壓差式電池充電器的研究與分析

商紅桃

（江蘇聯合職業技術學院 常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025）

壓差式電池充電器的研究與分析

商紅桃

（江蘇聯合職業技術學院 常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025）

在天然氣管線在線檢測領域，壓差式電池充電器是傳統的太陽能電池系統的有效且可靠的替代產品，它利用輸氣管道壓差發電，將所產生的電能儲存到蓄電池。壓差式電池充電器幾乎可以安裝在任何工況下，它不受陰、雨、雪、冰等氣候條件以及表面污染物的影響，可以實現24小時不間斷充電，保證了供電的穩定性和可靠性。同時可以消除太陽能充電系統中因為電池的經常性深度放電帶來的電池維護成本。

壓差；充電器；天然氣管線；分析

傳統天然氣管線的在線檢測多采用太陽能電源系統，將太陽能電池板產生的電除去雜波及穩壓，并控制其電流，電壓充入電池儲存起來。太陽能電源系統由于盜賊、野生動物、天氣、各種破壞行為導致了供電電源系統的不安全或者供電不充分。壓差式電池充電器能很好地解決上述問題，它利用輸氣管道壓差發電，將所產生的電能儲存到蓄電池。壓差充電系統不受陽光、雨雪等復雜氣象條件以及表面污染物的影響，可以實現24小時不間斷充電，保證了供電的穩定性和可靠性。壓差式充電器環境友好，不消耗氣體，氣體最終流回主管路，沒有非正常排放。在65 psig壓差下可持續產生10 W的供電，在85 psig壓差下可持續產生20 W的供電，在125 psig壓差下可持續產生50 W的供電，產生的電用于蓄電池的充電，儲存在蓄電池中，提供于蓄電池的接口為12或24 V電壓。

1 結構組成

壓差式電池充電器外觀圖和內部結構示意圖如圖1所示。系統主要由蓋子、電路板、動力裝置、聯接器、電氣盒、控制閥組件、護罩、葉輪組件等幾大部分組成。蓋子和電氣盒構成一個封閉的空間，保護電路板、動力裝置等部件；電路板根據控制器信號控制動力裝置的運動，并提供發電機輸出接口；電機控制閥控制流過系統的壓力和流量，保持葉輪的轉速穩定，進而保持發電機電壓和電流的穩定；護罩用于保護內部零部件、指示控制閥狀態；葉輪組件是系統的核心之一，內部帶有發電機，將管路中氣體的壓差轉化成電能。

圖1 設備外觀圖和結構示意圖

2 工作原理

發電過程中，壓差式電池充電器中的電機控制閥控制少量的氣體流經充電系統。系統中裝備的超小型管道葉輪發電機構，通過旁通管線中氣體，利用氣體壓差的動力驅動葉輪，葉輪帶動發電機，發電機利用線圈切割磁力線產生電能，將所產生的電能儲存蓄電池。該充電系統可以進行無人照管操作，連續不斷地監測電池的狀態，當電壓低于下限，開始充電，當電壓高于上限，停止充電。工作原理圖如圖2所示。

圖2 基本工作原理圖

3 系統電路圖

3.1 系統主要部件連接圖

壓差式電池充電器主要有三大核心部件：發電機、控制器和蓄電池接口模塊。發電機通常安裝在管線附近，而控制器和蓄電池接口安裝在蓄電池附近的安全區域。圖3為發電機、控制器和蓄電池接口模塊的系統接線圖。

圖3 三大核心部件連接圖

發電機電路板是發電機電能輸出的接口，同時是電機控制閥的控制信號輸入接口；控制器負責檢測信號的處理，控制充電器充電狀態以及指示信號等；蓄電池接口模塊提供12/24充電接口，實現蓄電池與發電機以及控制器的連接。發電機電路和控制器電路分別有一個微處理器。由于使用單獨的處理器，發電機電路可以實現自身監控、與控制器通信，并在必要時使用發電機的電能關閉控制閥。發電機電路將會監控轉速，充電電流，控制閥位置以及輸出電壓。所有的其他參數（蓄電池電壓，蓄電池溫度，ESD輸入，警報輸出，工作狀態LED）由控制部分的微處理器監控和管理。該系統可以在不拆除發電機防護罩的情況下實現監控。蓄電池溫度傳感器，電池接口螺絲端子，以及過流保護集成在蓄電池接口模塊，盡可能地安裝在靠近電池的位置。

3.2 充電電路圖

系統充電電路如圖4所示，發電機發出的電能經BR1整流后，經過熔斷器F1，再由電容C1，C2濾波后，得到穩定的直流電，經電阻R2后充到蓄電池中。電阻R4連接測壓電路，檢測發電機輸出電壓，微處理器根據電機輸出電壓，控制進口調節閥的動作。當電壓超過規定數值時，微處理器給出信號，電機驅動電路驅動閥門電機減小開度，從而使流過系統的氣體減少，發電機轉速下降，輸出電壓下降；反之，當電壓低于規定數值時，微處理器給出信號，電機驅動電路驅動閥門電機增大開度，從而使流過系統的氣體增加，發電機轉速上升，輸出電壓上升，使輸出電壓穩定在額定值。R2兩端連接到電流檢測電路上，檢測充電電流大小。

4 特性及技術參數

系統配備了具有功能強大的微處理器，啟動及診斷方便快捷，集成充電的溫度補償功能，充電狀態遠程監控警告。發電可用的最大天然氣壓差為1 440 psi，可直接安裝在管線上或用2英寸支撐桿安裝。

主要技術參數有：

充電電壓：12/24 V（帶溫度補償）用于膠體鉛酸電池；

輸出功率：環境溫度68oF （20oC）充電時提供10，20或50瓦 ；

進口供氣壓力：最大1440 PSI；

電氣連接：1/2NPT管（防爆）；

充電循環氣體流量：30 SCFM@10 W，40 SCFM@20 W，65 SCFM@50 W；

供氣連接：進口 3/8”外徑不銹鋼管，出口3/4”FNPT；

工作溫度范圍：-40°C 到60°C。

圖4 充電電路圖

5 結束語

壓差式電池充電器系統環境友好，不消耗氣體，氣體最終流回主管路，沒有非正常排放，它利用氣體通過壓力調節閥產生的壓差驅動葉輪發電，使我們享受到了清潔安全且免費的電源。它不受陽光、雨雪等復雜氣象條件以及表面污染物的影響，可以在-40～60°C的工作環境下實現24小時不間斷充電，保證了供電的穩定性和可靠性。安裝簡單，免維護，可以為天然氣檢測線路提供接口為12或24 V電壓，目前已經在歐美發達國家得到了廣泛的應用，深受用戶好評，在我國已經應用于新疆地區的部分天然氣管線，隨著中國天然氣線路的日益增長，它的運用將越來越廣泛。

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Research and analysis of the differential pressure charger

SHANG Hong-tao
（Changzhou Liu Guojun Branch，Jiangsu Union Technical Institute，Changzhou 213025，China）

The differential pressure charger is an efficient and reliable alternative to solar panel systems that are used to power electronic instruments on gas pipelines.Power is generated by the differential pressure of gas pipeline and stored in a battery.It can be installed in almost any location and unaffected by shade，snow，freezing rain，ice，dust build-up，it also can continually charge the battery by 24hours and keep the stable and reliable power supply，meanwhile it can eliminate the Battery maintenance costbecause of usualness and depth discharging of battery of solar panel system.

differential pressure；charger；gas pipelines；analysis

TN7

：A

：1674-6236（2017）08-0072-03

2016-04-02稿件編號：201604014

2014年度江蘇省高等學校"青藍工程"優秀青年骨干教師培養項目（蘇教師【2014】23號）

商紅桃（1981—），男，江蘇常州人，碩士，副教授。研究方向：智能控制技術、電工技術。