消防通信装备现场应急供电装置的研究与设计

公安部沈阳消防研究所 张 磊 隋虎林 刘 濛

消防通信装备现场应急供电装置的研究与设计

公安部沈阳消防研究所 张 磊 隋虎林 刘 濛

【摘要】公安消防部队在处置重大灾害事故过程中，往往面临基础供电设施损毁，电力中断，道路中断，汽柴油发电机油料运输困难等问题，常常导致消防通信设备无法正常工作，严重影响了消防部队灾难救援工作的开展。为此，本文设计了消防通信装备现场应急供电装置，以期解决重大灾害事故初期，现场消防通信装备的应急供电问题。

【关键词】消防；应急供电；通信装备

随着公安消防部队在处置地震、洪水等重大灾害事故时，由于基础供电设施损毁，往往导致现场电力中断，而道路中断、运输困难，使得汽柴油发电机的油料供应困难，严重影响消防应急通信装备的供电，给消防部队的指挥和调度带来巨大困难。尽管近年来各种供电保障方式逐渐增多，但稳定、可靠、便携并能满足消防部队机动需求的通信装备应急电源系统尚不多见。为此，本文结合我国公安消防部队灾害现场应急通信保障体系建设的要求，对现场供电电源系统进行研究和设计，解决重大灾害事故现场消防单兵通信装备和消防通信组网装备供电难题。

1 消防应急电源系统设计需求分析

1.1 消防应急电源使用场景分析

消防应急电源系统通常在以下场景中使用：

（1）基础通讯、交通、供电等设施被严重破坏，无法短时间内恢复的突发灾难事件，如汶川、玉树等地震应急救援早期，汽柴油发电机的油料运输受到严重影响的现场。

（2）在重大灾害事故现场救援过程中，消防部队10人以内的突击队在到达破坏更为严重、无公网供电、需要进行通讯保障的地区的过程中，和到达后开展现场救援时，需要提供单兵通信装备的应急充电保障。

1.2 消防应急电源系统主要用途分析

根据应急现场的实际情况，应急电源主要用于下述方面：

（1）通信装备供电保障。包括便携式卫星站、通信基站、短波电台、超短波电台等。

（2）办公电子设备供电保障。包括笔记本电脑、手机、PDA等设备的供电保障。

（3）生活供电保障。包括场地、探路、办公等现场照明、搜救、防蚊虫等日常生活防护等供电保障。

1.3 应急供电装置研制的关键点

（1）便携性：最大程度保障电能容量的基础上，实现体积小、重量轻，并便于携带。需设计可背负或手提装置。

（2）可靠性：考虑通讯设备瞬时冲击电流大，且供电设备可能在充电储能同时对外输出的特性，需要充分考虑极限情况，设计时留有余量，并设计完备的充放电策略和故障处理机制；

（3）兼容性：为适应应急现场的复杂性和多变性，为多种通信设备提供不同电压等级、物理接口类型的供电或充电，并为通信装备的特殊供电接口设计专用接口。

（4）环境适应性：为适应应急设备野外环境的使用条件，设计时考虑防水、防尘、防腐、防震的要求。

2 应急供电装置构成

综合考虑需求和设计要点，为覆盖产品便携性、兼容性及可靠性要求，应急供电系统具有完备的供电、储能和电源变换分配功能，并其配置主要包括以下主机和辅助系统两部分，其中辅助系统含折叠式太阳能板单元、人力发电单元、储能单元和接口转换单元，组成框图见图1。

（1）主机：即电源变换分配单元，对来自太阳能电池板和人力发电组件的电压进行变换，以适应储能组件和外部用电设备的需求，同时对电能进行分配，实现电能合理调配，效率最优；此外，电源变换分配组件也实现故障保护和处理功能；

（2）折叠式太阳能板单元：可折叠式的太阳能电池，可在有阳光时实现光电能量转换，将光能转换为电能，并通过接口将电能输送至电源变换分配组件；

（3）人力发电单元：由人力脚踏车发电机和专用整流器组成，将手动机械能转换为电能，经专用整流器整流为直流后，将电能输送至电源变换分配组件；

（4）储能单元：主要由高性能锂电池组成，实现能量存储，为外部设备提供持续稳定的电压；

（5）接口转换单元：将电源变换分配组件的标准接口转换为指定外部设备接口。

图1 应急供电装置组成框图

3 应急供电装置的技术方案与实现

3.1 主机技术指标

电源变换分配单元作为整个应急系统的控制核心部件，主要实现以下功能：

（1）接收太阳能电池电能，并变换为外部设备所需电压等级和功率的电源，同时也可变换为储能单元充电所需电源；

（2）接收人力发电单元电能，并变换为外部设备所需电压等级和功率的电源，同时也可变换为储能单元充电所需电源；

（3）接收储能单元输出电能，并变换为外部设备所需电压等级和功率的电源；

（4）可利用太阳能、人力电能或外部交流电源实现储能单元的充电；

（5）对各部分电能进行分配，提高电能利用率，降低损耗，以获得最优效率；

（6）具备故障检测功能，并设置故障保护机制；

应急供电装置主机技术指标见表1。

输入电压　12V/220VAC输出电压　220VAC/12-48V/5V交流220V输出功率　500W DC 12V输出　2路 DC12V 2A 24W×2 DC12-48V输出　1路DC12-48V /24-96W DC5V输出　2路 DC5V 1A 5W×2 2路 DC5V 2A 10W×2配套电池　DC12V 10AH欠压指示　　有过流指示　　有充电指示　　有外形尺寸（mm）　160*160*300主机净重（Kg）　15

3.2 辅助系统技术指标

综合考虑便携性和功率搭配，选取120W折叠太阳能板，可根据实际情况并联使用，以达到功率要求，其折叠后和展开后外形图见图2所示，其主要技术参数见表2。

图2 折叠式太阳能板

表2 折叠式太阳能板主要参数

3.3 人力发电单元

人力发电单元的主要采用人力发电单车，因一般人力脚踏产生的发电功率约为100～300W左右，体能较好的人可达到500～800W充分考虑便携性要求，选择行车自与自行车折叠支架发电系统联合组成人力发电系统。人力发电单车外形见图3。

图3

人力发电单元主要参数见表1。

表1

3.4 储能单元

储能单元主要实现电能供给，目前可充电式电源电池主要有以下几种：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。镍镉电池因含重金属，同时具有能量密度低，充放电寿命短、废弃物难处理等缺点，将会在未来的储能系统所淘汰。而镍氢电池属于碱性电池，单体电压相对较低，而且镍镉电池，镍氢电池均具有“记忆效应”，长期不彻底充放电，电池内易留下痕迹，降低电池容量。近年来，越来越多的产品采用锂离子电池作为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点。

本系统选择由3个3.6V10AH锂电池串接而成，配有30A的电池保护板。为逆变器提供供10.8V10AH的电能，使便携设备具有一定的续航能力。

3.5 接口转换单元

接口转换单元主要实现电源变换分配单元输出的电源与负载设备的接口转换和匹配，本系统配备5V USB接口输出，12V固定电压输出12-48V可调电压输出，AC输出电压：220V。电源面板LCD显示设计（包括运行、报警、充电、电池电量和放电状态）。

4 装置的性能及测试

在充放电特性测试方面，主要测试充电电压、电流，以及放电电流特性对电池性能的影响，尤其是对多节电池的串并联组成的电池组，多种电池的充放电状态，对不同的充放电状态组合关系进行了严格设定，对传统的保护电路进行了状态细化，很好的解决了过充过放问题，提升了系统的稳定性。由于消防通信装备对电流的需求是动态变化的，与信号强度、连接的终端数量等都有关系，为了防止虚短虚断现象，对电路结构进行了调整。通过实验进行测试，整个设备运行情况正常。

5 结论

近年来，消防队伍自我保障水平在不断提高，但是汽柴油发电机组和匹配的供电连接系统尚不适应重大灾害事故现场道路狭窄、油料运输困难、环境极度恶劣条件下的电源保障，也无法满足单兵救援或小组远程野外救援的供电保障需求。本文介绍的应急供电装置较好地解决了现场持续供电和充电问题，为现场通信设备的供电保障提供了一种相对理想的解决方案。

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作者简介：

张磊（1982—），辽宁沈阳人，硕士，现工作于公安部沈阳消防研究所。