滿足5G 供電的礦用膠輪車大容量備用電源

謝 浩

（1.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213015；2.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州213015）

礦用無軌膠輪車是礦井輔助運輸系統中的一種重要形式，因性能可靠、運輸效率高，機動靈活性好，載重能力強等特點可保證礦井的高產高效及安全生產，給安全生產帶來極大的方便和快捷，并能獲得極佳的經濟效益[1]。目前使用的礦用無軌膠輪車大多采用隔爆兼本安電源箱為自動保護裝置（電控保護裝置）的甲烷、溫度、液位、壓力等傳感器和膠輪車控制單元ECU 的轉速、壓力、溫度等傳感器及機車啟動提供穩定的工作電源[2]。

隨著煤礦智能化和5G 技術的快速發展[3]，華為公司在陽煤集團新元煤炭有限責任公司成功部署“5G+輔助運輸”車聯網系統，首批井下煤礦5G 基站進行組網應用，實現了礦井主巷道、運輸巷道的5G覆蓋。利用5G 技術打造車聯網[4]，提升煤礦安全管控能力，建設智能化礦山，提高煤礦生產經營能力。但是，要實現“5G+輔助運輸”車聯網，勢必要在原機車監測傳感器的基礎上加裝更多的電器元件、本安型監測傳感器和5G 無線傳輸裝置，諸如激光雷達、超聲波、紅外、胎壓、速度等傳感器、CCD 攝像頭和5G 無線傳輸裝置等設備[5]。而現用的隔爆兼本安型備用電源箱的供電能力遠不能滿足機車啟動、車聯網和智能化要求，急需研發大容量、低靜態功耗、緩啟動[6]和具備通訊功能的隔爆兼本質安全型電源，解決礦用無軌膠輪車供電問題。

1 改進后膠輪車整車供電系統

礦用無軌膠輪車整車供電系統采用2 種供電方式，一種為非本安輸出供電，另一種為本安輸出供電。礦用隔爆型機車照明燈、信號燈、燃油噴射電控裝置等設備為非本安設備，由非本安輸出供電；原自動保護裝置配套的顯示器、各種傳感器及礦用5G無線傳輸裝置、礦用激光雷達、超聲波、紅外等傳感器、礦用CCD 攝像頭和本質安全型聲光信號器等為本安設備，由大容量礦用隔爆兼本安型備用電源箱的本安輸出供電，機車啟動、停止或出現故障時，后備電池自動投入使用。改進后機車整車供電系統如圖1。

圖1 改進后機車整車供電系統Fig.1 The improved locomotive power supply system

2 礦用隔爆兼本安型備用電源

2.1 備用電源結構

礦用隔爆兼本安型備用電源為箱式設備，主要由DC/DC 開關電源、核心電源板和后備電池組組成。車輛調節器輸出直流28 V，為電源箱的DC/DC開關電源供電，DC/DC 開關電源為后續核心電源板供電，1 路通過過流過壓保護電路實現非本安輸出，另外3 路經3 組隔離DC/DC 再通過兩級過流過壓保護實現3 路本安輸出[7]。礦用隔爆兼本安型備用電源原理框圖如圖2。

2.2 大容量及緩啟動本安電源

電源設計了3 路本安輸出，每路額定輸出電壓為12 V，電流1.3 A，以滿足機車啟動、5G 無線傳輸裝置和新舊傳感器的供電需求。若采用限壓限流方式的傳統截流型保護電路，存在動態響應慢等問題，只有當電路出現過電壓時，過壓保護電路開始執行保護動作；出現過電流時，過流保護電路動作，很大程度上限制了礦用本質安全型電源的輸出功率。因此，采用動態電弧識別及關斷技術（DART 技術）[8]來增加本質安全電源的功率，提高本安系統輸出的動態響應能力。DART 技術是通過檢測電流變化率，一旦電流變化率超過預先設定的臨界值，就會提前切斷電路，可在200 μs 內實現保護。

圖2 礦用隔爆兼本安型備用電源原理框圖Fig.2 Principle block diagram of mine flameproof and intrinsically safe backup power box

基于本安電源容量的增加，動態響應能力的提高，在電源電路設計時還應該注意2 個方面：一方面是電路設計時必須考慮緩啟動問題, 否則電路將無法正常啟動；另一方面是必須考慮機車使用過程中，經常會遇到持續幾微秒至幾百毫秒的高電壓電源尖峰，這就要求電子線路不僅要承受瞬態電壓尖峰，而且在此過程中可靠地運作，即使出現故障，待故障解除后，系統還能自動恢復。

2.3 智能化管理

傳統礦用隔爆兼本安型備用電源只具備供電的功能，電源出現問題需要用戶逐一排查或咨詢廠家，有時甚至需要廠家赴現場解決問題，處理問題時間周期長。為提高維修效率，降低維護成本，最大程度地減少維護的工作量。增加了電源箱的CAN 總線通訊和故障自診斷功能，用戶可通過顯示屏實時監測各路電源的各種運行參數和狀態，智能化的分析電源狀況，將電源信息與故障報警顯示在本安顯示器上，對電源進行相應的保護措施，如過流保護、過溫保護、欠壓保護等；也可對備用電源箱進行手動充放電維護，發現放電時間短不能滿足要求的電池，及時進行更換；通過故障自診斷和故障代碼顯示，在發生故障的情況下，能初步判斷電源故障類型，可事先對故障類型進行更為準確的判斷, 從事后補救維護向事前預警轉換，提高電源的維護管理水平，提高本安電源供電質量,使供電有更高的可靠性，使電源管理向智能化方向邁進。

2.4 電池管理系統

一般情況下，礦用無軌膠輪車不會一直處于工作狀態，電池也就不會一直帶載運行，所以大部分損耗都來自于電源板的靜態功耗，為了滿足電源板在膠輪車上使用過程中產生較小靜態功耗的需求，選用高能效、高性能和低成本的STM32L 系列芯片作為電池管理的核心，同時結合開源的嵌入式實時操作系統，進行源碼移植[9]。該芯片不僅功耗很低，而且運算能力很強，可以保證在低功耗的情況下擁有較好的運算能力；膠輪車系統大多采用CAN 通訊協議，芯片提供的CAN 接口可與礦用無軌膠輪車的其他控制單元進行信息通信，完全滿足設備需求；同時，芯片抗干擾能力強，更適合煤礦特殊環境使用。電池管理系統原理框圖如圖3。

圖3 電池管理系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of the battery management system

為保證膠輪車電池組充放電平衡，DC/DC 轉換器的容量按大于1.5 倍實際功率計算。

電池組由20 節無記憶效應、對環境無污染且安全穩定的鎳氫電池串聯組成，并用硅膠澆封處理。電池容量的準確預估、電池初始容量的判斷、電池對環境的適應性和電池充放電適應性是電池管理系統的主要表現[10]。關鍵點在于對電池荷電狀態SOC 的估算[11]，電池SOC 估算方法有很多種，因為在BMS中充放電電流和電池電壓是可以很方便的直接測量得到的信息，所以采用安時積分法。對于首次使用的電池，進行完整充放電過程，計算出真正的電池容量，并保存容量值。在現場使用過程中，基于首次計算的電池容量，再根據正常工作時的充放電電流，來估算電池電量，通過參考放電結果，不斷更新電池容量。同時考慮鎳氫電池經過長時間的使用，容量會發生變化，通過對充電效率系數值的改變來修正電池容量的計算。針對膠輪車工作過程中使用不同負載的情況，對電池容量也是會發生變化的，所以基于額定負載的情況，設計了放電效率系數值，根據不同的帶載情況來計算電池容量。此外，電池溫度也會對電池組SOC 的估算產生影響，在低溫時電池容量表現很明顯，所以在安時積分法的基礎上配合溫度補償來減小誤差范圍，達到預期目標。

通過嵌入式軟件平臺與安時積分法的結合，實現了低靜態功耗，達到了SOC 的準確把握，可以及時對電池進行過充過放保護，也可以根據總的電池容量來判斷電池的老化情況，從而提醒煤礦井下作業人員及時更換備用電池，還可以根據剩余電池組電量來判斷電池的續航時間。

3 結 語

為“5G+輔助運輸”車聯網使用的礦用無軌膠輪車配套的礦用隔爆兼本安型備用電源箱通過了國家安全生產檢測檢驗中心檢驗，取得“MA”礦用產品安全標志。按照設計要求，將礦用隔爆兼本安型備用電源箱與機車外部電器設備連接，在現場進行為期2周的連續通電拷機試驗和反復送電、停電實試驗，礦用隔爆兼本安型備用電源箱及外部電器設備工作正常，無異常現象和故障出現，抗干擾能力強，具備完全帶負載能力，既能滿足設備啟動電流的需求，又能滿足5G 設備的需求。具有輸出電壓穩定、容量大、靜態功耗低、電池管理系統完善、通訊可靠等特點，達到了研究、設計的預期。