環(huán)境監(jiān)測應(yīng)急供電系統(tǒng)的設(shè)計思考

彭睿

（江蘇省鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

隨著環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測在事故應(yīng)急、生態(tài)保護(hù)等工作中的作用越來越大，環(huán)境監(jiān)測的地域范圍也越來越廣［1］。為滿足環(huán)境監(jiān)測工作日益增長的需求和國家新規(guī)范要求，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備也得到了蓬勃的發(fā)展，由單一項(xiàng)目監(jiān)測設(shè)備演變成多項(xiàng)目綜合監(jiān)測設(shè)備，由手工監(jiān)測設(shè)備發(fā)展為自動監(jiān)測設(shè)備，由人工操作的小型設(shè)備換代為自動化控制的大型智能設(shè)備。這樣的發(fā)展趨勢必然對設(shè)備供電能力提出了極高的要求。

1 現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測設(shè)備供電方式的缺陷

就目前來看，環(huán)境監(jiān)測部門的供電途徑來自于2 個方面：①利用市政電源進(jìn)行供電，這種供電方式適用于大型監(jiān)測工作站，如：大氣自動監(jiān)測站點(diǎn)、水質(zhì)自動監(jiān)測點(diǎn)等以及分析室使用的大型分析儀器等固定設(shè)備。②利用移動源進(jìn)行供電，例如便攜式GC-MS、CMS 多氣體分析儀，這些儀器可以自帶電池［2］，也可通過外購鋰電池進(jìn)行供電。然而在實(shí)際工作環(huán)境中，這2種供電方式均有很大的缺陷。

利用市政電源進(jìn)行供電在一些電路未能延伸的野外地區(qū)或者廣闊的水域面上（例如長江、大型湖泊、海洋等）顯得尤為困難，且市政電源的供電口相對比較固定。一旦需要使用大型監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行野外監(jiān)測，或者利用儀器進(jìn)行長時間的野外調(diào)查時，市政供電無法滿足監(jiān)測工作的開展。雖然現(xiàn)在有大型供電車和供電船進(jìn)行特殊時期的供電，但在一些交通不便的區(qū)域，這些裝備顯得捉襟見肘且運(yùn)行費(fèi)用昂貴，經(jīng)濟(jì)性不佳。

現(xiàn)有移動供電方式的缺點(diǎn)在于：①供電量不足，例如便攜式GC-MS，1 h的功耗近3 000 W，一旦進(jìn)行長時間的晝夜監(jiān)測，僅靠自身攜帶的電池電量是很難支撐到工作結(jié)束，一旦需要多臺設(shè)備一起使用，那更是雪上加霜。②便攜式電源比能量小，重量大。目前市場很多公司開發(fā)了便攜式電源，其中以鋰電池最優(yōu)［3］。但由于技術(shù)條件的限制，很多鋰電池存儲的電量較小，環(huán)境適應(yīng)性較差（常規(guī)鋰電池在低溫環(huán)境中會大幅度衰降或無法工作），且一旦需要大容量的鋰電池，帶來的結(jié)果就是電池本身重量較重，不便于攜帶。特別是在一些事故應(yīng)急監(jiān)測現(xiàn)場，很多監(jiān)測點(diǎn)位需根據(jù)污染物的擴(kuò)散進(jìn)行不斷調(diào)整，所以需要供電設(shè)備具有良好的可移動性。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前在市面上便攜電源使用的電池類型主要有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其中，鉛酸電池因具有突出的性價比已在電動自行車上得到廣泛使用［4］；鎳氫電池在以日本豐田為代表的混合移動供電上得到了較大規(guī)模應(yīng)用；鋰離子電池具有體積小、重量輕、工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為移動供電行業(yè)近期重點(diǎn)發(fā)展的電池類型。上述3種電池的技術(shù)性能特征如表1所示。

表1 便攜式電源電池性能特征對比

相對移動供電的使用要求，鋰離子電池的綜合性能具有明顯優(yōu)勢，被認(rèn)為是當(dāng)前移動供電最理想的電池配置。隨著鋰離子在市場上得到不斷推廣使用，鋰離子電池技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，關(guān)鍵正極材料從早期的鈷酸鋰一枝獨(dú)秀，發(fā)展到現(xiàn)在的鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰共存的局面。表2列出了目前行業(yè)內(nèi)不同技術(shù)基礎(chǔ)的鋰離子電池性能對比情況。

表2 鋰離子電池性能特征對比

不同技術(shù)體系的鋰離子電池性能存在明顯的差異，鈷酸鋰具有較高的比能量，但安全性較差，成本較高；三元材料具有較高比能量、高安全性能、成本適中；磷酸鐵鋰比能量較低、安全性高、成本低；錳酸鋰比能量較低、安全性較好、成本低。當(dāng)前鋰離子電池所采用的技術(shù)體系各有不同：中國以磷酸鐵鋰為主、日本主要為三元材料和錳酸鋰、美國主要為磷酸鐵鋰和三元材料［5］。本設(shè)計的實(shí)施，采用改性三元材料體系和先進(jìn)的電池制作工藝，則兼顧了鋰離子電池高比能量、長壽命、高安全性和低成本的綜合性能，研發(fā)NCM10 型高比能量鋰離子動力電池。

就移動式供電平臺而言，目前呈現(xiàn)兩極分化的狀況，在大型設(shè)備供電方面，各國研究重點(diǎn)大部分集中在電力系統(tǒng)臨時供電研究領(lǐng)域，主要是供電車以及臨時供電站的研發(fā)。在小型設(shè)備供電方面，各國研究重點(diǎn)大部分集中在太陽能供電，使用部門也僅局限于地震臺、氣象站。在野外環(huán)境監(jiān)測供電平臺方面，尚屬技術(shù)空白。

3 開發(fā)思路

本設(shè)計擬建造1種可移動式的小型供電系統(tǒng)，這個供電系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載的要求，提供不同的供電量，也能為一些便攜式移動監(jiān)測設(shè)備提供便攜式輕量電池，以保證設(shè)備移動時也能提供足夠的電量供應(yīng)。同時，在設(shè)計頂部安裝電能管理控制單元。通過此單元，能對整個系統(tǒng)的剩余電量進(jìn)行有效的顯示，同時能夠合理的分配電能，確保長時間供電的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)外結(jié)構(gòu)采用可拆裝金屬構(gòu)件，可根據(jù)電池組的大小，靈活的組裝。為了能適應(yīng)一般道路、沼澤、水域等特殊地貌，系統(tǒng)運(yùn)載底盤采用輪式、履帶式和浮筒式3種設(shè)計。

3.1 電池組的設(shè)計

電池組是本設(shè)計核心部件，由于本設(shè)計是在野外應(yīng)急環(huán)境下使用，所以要做到高容量、輕便、防潮等要求。本次設(shè)計采用江蘇津誼新能源科技有限公司研發(fā)的NCM10 型高比能量鋰離子動力電池。該電池具有良好的比功率，最大可以達(dá)到2 000 W/kg。理論上為3 000 W的GC-MS 供電，只要1.5 kg 電池組即可，相對于鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰電池來說已經(jīng)極為輕便。這種電池可以在-40 ℃～70 ℃的環(huán)境中正常工作，同時采用密封防水設(shè)計，能適應(yīng)絕大多數(shù)野外工作環(huán)境。除此之外，這種電池可以做成不同的形狀和大小。為了保證電池組的可組合性，一般做成長方形和條形。為了有效控制電池的容量及供配電情況，本系統(tǒng)采用電池管理系統(tǒng)（BMS）對其進(jìn)行管理，電池組的充放電狀態(tài)由BMS 通過電池保護(hù)模塊開啟或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對電池組維護(hù)，并通過微處理器采集電池組的各種參數(shù)，估算電池組的殘余電量及剩余供電時間。當(dāng)檢測到單位電池電壓過高時，BMS 開啟平衡充電功能，平衡各單體電池的電壓。同時為保證電池箱具有完善的保護(hù)機(jī)制，電池箱內(nèi)部采用分腔設(shè)計，電池組放置在獨(dú)立的隔爆腔內(nèi)［6］，并與其他電氣元件分開。為保證一些移動監(jiān)測設(shè)備能夠持續(xù)使用，本套設(shè)計還制作了手臂式電池（如圖1 所示），可以直接佩戴在使用者的前臂上，為其進(jìn)行供電，保證設(shè)備能有足夠的電量進(jìn)行長時間監(jiān)測。

圖1 手臂式設(shè)計

3.2 運(yùn)載底盤設(shè)計

為了能有效的承載電池組，同時能讓系統(tǒng)能適應(yīng)公路、沼澤、水域等地形，一共配套了3種結(jié)構(gòu)。第1種為輪式結(jié)構(gòu)，采用四輪結(jié)構(gòu)，輪胎可根據(jù)情況采用實(shí)心或充氣結(jié)構(gòu)，同時輪軸與支架間設(shè)有減振裝置，方便系統(tǒng)在公路上行走；第2種為履帶式結(jié)構(gòu)，采用輕型薄不銹鋼片作為履帶材料，薄鋼片上輔以橡膠塊減少薄鋼片的磨損，減少地面阻力，薄鋼片之間采用輕型鉸鏈連接，確保其耐用性和靈活性；第3種為浮筒式結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)在水域布置該平臺，浮筒的大小根據(jù)平臺所需要的最大承重量進(jìn)行設(shè)計，確保提供足夠的浮力，另外無論輪式、履帶式還是浮筒式，均設(shè)計為雙邊結(jié)構(gòu)，以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且系統(tǒng)和運(yùn)載底盤的連接軸可以自由轉(zhuǎn)動，保證系統(tǒng)的方向性，詳見圖2。

圖2 底盤設(shè)計圖

3.3 框體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

整個系統(tǒng)的框架采用不銹鋼空心結(jié)構(gòu)，這樣在保證強(qiáng)度的同時可以有效減輕重量。同時框架可以分為多段等長度的空心鋼管，每個鋼管兩端均設(shè)有連接頭，可以根據(jù)需要構(gòu)造出不同長度的框架結(jié)構(gòu)。在框架中心部分設(shè)有拖曳環(huán)或者推手，可以采用人力推動或者車輛、船舶拉動。

4 結(jié)語

供電能力是建設(shè)野外監(jiān)測能力的重中之重。野外供電平臺要在輕便、大容量、可移動3 個方向上下功夫，那就要對電池結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行深入研究，提高其供電量，減輕其重量，提高其在極端天氣下的可靠性，同時加強(qiáng)對運(yùn)載方式的研究，使其在任何地形地貌上都有很高的適用性。隨著環(huán)境監(jiān)測工作的不斷深入，其野外監(jiān)測能力將不斷加強(qiáng)，研究和開發(fā)移動式供電平臺將有著廣闊的應(yīng)用前景。