礦用鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)

郭長娜

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

目前越來越多的企業(yè)選擇鋰離子蓄電池作為井下機(jī)車用電源、啟動電源、監(jiān)控系統(tǒng)等產(chǎn)品的備用電源等[1]，礦用機(jī)器人項(xiàng)目中動力電源大多為鋰離子蓄電池電源[2]，因此礦用鋰離子蓄電池電源試驗(yàn)方法的研究具有重要意義。礦用鋰離子蓄電池電源安全標(biāo)志檢測檢驗(yàn)依據(jù)文件《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求（試行）》中明確要求鋰離子電源應(yīng)具有短路保護(hù)功能，短路保護(hù)時(shí)間不超過50 ms，并在10 s 內(nèi)具有報(bào)警顯示，且此試驗(yàn)要求短路負(fù)載電阻不超過5 mΩ。大容量多節(jié)鋰離子電池電源短路瞬間電流很大，最大可達(dá)到幾千安培[3]，而井下復(fù)雜環(huán)境下一旦出現(xiàn)短路故障若不能在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，電池極易產(chǎn)生爆炸，從而引發(fā)一系列井下安全問題[4]。因此，此項(xiàng)保護(hù)功能的檢測檢驗(yàn)至關(guān)重要。

目前國內(nèi)并沒有安全可靠的礦用鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，早期只是根據(jù)企業(yè)短路保護(hù)功能原理通過給定大電流模擬短路，實(shí)際上真正的短路會產(chǎn)生非常大的能量，其危害及不確定因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于早期所采取的模擬短路方法[5]。后期對試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了小內(nèi)阻直流繼電器實(shí)現(xiàn)主回路的短路，控制端使用手動控制開關(guān)，但此測試方法如被檢樣機(jī)一旦達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，繼電器便會點(diǎn)燃損壞，造成財(cái)產(chǎn)損失，更對實(shí)驗(yàn)室設(shè)施、檢測人員人身安全等具有很大的潛在危險(xiǎn)。因此，研究新的短路保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備十分必要。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1，系統(tǒng)主要包括定時(shí)控制單元、數(shù)據(jù)分析單元。

圖1 試驗(yàn)及分析系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the test and analysis system composition

當(dāng)定時(shí)控制單元接收到遙控觸發(fā)信號發(fā)出合閘信號至直流斷路器，控制直流斷路器動作，因斷路器操作機(jī)構(gòu)動作具有延時(shí)[6]，因此，本定時(shí)控制單元設(shè)計(jì)了信號反饋接收部分，當(dāng)以AVR 單片機(jī)為核心的中央處理單元采集到直流斷路器動作的反饋信號開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間可在試驗(yàn)開始前進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，會強(qiáng)制斷路器分閘，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能。

在定時(shí)控制單元向直流斷路器發(fā)出合閘、分閘信號的同時(shí)，也將信號發(fā)送給數(shù)據(jù)分析單元。主回路中電流、電壓檢測傳感器檢測試驗(yàn)過程中主回路的電流及短路保護(hù)用元件的端電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)分析單元中的數(shù)據(jù)采集卡AD 轉(zhuǎn)換處理后傳輸至LABVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件，LABVIEW 經(jīng)對直流斷路器操作機(jī)構(gòu)動作延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動作時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算，形成波形顯示并自動生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

1.2 主回路

主回路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。建立低阻抗回路，短路負(fù)載電阻為μΩ 級[7]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5 mΩ。用大容量高壓直流斷路器連通電池組的正、負(fù)極，在直流斷路器有效合閘瞬間，構(gòu)成電源短路。發(fā)生短路后，電池組的短路保護(hù)動作，并應(yīng)在50 ms 內(nèi)切斷電路電流。

圖2 試驗(yàn)主回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of test main circuit

實(shí)際檢驗(yàn)過程中電源的短路保護(hù)可能存在問題，造成短路保護(hù)時(shí)間過長或者不保護(hù)情況，一旦出現(xiàn)這種異常，將會對電池造成巨大損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸及火災(zāi)[8]。為了在試驗(yàn)中避免這一異常情況出現(xiàn)，本試驗(yàn)及分析系統(tǒng)將采用高壓直流斷路器根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間強(qiáng)制斷開電路的方法實(shí)現(xiàn)安全的后備保護(hù)，無論在試驗(yàn)前設(shè)置好的定時(shí)時(shí)間內(nèi)電源的短路保護(hù)是否動作，都可以可靠的保證電路斷開。

2 定時(shí)控制單元

定時(shí)控制單元主要實(shí)現(xiàn)對高壓直流斷路器的通斷進(jìn)行精確的定時(shí)控制。在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，巨大的電流沖擊對電池組是一個(gè)損傷的過程[9]，為了盡量避免短路對電池造成的過熱效應(yīng)，應(yīng)在滿足試驗(yàn)的條件下，盡量減小短路時(shí)間，從而此試驗(yàn)需要一個(gè)能夠在觸發(fā)短路時(shí)，可以精確定時(shí)的控制系統(tǒng)。

由于電源短路保護(hù)的動作時(shí)間非常短（通常小于50 ms），而采用高壓直流斷路器觸發(fā)短路時(shí)，其電磁操動機(jī)構(gòu)的動作延時(shí)時(shí)間也不可忽視[10]（通常合閘在20 ms 左右，分閘在10 ms 左右）。如若在直流斷路器合閘后，延時(shí)很短時(shí)間就進(jìn)行分閘，可能造成電源的短路保護(hù)不能正常觸發(fā)；反之若延時(shí)很長時(shí)間才進(jìn)行分閘，極有可能在短路保護(hù)失效后，無法及時(shí)切斷電路電流，造成電池?fù)p壞這一嚴(yán)重后果。

定時(shí)控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3。定時(shí)觸發(fā)控制核心采用AVR 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。中央處理電路如圖4。

圖3 定時(shí)控制單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure block diagram of timing control unit

圖4 中央處理電路Fig.4 Central processing circuit

考慮到安全問題，短路試驗(yàn)的觸發(fā)信號通過遠(yuǎn)程遙控的方式實(shí)現(xiàn)，在定時(shí)控制單元上設(shè)置遙控信號接收模塊，遙控信號接收電路圖如圖5，一旦收到遠(yuǎn)程發(fā)來的觸發(fā)信號，單片機(jī)輸出口輸出高壓直流斷路器的合閘信號，高壓直流斷路器電磁操動機(jī)構(gòu)立即動作，當(dāng)主觸點(diǎn)完成合閘后，其輔助觸點(diǎn)輸出一個(gè)合閘完成信號到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到直流斷路器的合閘完成信號后，立即啟動定時(shí)器，延時(shí)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，再發(fā)出分閘信號，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制切斷電路電流的功能。單片機(jī)將合閘及分閘信號輸出給直流斷路器的同時(shí)，也將信號通過IO 口傳輸至數(shù)據(jù)分析單元。

延時(shí)時(shí)間和動作時(shí)序可以通過液晶顯示觸摸屏界面直觀地設(shè)定。觸摸屏與單片機(jī)之間采用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

控制單元的電源為AC220 V，通過AC/DC 開關(guān)電源電路，實(shí)現(xiàn)多路相互隔離的不同電壓輸出，其中中央處理電路、線圈電壓驅(qū)動電路及遙控信號接收電路的電源電壓為5 V，觸摸屏電源電壓為24 V。CPU 核心系統(tǒng)與外圍電氣實(shí)現(xiàn)了光電隔離，極大地提高了抗電磁干擾性能[11]，使得定時(shí)、動作更為可靠。定時(shí)控制單元的控制流程圖如圖6。

圖5 遙控信號接收電路Fig.5 Remote signal receiving circuit

圖6 定時(shí)控制單元程序流程圖Fig.6 Flow chart of timing control unit program

3 數(shù)據(jù)分析單元

3.1 數(shù)據(jù)分析單元設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)分析單元，主要包括數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件2 部分。

數(shù)據(jù)采集卡通過電流、電壓檢測傳感器采集主回路電流、短路保護(hù)用元件兩端電壓，經(jīng)處理后通過USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡接收定時(shí)控制單元發(fā)送的直流斷路器線圈合閘、分閘信號，并傳輸至LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件。以上信號均為實(shí)時(shí)真值采集，可以真實(shí)反映系統(tǒng)的工作參數(shù)。

LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件安裝在工控機(jī)上，主要有數(shù)據(jù)顯示、量化分析、曲線記錄、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)果判定等功能。所有采集通道均有數(shù)字顯示和曲線顯示，采樣精度可調(diào)，每通道最高采樣速率可達(dá)500 kbps。界面曲線顯示窗口長度可調(diào)，可充分顯示波形特征。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面包括操作模式、參數(shù)設(shè)置、波形顯示及數(shù)據(jù)報(bào)表部分。操作模式部分設(shè)計(jì)了手動及自動合、分閘兩種模式可供選擇，包括合閘、分閘、報(bào)警等狀態(tài)的指示。參數(shù)設(shè)置部分包括合閘定時(shí)時(shí)間、采樣速率及采樣點(diǎn)數(shù)等設(shè)置，其中為了對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)一步保護(hù)，設(shè)計(jì)了電壓、電流范圍設(shè)置欄，一旦系統(tǒng)運(yùn)行過程中采集到的電壓及電流超出了設(shè)置范圍，數(shù)據(jù)分析單元將進(jìn)行報(bào)警，并將信號及時(shí)反饋至定時(shí)控制單元，實(shí)現(xiàn)故障分閘。LabVIEW數(shù)據(jù)分析軟件經(jīng)對數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)分析處理后將線圈信號、短路保護(hù)用元件端電壓、主回路電流繪制成波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，另外，通過精準(zhǔn)計(jì)算將斷路器操動機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動作時(shí)間直觀顯示。分析軟件將合閘時(shí)刻、分閘時(shí)刻、斷路器操動機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動作時(shí)間及故障報(bào)警等最終形成數(shù)據(jù)報(bào)表，可進(jìn)行導(dǎo)出打印。

3.2 測試結(jié)果分析

在短路試驗(yàn)過程中，由于高壓直流斷路器的電磁操動機(jī)構(gòu)動作需要一定時(shí)間，在電磁線圈通電后，不能立即使主觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)短路效應(yīng)，而是延時(shí)一段時(shí)間后，主觸點(diǎn)才閉合，回路電流以極高的速率增加造成短路效應(yīng)，可通過高壓直流斷路器的線圈信號、主回路的電流測試曲線分析出線圈有信號至回路電流極速上升的這段時(shí)間即為電磁操動機(jī)構(gòu)合閘的延時(shí)時(shí)間。

當(dāng)短路發(fā)生后，開始計(jì)時(shí)，短路電流持續(xù)一段時(shí)間，短路保護(hù)開始動作，保護(hù)成功后，回路電流降至零，此時(shí)高壓直流斷路器的線圈仍然通電，當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，單片機(jī)發(fā)出分閘信號，經(jīng)過操動機(jī)構(gòu)分閘動作延時(shí)完成分閘，線圈失電。回路電流極速上升后又下降為0 的這段時(shí)間即為短路保護(hù)動作時(shí)間，此段時(shí)間應(yīng)與短路保護(hù)用元件的端電壓波動時(shí)間一致。短路電流上升至線圈信號消失的時(shí)間即為主回路通斷時(shí)間（即試驗(yàn)開始前設(shè)置的定時(shí)控制時(shí)間），從線圈信號消失至線圈失電這段時(shí)間即為斷路器操動機(jī)構(gòu)分閘延時(shí)時(shí)間。

綜上所述，數(shù)據(jù)分析單元可以準(zhǔn)確，詳細(xì)地記錄試驗(yàn)過程中的各關(guān)鍵電信號，并可以對電源短路保護(hù)功能進(jìn)行分析與判斷，另一方面，也可以通過定時(shí)控制對此項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行后備保護(hù)，可靠保障了試驗(yàn)的安全性。

4 結(jié) 語

針對大容量鋰離子蓄電池電源短路保護(hù)功能，設(shè)計(jì)了短路保護(hù)的試驗(yàn)與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：①對電源短路后的主回路電流、短路保護(hù)用元件的端電壓、線圈信號進(jìn)行精確采集與記錄；②對試驗(yàn)過程中的斷路器、定時(shí)器、觸發(fā)記錄等時(shí)序精準(zhǔn)控制；③對短路試驗(yàn)過程中的斷路器操動機(jī)構(gòu)延時(shí)時(shí)間、主回路通斷時(shí)間、短路保護(hù)動作時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算；④對試驗(yàn)過程中的電壓、電流變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與波形顯示。