消防通信裝備現場應急供電裝置的研究與設計

公安部沈陽消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

消防通信裝備現場應急供電裝置的研究與設計

公安部沈陽消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

【摘要】公安消防部隊在處置重大災害事故過程中，往往面臨基礎供電設施損毀，電力中斷，道路中斷，汽柴油發電機油料運輸困難等問題，常常導致消防通信設備無法正常工作，嚴重影響了消防部隊災難救援工作的開展。為此，本文設計了消防通信裝備現場應急供電裝置，以期解決重大災害事故初期，現場消防通信裝備的應急供電問題。

【關鍵詞】消防；應急供電；通信裝備

隨著公安消防部隊在處置地震、洪水等重大災害事故時，由于基礎供電設施損毀，往往導致現場電力中斷，而道路中斷、運輸困難，使得汽柴油發電機的油料供應困難，嚴重影響消防應急通信裝備的供電，給消防部隊的指揮和調度帶來巨大困難。盡管近年來各種供電保障方式逐漸增多，但穩定、可靠、便攜并能滿足消防部隊機動需求的通信裝備應急電源系統尚不多見。為此，本文結合我國公安消防部隊災害現場應急通信保障體系建設的要求，對現場供電電源系統進行研究和設計，解決重大災害事故現場消防單兵通信裝備和消防通信組網裝備供電難題。

1 消防應急電源系統設計需求分析

1.1 消防應急電源使用場景分析

消防應急電源系統通常在以下場景中使用：

（1）基礎通訊、交通、供電等設施被嚴重破壞，無法短時間內恢復的突發災難事件，如汶川、玉樹等地震應急救援早期，汽柴油發電機的油料運輸受到嚴重影響的現場。

（2）在重大災害事故現場救援過程中，消防部隊10人以內的突擊隊在到達破壞更為嚴重、無公網供電、需要進行通訊保障的地區的過程中，和到達后開展現場救援時，需要提供單兵通信裝備的應急充電保障。

1.2 消防應急電源系統主要用途分析

根據應急現場的實際情況，應急電源主要用于下述方面：

（1）通信裝備供電保障。包括便攜式衛星站、通信基站、短波電臺、超短波電臺等。

（2）辦公電子設備供電保障。包括筆記本電腦、手機、PDA等設備的供電保障。

（3）生活供電保障。包括場地、探路、辦公等現場照明、搜救、防蚊蟲等日常生活防護等供電保障。

1.3 應急供電裝置研制的關鍵點

（1）便攜性：最大程度保障電能容量的基礎上，實現體積小、重量輕，并便于攜帶。需設計可背負或手提裝置。

（2）可靠性：考慮通訊設備瞬時沖擊電流大，且供電設備可能在充電儲能同時對外輸出的特性，需要充分考慮極限情況，設計時留有余量，并設計完備的充放電策略和故障處理機制；

（3）兼容性：為適應應急現場的復雜性和多變性，為多種通信設備提供不同電壓等級、物理接口類型的供電或充電，并為通信裝備的特殊供電接口設計專用接口。

（4）環境適應性：為適應應急設備野外環境的使用條件，設計時考慮防水、防塵、防腐、防震的要求。

2 應急供電裝置構成

綜合考慮需求和設計要點，為覆蓋產品便攜性、兼容性及可靠性要求，應急供電系統具有完備的供電、儲能和電源變換分配功能，并其配置主要包括以下主機和輔助系統兩部分，其中輔助系統含折疊式太陽能板單元、人力發電單元、儲能單元和接口轉換單元，組成框圖見圖1。

（1）主機：即電源變換分配單元，對來自太陽能電池板和人力發電組件的電壓進行變換，以適應儲能組件和外部用電設備的需求，同時對電能進行分配，實現電能合理調配，效率最優；此外，電源變換分配組件也實現故障保護和處理功能；

（2）折疊式太陽能板單元：可折疊式的太陽能電池，可在有陽光時實現光電能量轉換，將光能轉換為電能，并通過接口將電能輸送至電源變換分配組件；

（3）人力發電單元：由人力腳踏車發電機和專用整流器組成，將手動機械能轉換為電能，經專用整流器整流為直流后，將電能輸送至電源變換分配組件；

（4）儲能單元：主要由高性能鋰電池組成，實現能量存儲，為外部設備提供持續穩定的電壓；

（5）接口轉換單元：將電源變換分配組件的標準接口轉換為指定外部設備接口。

圖1 應急供電裝置組成框圖

3 應急供電裝置的技術方案與實現

3.1 主機技術指標

電源變換分配單元作為整個應急系統的控制核心部件，主要實現以下功能：

（1）接收太陽能電池電能，并變換為外部設備所需電壓等級和功率的電源，同時也可變換為儲能單元充電所需電源；

（2）接收人力發電單元電能，并變換為外部設備所需電壓等級和功率的電源，同時也可變換為儲能單元充電所需電源；

（3）接收儲能單元輸出電能，并變換為外部設備所需電壓等級和功率的電源；

（4）可利用太陽能、人力電能或外部交流電源實現儲能單元的充電；

（5）對各部分電能進行分配，提高電能利用率，降低損耗，以獲得最優效率；

（6）具備故障檢測功能，并設置故障保護機制；

應急供電裝置主機技術指標見表1。

輸入電壓　12V/220VAC輸出電壓　220VAC/12-48V/5V交流220V輸出功率　500W DC 12V輸出　2路 DC12V 2A 24W×2 DC12-48V輸出　1路DC12-48V /24-96W DC5V輸出　2路 DC5V 1A 5W×2 2路 DC5V 2A 10W×2配套電池　DC12V 10AH欠壓指示　　有過流指示　　有充電指示　　有外形尺寸（mm）　160*160*300主機凈重（Kg）　15

3.2 輔助系統技術指標

綜合考慮便攜性和功率搭配，選取120W折疊太陽能板，可根據實際情況并聯使用，以達到功率要求，其折疊后和展開后外形圖見圖2所示，其主要技術參數見表2。

圖2 折疊式太陽能板

表2 折疊式太陽能板主要參數

3.3 人力發電單元

人力發電單元的主要采用人力發電單車，因一般人力腳踏產生的發電功率約為100～300W左右，體能較好的人可達到500～800W充分考慮便攜性要求，選擇行車自與自行車折疊支架發電系統聯合組成人力發電系統。人力發電單車外形見圖3。

圖3

人力發電單元主要參數見表1。

表1

3.4 儲能單元

儲能單元主要實現電能供給，目前可充電式電源電池主要有以下幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。鎳鎘電池因含重金屬，同時具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點，將會在未來的儲能系統所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應”，長期不徹底充放電，電池內易留下痕跡，降低電池容量。近年來，越來越多的產品采用鋰離子電池作為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應，循環壽命高，自放電率低等優點。

本系統選擇由3個3.6V10AH鋰電池串接而成，配有30A的電池保護板。為逆變器提供供10.8V10AH的電能，使便攜設備具有一定的續航能力。

3.5 接口轉換單元

接口轉換單元主要實現電源變換分配單元輸出的電源與負載設備的接口轉換和匹配，本系統配備5V USB接口輸出，12V固定電壓輸出12-48V可調電壓輸出，AC輸出電壓：220V。電源面板LCD顯示設計（包括運行、報警、充電、電池電量和放電狀態）。

4 裝置的性能及測試

在充放電特性測試方面，主要測試充電電壓、電流，以及放電電流特性對電池性能的影響，尤其是對多節電池的串并聯組成的電池組，多種電池的充放電狀態，對不同的充放電狀態組合關系進行了嚴格設定，對傳統的保護電路進行了狀態細化，很好的解決了過充過放問題，提升了系統的穩定性。由于消防通信裝備對電流的需求是動態變化的，與信號強度、連接的終端數量等都有關系，為了防止虛短虛斷現象，對電路結構進行了調整。通過實驗進行測試，整個設備運行情況正常。

5 結論

近年來，消防隊伍自我保障水平在不斷提高，但是汽柴油發電機組和匹配的供電連接系統尚不適應重大災害事故現場道路狹窄、油料運輸困難、環境極度惡劣條件下的電源保障，也無法滿足單兵救援或小組遠程野外救援的供電保障需求。本文介紹的應急供電裝置較好地解決了現場持續供電和充電問題，為現場通信設備的供電保障提供了一種相對理想的解決方案。

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作者簡介：

張磊（1982—），遼寧沈陽人，碩士，現工作于公安部沈陽消防研究所。