煤矿救援机器人电源系统设计

孙凡

(1.煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁沈阳　110016;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺　113122)

煤矿救援机器人电源系统设计

孙凡1,2

(1.煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁沈阳110016;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺113122)

研制基于锂离子蓄电池的煤矿井下救援机器人电源系统是提高机器人作业时间的重要手段。根据救援机器人的应用特性,设计井上充电系统与井下供电系统相结合的电源系统,对今后煤矿救援机器人在井下的应用具有重大意义。

煤矿救援机器人电源系统锂离子蓄电池充电控制放电控制

我国是世界产煤大国，由于作业设备和工艺相对落后，导致各类矿难事故频繁发生。煤矿救援机器人可以在发生矿难但救援人员无法进入的紧急情况下，第一时间进入高危区域、探明灾区情况、寻找遇险人员，为抢险救灾提供决策支持，增加被困人员生还几率，减少救援人员伤亡，是安全生产的迫切需要。

电源系统作为煤矿救援机器人重要组成部分，却一直无法解决其作业时间短，续航里程低的问题，从而制约了煤矿救援机器人的发展。锂离子蓄电池由于具有重量轻、储能大、功率大、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛、无记忆效应等优点，特别适合作为矿用电源使用。

1　技术方案概述

鉴于矿用救援机器人的使用特性，其电源系统应具备以下特点:体积小，重量轻(能量比高)，可实现井下快速更换。

因此，将整个系统设计成井上充电系统及井下供电系统两部分。井下供电系统由防爆电源箱及放置在电源箱内的电池组及放电控制系统组成，主要负责为救援机器人提供电力，并进行放电管理，可以实现井下快速更换;井上充电系统由充电机及充电控制系统组成，当更换完的电源箱运至井上后，负责对电池组进行充电及管理。其组成如下图1所示。

根据某型号煤矿井下救援机器人技术要求，其电源系统技术指标应满足如下要求:

图1　救援机器人电源系统

表1　锂离子蓄电池技术参数

(1)电池组容量:48V/60Ah;(2)电源箱外形尺寸不大于:480mm ×420mm×350mm;(3)电源箱重量:不大于60kg;(4)额定工作电流: 20A，最大工作电流:50A。

2　电池模块成组设计及防爆箱设计

2.1单体电池选用

图2　放电控制系统功能原理图

图3　充电控制系统功能原理图

锂离子电池技术参数如下表1所示:

2.2电池模块成组设计

电池组采用16串的方式，总容量60Ah。每个单体电池加装一个温度传感器，保证其工作可靠性。

2.3防爆箱设计

防爆箱结构设计充分考虑了防爆、减振及轻量化的要求。防爆箱分为下部4个独立隔爆的电池腔，上部的控制腔以及最外侧的接线腔三个主要腔体。箱体重56kg，满足设计要求。

3　控制系统设计

3.1放电控制系统设计

放电控制系统主要由放电电池管理系统(D-BMS)、继电器、保险丝、分流器等组成，其中D-BMS负责采集所有单体电池的电压、温度信息，检测总电压、电流，计算电池SOC，并在必要时驱动继电器实现保护控制。其功能原理图如下图2所示:

3.2充电控制系统设计

充电控制系统主要由充电电池管理系统(C-BMS)、继电器、保险丝、分流器等组成，其中C-BMS分为主控制板(简称:BMCU)和从属控制板(简称:LMU)两部分，二者之间采用CAN通讯。每个LMU负责采集8个单体电池的电压和温度信息，并在充电时使用被动均衡方法对单体电池进行均衡管理;BMCU通过获取LMU及分流器等的采集信息，利用安时积分、电压修正及卡尔曼滤波法进行SOC的精确估算，同时负责驱动继电器，实现电源系统的监控及充电管理。其功能原理图如下图3所示:

当充电控制开关为“充电档”，则IO1采集为有效:继电器1、继电器2闭合，则电池组进入充电状态。当充电控制开关为“空置档”，则IO2采集为有效:继电器1、继电器2断开，则电池组进入搁置状态。另外为了保证设备安全，在紧急情况下可以使用总开关切断回路。

其中，充电控制策略为:BMCU控制充电电流，根据电池剩余SOC进行4阶段充电。

(1)预充电;(2)大电流充电;(3)恒压充电;(4)涓流充电。

4　结语

煤矿灾害事故抢险救灾的时效性极强，救灾良机稍纵即逝，必须及时掌握灾种、灾情和灾区环境条件，制订救灾对策和措施。因此，对煤矿救援机器人的作业时间和行驶里程要求也愈来愈高。而锂离子电池作为现有电池种类中可靠性和比能量均较高的能源供给在煤矿救援机器人中应用对加强矿难后的抢险救灾工作，保护救援人员安全具有重要意义。

[1]王勇,朱华,王永胜,等．煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题．煤矿机械,2007,28(4).

[2]李允旺,葛世荣,朱华.煤矿救灾机器人应用探讨.煤矿机械,2009,30 (1).

[3]刘正耀,其鲁,戴嘉昆,李扬．动力锂离子电池管理系统的研究[J].北京大学学报(自然科学版),2006年S1期.

孙凡(1959—),男,辽宁沈阳人,工程师,主要从事煤矿机电安全设备的设计和研发工作。