子蓄電池不間斷直流電源的研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值。
目前的礦用隔爆電源的缺陷與不足是：
（1）、目前的礦用隔爆電源使用的電池組都是鉛酸蓄電池，該類型電池放電電流小，有危險(xiǎn)氣體析出，電池電量小，體積大，循環(huán)使用壽命短。
（2）、目前的礦用隔爆電源不間斷供電電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能實(shí)現(xiàn)對外部電源供電和電池組供電的在線無縫切換，即在發(fā)生突然斷電時外部電源供電與電池組供電切換時間比較長，電壓有抖動，此切換時間可能會影響到對負(fù)載的正常供電。
（3）、目前的礦用隔爆電源一般不具有輸出電壓的穩(wěn)壓功能，輸出電壓波動范圍比較大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是要克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、放電電流大、使用壽命長的在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源及控制方法。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的在線無縫切換的在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源包括隔爆腔，隔爆腔上分別設(shè)有輸入端接口和輸出端接口，隔爆腔內(nèi)設(shè)有磷酸鐵鋰電池組，磷酸鐵鋰電池組分別連接有AC-DC轉(zhuǎn)換模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊和充電器，所述AC-DC轉(zhuǎn)換模塊和充電器分別與輸入端接口相連接，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊與輸出端接口相連接，磷酸鐵鋰電池組上設(shè)置有電池管理系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池組與充電器之間設(shè)有正向設(shè)置的二極管D1和逆向設(shè)置的二極管D2，所述二極管D1和二極管D2上分別設(shè)置有繼電器J1和繼電器J2，所述電池管理系統(tǒng)分別與繼電器J1和繼電器J2相連接，充電器輸出端與AC-DC轉(zhuǎn)換模塊的輸出端之間設(shè)有正向的二極管D3，AC-DC轉(zhuǎn)換模塊的輸出端上設(shè)有逆向二極管D4。
所述的電池管理系統(tǒng)由微控制器、電流傳感器、電池管理芯片、均衡模塊、溫度采集模塊、通信模塊、顯示模塊、報(bào)警電路組成，微控制器分別通過SPI總線與電池管理芯片和顯示器連接，電池管理芯片與均衡電路相連接，通過AD采集線與電流傳感器連接，電流傳感器連接到磷酸鐵鋰電池組的輸出端上，通過GPIO口分別與報(bào)警電路和設(shè)置在磷酸鐵鋰電池組上的溫度采集模塊連接，通過CAN接口與通信模塊連接，所述的電池管理芯片與均衡模塊和磷酸鐵鋰電池組連接。
一種使用上所述電源的電流控制方法，步驟如下：
當(dāng)外部電源接通時，與輸入端接口相連接的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊輸出直流電壓高于電池組電壓和充電器輸出電壓，此時二極管D3截止，二極管D4導(dǎo)通，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的正極與AC-DC轉(zhuǎn)換模塊正極導(dǎo)通，此時由AC-DC轉(zhuǎn)換模塊向通過DC-DC轉(zhuǎn)換模塊向輸出端負(fù)載供電，磷酸鐵鋰電池組不工作；當(dāng)輸入端接口的外部電源斷電，二極管D1導(dǎo)通，繼電器J2在磷酸鐵鋰電池組處于常閉狀態(tài)，二極管D3導(dǎo)通，二極管D4截止，此時磷酸鐵鋰電池組開始工作，處于供電狀態(tài)；若電池管理系統(tǒng)檢測到磷酸鐵鋰電池組電壓過低，即磷酸鐵鋰電池組已不能正常對外放電時，電池管理系統(tǒng)控制繼電器J1閉合，繼電器J2斷開，充電器通過二極管D2和繼電器J1形成的通路，通過充電器對磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行充電，磷酸鐵鋰電池組不再對外放電。
有益效果：本發(fā)明能直接將輸入的交流電通過AC-DC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為直流電對外輸出；將大電流二極管與繼電器組合設(shè)計(jì)，當(dāng)外部電源突然斷電時，可以通過電池管理系統(tǒng)控制繼電器無縫切換到備用電池組供電狀態(tài)；備用電池組采用磷酸鐵鋰電池，電池容量大，可大電流放電，循環(huán)使用壽命長，而且無危險(xiǎn)氣體析出，比較安全，可在線無縫切換；帶有DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，可以將輸出電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱值；電池管理系統(tǒng)能監(jiān)測和顯示電池組中每節(jié)單體電池的電壓和溫度以及電池組充放電電流，當(dāng)發(fā)生過壓、欠壓、過溫、過流等異常狀態(tài)時，電池管理系統(tǒng)可控制繼電器J1和繼電器J2斷開輸出等保護(hù)動作，具有電池組充電均衡功能，電池管理系統(tǒng)還能在充電時有某節(jié)電池與其他電池電壓不一致時可自動開啟均衡功能；所有模塊均放置于隔爆殼內(nèi)，可直接應(yīng)用到煤礦井下等易爆場所。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖對本發(fā)明的一個實(shí)施例做進(jìn)一步說明：
如圖1所示，本發(fā)明的在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源，包括隔爆腔，隔爆腔上分別設(shè)有輸入端接口和輸出端接口，輸入端與127V外部電源相連接，隔爆腔內(nèi)設(shè)有磷酸鐵鋰電池組，磷酸鐵鋰電池組分別連接有AC-DC轉(zhuǎn)換模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊和充電器，所述AC-DC轉(zhuǎn)換模塊和充電器分別與輸入端接口相連接，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊與輸出端接口相連接，磷酸鐵鋰電池組上設(shè)置有電池管理系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池組與充電器之間設(shè)有正向設(shè)置的二極管D1和逆向設(shè)置的二極管D2，所述二極管D1和二極管D2上分別設(shè)置有繼電器J1和繼電器J2，所述電池管理系統(tǒng)分別與繼電器J1和繼電器J2相連接，充電器輸出端與AC-DC轉(zhuǎn)換模塊的輸出端之間設(shè)有正向的二極管D3，AC-DC轉(zhuǎn)換模塊的輸出端上設(shè)有逆向二極管D4。
如圖2所示，所述的電池管理系統(tǒng)由微控制器、電流傳感器、電池管理芯片、均衡模塊、溫度采集模塊、通信模塊、顯示模塊、報(bào)警電路組成，微控制器分別通過SPI總線與電池管理芯片和顯示器連接，電池管理芯片與均衡電路相連接，通過AD采集線與電流傳感器連接，電流傳感器連接到磷酸鐵鋰電池組的輸出端上，通過GPIO口分別與報(bào)警電路和設(shè)置在磷酸鐵鋰電池組上的溫度采集模塊連接，通過CAN接口與通信模塊連接，所述的電池管理芯片與均衡模塊和磷酸鐵鋰電池組連接。
一種使用上述在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源的控制方法，當(dāng)外部電源接通時，與輸入端接口相連接的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊輸出直流電壓高于電池組電壓和充電器輸出電壓，此時二極管D3截止，二極管D4導(dǎo)通，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的正極與AC-DC轉(zhuǎn)換模塊正極導(dǎo)通，此時由AC-DC轉(zhuǎn)換模塊向通過DC-DC轉(zhuǎn)換模塊向輸出端負(fù)載供電，磷酸鐵鋰電池組不工作；當(dāng)輸入端接口的外部電源斷電，二極管D1導(dǎo)通，繼電器J2在磷酸鐵鋰電池組處于常閉狀態(tài)，二極管D3導(dǎo)通，二極管D4截止，此時磷酸鐵鋰電池組開始工作，處于供電狀態(tài)；若電池管理系統(tǒng)檢測到磷酸鐵鋰電池組電壓過低，即磷酸鐵鋰電池組已不能正常對外放電時，電池管理系統(tǒng)控制繼電器J1閉合，繼電器J2斷開，充電器通過二極管D2和繼電器J1形成的通路，通過充電器對磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行充電，磷酸鐵鋰電池組不再對外放電。
在外部電源有電時，將127V外部電源輸入分別對充電器和AC-DC模塊供電，在磷酸鐵鋰電池組需要充電時充電器通過二極管D2和繼電器J1對磷酸鐵鋰電池組充電，而AC-DC模塊通過二極管D4對DC-DC模塊供電，DC-DC模塊將AC-DC模塊輸入的電壓變?yōu)闃?biāo)稱電壓后對輸出端的外部負(fù)載輸出；當(dāng)外部電源突然斷電時，依靠二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4和繼電器J1、繼電器J2的連接組合和電池管理系統(tǒng)的控制，二極管D1、繼電器J2、二極管D3導(dǎo)通，二極管D2、二極管D4截止，本發(fā)明的在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源切換到電池組對外供電狀態(tài)，此時AC-DC模塊的輸出電壓應(yīng)當(dāng)高于充電器和磷酸鐵鋰電池組的輸出電壓，以保證在有外部電源供電時由AC-DC模塊對DC-DC模塊供電；磷酸鐵鋰電池組開始充電，能儲存較大電量并可大進(jìn)行電流放電。本發(fā)明能夠直接將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對外輸出。
下面對在線式礦用隔爆鋰離子蓄電池不間斷直流電源做如下說明；
充電器：
充電器與大電流二極管D2、電池管理系統(tǒng)和繼電器J1配合用于完成磷酸鐵鋰電池組的充電，本實(shí)施例中其輸入電壓為127V，輸出電壓為29.2V，可對8節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電，最大充電電流為5A。
AC-DC模塊：
AC-DC模塊用于將外部輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，本實(shí)施例中其輸入電壓為127V，輸出電壓為32V，輸出32V電壓可保證大電流二極管D4導(dǎo)通、二極管D3截止，從而在有外部電源供電時實(shí)現(xiàn)AC-DC模塊對外部負(fù)載供電，而不是磷酸鐵鋰電池組或者充電器對外部負(fù)載供電。
電池管理系統(tǒng)：
電池管理系統(tǒng)是集監(jiān)測鋰電池的單體電壓、溫度、電流、容量和均衡管理、充放電管理、顯示、通信為一體的綜合裝置；本實(shí)施例中微控制器為STM32F103VCT6，電流傳感器為霍爾電流傳感器，電池管理芯片為LTC6803-4，均衡模塊為電阻均衡，溫度采集模塊為DS18B20，通信模塊為PCA82C250，顯示器為2.8寸TFT液晶顯示屏，報(bào)警電路為有源蜂鳴器。
磷酸鐵鋰電池組：
磷酸鐵鋰電池組用于完成系統(tǒng)的能量存儲，在外部電源斷電的時候?qū)崿F(xiàn)不間斷對外供電。電池組是系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)當(dāng)選用符合《礦用防爆鋰（兼本安）離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》的鋰電池；本實(shí)施例中電池組選用8節(jié)標(biāo)稱電壓為3.2V、標(biāo)稱容量為60Ah的磷酸鐵鋰電池組。
DC-DC模塊：
DC-DC模塊主要負(fù)責(zé)將AC-DC模塊或者電池組輸出的電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱輸出值，以減少輸出電壓波動使得對負(fù)載的影響最??；本實(shí)施例中DC-DC模塊輸入電壓為16~45V，輸出電壓為24V。
繼電器：
系統(tǒng)中包括兩個繼電器J1、繼電器J2，用于配合大電流二極管D1、二極管D2、二極管D3和二極管D4，充電器和電池管理系統(tǒng)完成磷酸鐵鋰電池組的充放電管理和在外部電源斷電后進(jìn)行磷酸鐵鋰電池組不間斷供電切換，本實(shí)施例中繼電器使用固態(tài)直流繼電器，允許流過的最大電流為12A。
二極管：
系統(tǒng)中包含四個二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4，二極管D1、二極管D2、二極管D3用于和繼電器J1、繼電器J2配合完成磷酸鐵鋰電池組的充放電管理和在外部電源斷電后的磷酸鐵鋰電池組不間斷供電切換，二極管D3、二極管D4相互配合以保證有外部電源供電時是AC-DC模塊對外供電而不是電池組對外供電。本實(shí)施例中二極管采用最大允許電流為12A的大電流二極管。
隔爆殼：
所有設(shè)備都裝在隔爆殼內(nèi)，隔爆殼用于隔離內(nèi)部系統(tǒng)與外部環(huán)境，當(dāng)內(nèi)部系統(tǒng)有火花時不會引爆外部環(huán)境的易爆氣體。