某型搬運車防爆電氣系統的研究與應用

郭 奎，趙厚寬，黃海波

（92942部隊，北京 100161）

0 引言

隨著大型船舶的服役，補給物資數量和種類越來越多，因此配套的補給船也趨于大型化，所攜帶的補給物資種類和數量也逐步增加，根據大型船舶的要求，所攜帶的部分特定貨物也越來越多。因補給船所攜帶的干貨和液貨種類繁多，甲板和倉庫環境要求復雜，其中部分甲板因補給液貨會造成油氣環境，特定貨物的存放也對環境有較高的要求，根據補給船的設計要求，將油氣環境區域、存放倉庫區域劃分為Ⅱ類防爆區域。因此，根據船上運輸特定貨物設計了某型防爆搬運車，要求能夠滿足存在ⅡA、ⅡB類爆炸性氣體的1、2區危險場所的使用要求。

因此，根據防爆區域及搬運車防爆要求，主要是針對該車電氣系統進行防爆設計。由于船上通道相對狹窄，對輸轉設備的尺寸和重量也有嚴格的限制。針對電氣系統及防爆區域要求，采用了重量相對較輕、能量密度大的磷酸鐵鋰電池組提供電力，并對鋰電池組進行了隔爆設計，采用電源管理系統進行安全有效的管理。

鋰電池具有比能量高、儲能效率高、循環壽命長、使用成本低等優勢，還具有輸入輸出功率大、工作溫度范圍寬、無記憶效應、免維護、擁有2000次以上的充放電使用壽命、安全以及綠色環保等特點，隨著新材料的出現和電池設計技術的改進，鋰電池的應用范圍不斷被拓展。

1 設計要求

電氣系統在搬運車上的作用至關重要，搬運車要求正常情況下，能夠工作4小時以上（根據實際應用情況，可分為滿載2小時，空載2小時），所需載重量及自身重量約為4.2噸。電氣系統能夠滿足補給船Ⅱ類防爆區域，所用電機、動力源等部件均應符合補給船Ⅱ類防爆區域要求。

因此，防爆搬運車的動力源是采用磷酸鐵鋰離子電池組，電池組可為防爆電機提供電能，防爆直流電機帶動油泵為液壓系統提供動力。通過操作面板上調速手柄對防爆直流電機轉速的調控來控制防爆輸轉車的行走和裝卸速度。

防爆搬運車選用鋰離子電池組。鋰電池組通過電源管理系統提供完善的保護，實現對電池組及單體電池的電壓、電流、溫度等多種電池參數的在線監測，對各種故障實時報警并采取應急處理，動態計算電池組的剩余容量，還可對充電狀況進行監測。

2 方案設計

2.1 電氣系統組成

電氣系統主要包括動力電池組、電池組管理系統、防爆顯示器、防爆電機控制器、防爆交流電機、防爆防腐操作柱及線束。電氣原理如圖1所示。

圖1 電氣系統原理圖Fig.1 The electrical system principle diagram

2.2 電池組及管理系統

鋰電池組管理系統依據搬運車鋰電池組的用電需求進行設計。可以對搬運車上的兩組電池組進行管理，可以檢測每組電池組總電壓，電池組充、放電的電流，以及檢測單體電池電壓、溫度。為保證電池組及搬運車工作安全可靠，管理系統對電池組充、放電進行管理和控制，并根據電池狀態進行分級的電池保護，還具有對電池組中電池進行均衡充電控制功能，在充電結束后保證各單體電池電壓偏差不大于1%。管理系統能夠精確計算電池組剩余電量，并且用液晶屏顯示電池組和單節電池狀態信息和故障告警。此外還應具備應急轉移功能，保證電池組因電量過低關閉放電時，能繼續支持搬運車開回家或移動到更適合的位置。

電池組管理系統由管理單元、檢測均衡單元、顯示單元、輸出功率器件、電流傳感器、輔助DC/DC等組成。管理單元負責對電池組電壓電流和單體電壓溫度數據進行分析處理，進行告警保護并控制，顯示電池數據狀態。檢測均衡單元對應每一電池組，可對電池組每一節單體電池電壓、溫度進行檢測。管理單元與檢測均衡單元之間采用內部485總線通訊。電池組管理系統原理如圖2所示。

電池組管理系統的工作電源由電池母線通過DC/DC提供。當合上上電開關后，DC/DC模塊通電給電池組管理系統供電，電池組管理系統上電后自動合上K5延續給DC/DC供電，當電池組管理系統再次檢測到下電開關被按下時，釋放K5，電池組管理系統下電。

2.3 設計計算

根據設計要求，搬運車滿載總重約4.2噸，空載總重約2.7噸，防爆電機額定功率為3kW，搬運車空載功率為電機額定功率的60%，按工作4小時，滿載工作2小時，空載工作2小時計算。

電機所需電池組容量為：

所選鋰電池單體規格為：額定電壓3.2V，額定容量100AH（25℃）。

電池組選取32塊鋰電池單體，分為2組，每組16塊。

電池組容量為：

設計時選用的電池組容量大于電機在規定工作狀態下所需電池組容量。

根據搬運車的設計要求，分為2個電池組，每組16塊電池，電池組A供電，則電池組B待機，A供電消耗到臨界點時由電池組B繼續供電，直至結束。

圖2 電池組管理系統原理功能圖Fig.2 The battery management system principle functional diagram

2.4 防爆設計

2.4.1 防爆措施

電氣放電：優化電源裝置的設計，并在電源裝置接線和組裝過程中加強工藝控制，避免電氣火花的產生。將電池和電池管理系統通過隔爆外殼進行保護，在非正常狀況時即使出現電氣放電，也可將點燃源限制在隔爆箱中，無法成為有效點燃源。

靜電放電：通過優化設計和對非金屬材料的要求和選擇，使靜電電荷無法聚集產生靜電放電。

機械摩擦碰撞火花：通過對可能出現碰撞部位的材料選擇和采取保護措施，避免產生機械火花。

熱表面：通過電池管理系統對電池的保護和管理，使其在正常工作中溫度可控，不會形成危險熱表面；在出現非正常情況時通過報警和自動切斷電源防止產生危險的熱表面。

電池泄放：通過電池管理系統對電池的保護、監控和管理防止電池損壞，出現泄放。

2.4.2 隔爆外殼設計

隔爆外殼是電源系統出現異常成為點燃源后的最后一道防線，隔爆外殼性能的好壞直接影響著電源裝置的防爆性能。因此在設計時，進行更為全面的考慮和防護，同時提高隔爆外殼的安全系數，使隔爆外殼能經受更為嚴酷的條件。

在結構上將隔爆外殼的電池腔、電池管理系統腔、接線腔三個隔爆腔體分開設置，方便使用的同時，可以減少點燃源存在，減少使用和維護過程因安裝、拆卸引起的風險，提高電源長期使用的安全系數。

在設計選材上，提高安全系數，選用屈服強度更高的優質材料，隔爆面加寬，箱體和法蘭加厚，增強隔爆外殼承壓和不傳爆能力。顯示窗口也采用能夠承受較大沖擊，耐受熱劇變的透明件。

電源裝置內的電池、電池管理系統及其電氣連接及固定，均有防松動和防晃動的措施，腔體內電氣的連接選用安全可靠的接線端子，增加絕緣措施，增大電氣間隙和爬電距離，避免出現危險高溫、電弧、火花。

其他零部件都要求由性能優良，耐鹽霧腐蝕的材料制成，以適應海上惡劣的工作環境。電纜引入裝置選用密封性能更好，防護等級更高的填料函，即使在使用中操作不當，也能保證可靠性能。

2.4.3 隔爆外殼內電池的選擇及連接

影響鋰電池爆炸的因素很多，比如，從設計選材方面，鋰電池殼體材料、正極材料、隔膜材料、電池結構、安全閥設計；從生產制造方面，漿料均勻度控制、涂布質量控制、疊片對齊度控制、水分控制、粉塵控制、封口質量控制、化成工藝等工藝控制；從最終使用方面，使用過程中的過充、過放、外部短路、擠壓、針刺等等，這些方面的不當考慮都會增加鋰電池爆炸的可能性。

但歸根結底電池內部的高溫、高壓都與產熱因素有直接的關系。電池內部的產熱因素眾多，如果鋰電池內部的熱生成速率大于熱散失速率，則體系內的反應溫度就會不斷上升。其結果可能造成兩種極端情況：①反應物質的溫度達到其著火溫度而發生火災；②由于鋰電池是一個封閉體系，隨體系內部溫度升高，反應速度加快，反應物蒸氣壓急劇上升。同時活性物質的分解、活性物質與電解液的反應都會產生一定量的氣體，其結果，在缺少安全閥保護或安全閥失效的情況下，電池內壓便會急劇上升而引起電池爆炸。

本項目中電池只能采用串聯的方式，僅可以使用電解液是無水有機鹽的鋰電池，并且不能使用有通氣孔或開啟式的電池，密封閥控單體電池只能用于放電的目的。電池的泄壓裝置必須能夠可靠地開啟。

根據搬運車防爆電機的功率，可知鋰電池組應分為2組，每組16塊，安裝在隔爆殼的電池腔內，串聯連接，由電源管理系統控制及保護，管理系統安裝于防爆箱內，通過電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等對蓄電池組進行過壓、欠壓、過載、短路、過溫等保護，同時通過液晶顯示器將電源狀態及報警提示實時顯示。

2.4.4 零部件防爆等級要求

根據搬運車使用環境防爆要求，防爆等級要求為Ⅱ區ExdⅡBT4，充電作業在非防爆區。

搬運車蓄電池組、電源管理系統、液晶顯示屏及電機控制器采用Q235材質防爆殼進行隔離防爆，動力選用3KW三相交流防爆電機，搬運車啟動及急停操作柱選用防爆操作柱，上述各主要設備防爆等級要求均需滿足Ⅱ區ExdⅡBT4。搬運車接線采用礦用防爆電纜，電纜符合礦用煤安等級。各設備間連線采用防爆鎖緊螺母，蓄電池和電機均設有溫度傳感器，達到保護溫度自動停機。

3 結論

綜上所述，搬運車電氣系統在搬運車中的作用至關重要，根據艦船防爆環境的要求，設計了基于鋰電池組的防爆型電氣系統，首次提出了鋰電池的防爆理念，并按照國際及國家相關標準和要求進行了相關的防爆要求檢驗，可為下一步鋰電池在防爆區域的使用提供借鑒。