基于大容量锂电池后备电源集中供电模式

陈于亮

摘 要：针对煤矿井下“六大系统”供电使用过程中出现的问题进行分析梳理和总结，并结合实际的工程应用提出了煤矿“六大系统”供电保障系统的设计，并对 “六大系统”供电保障系统的预期目标进行了分析，提出一些意见和思路。

关键词：大容量；锂电池；集中供电

近年来随着新型动力电池材料的研制成功，磷酸铁锂电池以其能量高、电化学性能稳定、输出电流大等优点被广泛用作动力电源。随着煤炭工业发展和矿山装备技术进步，监测通信系统、紧急避险设施、井下运输车辆等对防爆电源容量的要求越来越高，同时GB3836.2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中明确禁止“在正常使用时可能释放电解气体的电池（如铅酸蓄电池）”在隔爆外壳内使用，越来越多的生产企业趋于选择、使用比能量高、无记忆效应的磷酸铁锂蓄电池。实际应用中，煤矿对大容量串联锂离子蓄电池组的需求也越来越大，单体磷酸铁锂蓄电池电压及容量有限，实际应用中采用大容量磷酸铁锂电池串联的方式组成电池组使用。

1 目前煤矿供电现状

目前煤矿井下的监测监控、人员定位、无线通讯、广播等各类数字化矿山系统设备分布广，布置比较分散，供电方式多为就近接入巷道内排水、照明供电系统，可靠性差较差，供电发生故障后停电时间长，无法保证数字化矿山系统可靠运行，影响煤矿安全生产；如果数字矿山系统全部采用双回路、专用变压器、专用开关方式供电，可以有效保证供电网络安全、可靠，但建设费用较高；监测监控等系统自带的后备电池容量有限，一般只能满足2小时后备供电，现场交流断电一旦超过2小时，则供电中断，系统将无法正常运行；数字矿山系统电源不具有电池智能管理功能，后备电源电池长期处于浮充状态，会大幅度降低电池使用寿命，必须进行周期性放电操作，以保证电池使用寿命；数字化矿山相关子系统采用传统的分散式供电方式，每个系统数十台电源，都采用人员工检查和放电的维护模式，工作量较大，后期运行维护质量难以保障。

2 锂电池箱工作原理

在电池腔内，交流输入的AC127V/AC660V经过隔离变压器输出AC22V，AC220V经过电源滤波器、群脉冲抑制器，输出的AC220V输入到充电器，充电器输出DC30V到网关，网关与BMS接口方式为SMBUS，网关具有LCD实时显示电池信息的功能，网关输出的非安DC、RS485输出到电源箱，网关通过8个并联的18B20测量8节电池温度，BMS通过2个JF6的穿墙端子对电池组进行最大6A电流充电，BMS通过JD12的穿墙端子实现对电池组的均衡充放电。

当存在市电时，DC-DC的供电由充电器提供，DC30V输出到电源箱，再经过本安保护电路，实现3路独立的12V本安输出。当市电断电时，负载设备供电由电池提供，可以实现设备的不间断供电。

3 基于大容量锂电池后备电源集中供电模式的特点

稳定、可靠、经济的供电：对比分析采用双回路、专用网络供电模式，与以现有就近取电方式为基础的智能电源集中供电模式的稳定性、可靠性，经济性，研究适合于煤矿井下的数字化矿山供电模式。

数字化矿山统一的供电平台：研究被供电设备的输入电压规格及参数，研发出可以广泛适用于数字化矿山各种输入电压等级的供电设备和系统，实现供电网络的规范管理。

故障诊断管理：分析系统和关键设备的故障点及故障出现时工作状态，研发出可以实现关键技术1+1冗余的设备和系统，实现科学、有效的故障自诊断专家管理系统的建立，实现故障报警。

智能电池冗余管理：分析井下不同环境下设备检修、维护、故障排除时间的大数据，科学布置后备电池的电量，研发适合于煤矿井下的后备电池冗余管理系统，应不仅保证系统不间断供电，同时有效节约成本。

智能电池充放电管理：分析本机设备供电适用环境和被供电设备特点，建立起一套科学的预防式的电池分组充放电管理机制，以实现当需要放电时电池有电可放。

锂电池的充放电管理：研究锂电池在不同温度环境下的充放电曲线，采用合适算法实现对电池SOC（荷电容量）的准确计算，完善锂电池保护机制，有效降低电池的后期维护成本。

4 预期目标

该系统和设备解决了分散式供电的诸多问题，无论是系统级、设备级均具有冗余设计，极大提高了被供电设备的可靠性，保证了数字化矿山各类系统的可靠供电。形成了整个数字化矿山的供电系统，该系统可以直观展示出矿井各系统被供电设备的实时工作状态及运行参数，实现覆盖整个井下的无盲点管控。

该系统和设备适用范围较大，既具有非安DC24V输出，又具有非安AC127V输出，同时还具有本安DC18V输出，可以广泛覆盖各种厂家的各类系统及设备。以现有就近取电方式为基础的智能电源集中供电模式，可以形成数字化矿山稳定、可靠、经济的供电网络，其总体成本不超过100万；如采用双回路开关、专用网络供电模式总成本约300万，采用智能电源集中供电的模式预期可以节约资金200万。

项目完成后实现了对煤矿井下后备电池的统一管理，具有专业的电池容量诊断功能，为及时更换电池提供技术支撑。

系统和设备具有完善的保护、报警机制，通过电源故障专家诊断系统，方便现场故障定点排查，快速检修，有效减少了维护人员。以某煤矿为例，该矿的无线通讯、人员定位、广播、安全监控系统，每种系统不少于50台电源，共计200台电源，需要6名日常维护人员，项目建成后，只需2名兼职动态检修人员即可，人力成本每年节约100万元.

项目完成后系统支持对电池箱后备电池、隔爆兼本安电源后备电池远程充放电管理操作，有效延长了后备电池的使用寿命，减少了电池更换的次数。以某煤矿为例，200台电源，年可节约维护电池成本约30万。

5 应用范围

可以实现煤矿井下的无线通讯、人员定位、车辆定位、监视监控（工业电视）、语音广播、调度指挥、工业自动化、安全监控等系统数字化系统的不间断、可靠供电，可以实现紧急避险系统等要求长时间供电的场合，可实现隔爆PLC、交换机等单机设备供电的不间断供电。

6 结语

系统完成后，通过智能化电源集中供电系统成功用于煤矿井下，实现了数字化矿山各类系统的正常工作，为煤矿的安全生产保驾护航，该系统具有科学、易管理、易扩展、易维护等特点。

参考文献

[1] 王晓阳.KJ95N型煤矿综合监控系统[J].西安科技大学学报，2008，28（2）：397-399

[2] 徐磊 周孟然 赵祥 . 煤矿实用本安电源设计[J]. 《煤矿机械》 2012年03期