专利名称：一种井下紧急避险设施用备用电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下紧急避险系统领域，具体地说是一种为井下紧急避险设施提供动力的大容量备用电源。
背景技术：
我国是世界产煤大国，由于作业设备和工艺相对落后，各类矿难事故频繁发生，导致煤矿事故死亡人数居世界首位。井下紧急避险设施是在井下发生灾害事故时，为无法及时撤离的遇险人员提供生命保障的密闭空间，是井下救援的重要组成部分。在矿难发生后外电中断时，井下紧急避险设施的备用电源担负着为避险设施提供动力，维持其继续工作的任务，重要性不言而喻。但由于井下环境复杂，极易发生爆炸，加之紧急避险设施内空间有限，因此要求备用电源安全可靠、比能量高、维护方便或免维护。现有的井下电源均容量较小，体积庞大，且没有安全可靠的控制系统，无法满足紧急避险设施的使用要求。目前尚未发现适用于井下紧急避险设施的大容量动力备用电源。
发明内容
为了解决现有备用电源不适用于井下紧急避险设施的问题，本发明提供一种比能量高、安全可靠的大容量动力的井下紧急避险设施用备用电源。为实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案:一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:该电源采用分布式结构，即为主控备用电源和从属备用电源，其中主控备用电源包括电源防爆箱和与其电源连接的液晶显示模块；其中，电源防爆箱内分为电池腔、接线腔、电控腔和开关腔，电池腔内设有电池模块，电控腔内设有控制系统；接线腔内装有本安接线端子和非本安接线端子；从属备用电源由电源防爆箱和其电池腔中的电池模块组成，根据需要可配置相应数量的从属备用电源，各从属备用电源与主控备用电源的电池模块并联，由主控备用电源控制。电源防爆箱电池腔内包括3路温度传感器和电池模块，通过各温度传感器用作多点温度采集，其输出端的多点温度信号送至主控板CPU输入端，电池模块接电源主控板输入端。电池模块采用锂\亚硫酰氯一次电池，该电池模块由各支路的电池组成，每支路的各单体电池分别并联一个二极管，各支路上还增设有电池的保护电路。液晶显示模块为本质安全型式，包括增设了保护电路和光耦隔离模块，外部电源经保护电路限流输出的安全电压分别接至液晶显示屏和液晶模块CPU输入端，主控板CPU通过光耦隔离模块与液晶模块CPU通讯。电控腔内的控制系统包括电源主控板、电源转换模块、本安电源模块、3路本安电源输出模块及2路非安输出端子；外部电源一路直接通过本安电源模块接至液晶显示模块输入端，另一路通过电源转换模块输出的4路电压，其中一路接至电源主控板，另3路输出电压分别与电源主控板输出端3路电压并联，再分别接至3路本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子；电源主控板与液晶显示模块互连接，电源主控板输出的一路电压接至本安电源模块输入端。电源主控板主要包括主控板CPU、电流传感器、继电器、隔离模块，其中，各本安电源输出模块输出端A的电压检测信号经隔离模块接至主控板CPU输入端，电池腔中各温度传感器输出端的温度检测信号接至主控板CPU输入端，电池模块输出端一路经电源转换模块接主控板CPU，另一路经电流传感器输出端分别接至继电器的输入端，各继电器输出信号分别接至3路本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子，电流传感器前端的总电压信号接至主控板CPU，实现对电池模块输出总电压、总电流及电池腔温度和本安电源输出模块输出电压的实时检测。本发明与现有技术相比有益效果及优点:1.本发明备用电源结构紧凑，操作简便。针对避险设施内空间狭小的问题，采用分布式结构，为主控备用电源和多个从属备用电源，可以根据用户需要选取相应数量从属备用电源与主控备用电源组合使用；每个备用电源体积小，重量轻，便于安装及搬运。2.本发明备用电源响应迅速，安全可靠。通过电源主控板结合其配备的软件不仅能够在外电断电时实现迅速切换，还能对电池进行安全控制，降低了井下作业设备的危险性。3.本发明备用电源工作时间长，输出接口多。选用的锂\亚硫酰氯电池是所有防爆标准规定的电池中比能量最高的，可以支持用电设备长时间工作；设有3路本安电源输出模块及2路非安电源模块输出，用户可根据负载电压的大小选择相应本安电源输出模块进行配置。4.本发明备用电源维护方便。通过电源主控板设有对信号采集和处理电路，结合其配备的软件能够实现元器件损坏时的故障定位功能，能够通过内部的逻辑判断准确定位出现问题的元器件并将其通过液晶显示屏显示出来，操作人员可直接将问题器件更换而不用自行花费时间排故。5.本发明备用电源用户使用方便。控制系统设有电源转换模块、电源主控板及本安电源输出模块，使用户不必给负载另备电源转换模块，而只需把用电设备与备用电源连接好即可。6.本发明备用电源应用范围广。本发明不仅可以作为井下紧急避险设施的备用电源，还可以作为井下重要设备的电源使用。
图1为本发明备用电源整体结构图。图2图1中电池组保护电路原理图。图3为单个井下紧急避险设施用备用电源结构原理方框图。图4为图1中主控板结构原理方框图。图5为图1中液晶显示模块结构原理方框图。图6为本发明井下紧急避险设施用备用电源组合使用原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方案作进一步详细说明。如图1所示，为本发明整体结构图。本发明是一种井下紧急避险设施用备用电源，该电源采用分布式结构，即为主控备用电源和从属备用电源，其中主控备用电源包括电源防爆箱I和与其电源连接的液晶显示模块4 ;其中，电源防爆箱I内分为电池腔、接线腔、电控腔和开关腔，电池腔内设有电池模块2，电控腔内设有控制系统3 ;接线腔内装有本安接线端子和非本安接线端子；从属备用电源由电源防爆箱和其电池腔中的电池模块组成，根据需要可配置相应数量的从属备用电源，各从属备用电源与主控备用电源的电池模块2并联，由主控备用电源控制。如图6所示，为井下紧急避险设施用备用电源组合使用原理图。每个备用电源为井下紧急避险设施提供7200Wh的电力，用户可以根据电力需求的容量大小，配备多个从属备用电源，受主控备用电源控制；从属备用电源箱内只包括电池模块，各从属备用电源的电池模块和主控备用电源中的电池模块并接。如图2所示，为电池组保护电路原理图。电池模块2采用锂\亚硫酰氯一次电池，该电池模块2由各支路上的电池组成，每支路的各单体电池分别并联一个二极管D2，各支路上还增设有电池的保护电路。电池的保护电路由各支路上串联的二极管Dl和保险丝L组成。所述保护电路的二极管Dl可以防止电池之间反向充电，保险丝L用于为电池模块提供过流或短路保护。如图3所示，为井下紧急避险设施用主控备用电源结构原理方框图。本发明电池腔内包括3个温度传感器I 3和电池模块2，通过各温度传感器实现多点温度采集，其输出端的温度信号送至主控板CPU输入端，电池模块2接电源主控板输入端。电控腔内的控制系统包括电源主控板、电源转换模块、本安电源模块、3路本安电源输出模块及2路非安输出端子1、2 ;其中，外部电源一路直接通过本安电源模块接至液晶显示模块4的输入端，另一路通过电源转换模块输出的4路电压，其中一路接至电源主控板，另3路输出电压分别与电源主控板输出端3路电压并联，再分别接至3路本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子1、2 ;电源主控板与液晶显示模块4互连接，电源主控板输出的一路电压接至本安电源模块输入端。3路本安电源输出模块输出端经接线腔内的本安接线端子后分别连接紧急避险设施内的本安负载I 3，为其提供电力；同时3路本安电源输出模块输出端A的电压经隔离模块送至主控板CPU。该3路本安电源输出模块，用户可根据负载电压的大小，在24V、18V、12V、9V中选择相应本安电源输出模块进行任意配置。2路非安输出端子输出经接线腔内的非安接线端子后分别连接非安负载。电源控制系统的具体控制功能:对电池组的输出总电压、输出总电流及电池腔温度进行实时检测；各温度传感器将电池腔内温度上传到电源主控板，采用多点温度采集，通过软件程序实现温度采集智能判断功能；当检测到电池组短路、过流、超温、过放时，主控板CPU控制继电器Jl J3通断，提供相应的故障诊断与保护功能；当外电断电时，控制系统在0.1S内自动切换为由备用电源给紧急避险设施负载供电；控制系统结合软件还具有智能保护功能，当检测到总电流过大时，控制继电器J2 J3通断并检测总电流，可以判断出现故障的非安负载，并切断该电路，一定时间后自动恢复该电路，若外部电流仍过大，系统将智能延长恢复时间后循环此功能；由于控制系统设有电源转换模块、电源主控板及本安电源输出模块，使用户不必给负载另备电源转换模块，而只需把用电设备与备用电源连接好即可。主控板CPU对本安电源输出模块和电源转换模块输出端电压进行信号米集和处理，结合其配备的软件能够实现元器件损坏时的故障定位功能，即能够通过内部的逻辑判断准确定位出现问题的元器件并将其通过液晶显示屏显示出来，操作人员可直接将问题器件更换而不用自行花费时间排故。如图4所示，为主控板结构原理方框图。电源主控板主要包括主控板CPU、电流传感器、继电器、隔离模块，各本安电源输出模块输出端A的电压检测信号经隔离模块接至主控板CPU输入端，从电池腔温度传感器输出端的温度检测信号接至主控板CPU输入端，电池模块输出端一路经电源转换模块接主控板CPU，另一路经电流传感器输出端分别接至继电器Jl J3的输入端，各继电器输出接至本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子，电流传感器前端的总电压信号接至主控板CPU，实现对电池模块输出总电压、总电流及电池腔温度和本安电源输出模块输出端的电压进行实时检测。主控板通过对这些检测数据的处理，结合其内软件程序，实现对电池组荷电状态的精确估计。主控板还包括RS-485模块和CAN模块，分别与上位机连接；用于与井上或检测人员计算机系统进行通讯，报告电池工作状态。还包括指示灯和硬件看门狗。如图5所示，为液晶显示模块结构原理方框图。液晶显示模块4为本质安全型式，包括增设了保护电路和光耦隔离模块，外部电源经保护电路限流输出的安全电压分别接至液晶显示屏和液晶模块CPU输入端，主控板CPU通过光耦隔离模块与液晶模块CPU通讯。该保护电路包括电子安全栅和二极管，起到限流作用。井下紧急避险设施用备用电源的操作过程及工作原理:按照图3所示连接控制系统，将负载通过本安接线端子连接到备用电源的3路本安电源输出模块输出端和接2路非安输出端子1、2 ;当外电输入正常时，夕卜部输入电源一路通过本安电源模块给液晶显示模块4供电，另一路通过电源转换模块给电源主控板及本安和非安用电负载供电。当外电断电时，主控板检测到外部无电力输入，自动切换到电池模块供电；电池模块2电力一路经过电源主控板给本安和非安各负载供电，一路经本安电源模块给液晶显示模块4供电。此时液晶显示模块4上显示电池供电,并实时显示电池组工作状态。当备用电源运行过程中出现外部过流、短路故障时，控制系统启动智能保护功能软件，并在液晶显示模块上显示报警信息；当电池模块2过放或温度过高时，控制系统自动切断外部电路并报警显示。
权利要求
1.一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:该电源采用分布式结构，即为主控备用电源和从属备用电源，其中主控备用电源包括电源防爆箱(I)和与其电源连接的液晶显示模块⑷；其中，电源防爆箱⑴内分为电池腔、接线腔、电控腔和开关腔，电池腔内设有电池模块(2)，电控腔内设有控制系统(3);接线腔内装有本安接线端子和非本安接线端子；从属备用电源由电源防爆箱和其电池腔中的电池模块组成，根据需要可配置相应数量的从属备用电源，各从属备用电源与主控备用电源的电池模块(2)并联，由主控备用电源控制。
2.按权利要求1所述的一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:电源防爆箱(I)电池腔内包括温度传感器(I 3)和电池模块(2)，通过各温度传感器用作多点温度采集，其输出端的多点温度信号送至主控板CPU输入端，电池模块(2)接电源主控板输入端。
3.按权利要求1或2所述的一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:电池模块(2)采用锂\亚硫酰氯一次电池，该电池模块(2)由各支路的电池组成，每支路的各单体电池分别并联一个二极管D2，各支路上还分别增设有电池的保护电路。
4.按权利要求1所述的一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:液晶显示模块(4)为本质安全型式，包括增设了保护电路和光耦隔离模块，外部电源经保护电路限流输出的安全电压分别接至液晶显示屏和液晶模块CPU输入端，主控板CPU通过光耦隔离模块与液晶模块CPU通讯。
5.按权利要求1所述的一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:电控腔内的控制系统包括电源主控板、电源转换模块、本安电源模块、3路本安电源输出模块及2路非安输出端子(1、2);外部电源一路直接通过本安电源模块接至液晶显示模块(4)输入端，另一路通过电源转换模块输出4路电压，其中一路接至电源主控板，另3路输出电压分别与电源主控板输出端3路电压并联，再分别接至3路本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子(1、2);电源主控板与液晶显示模块(4)互连接，电源主控板输出的一路电压接至本安电源模块输入端。
6按权利要求5所述的一种井下紧急避险设施用备用电源，其特征在于:电源主控板主要包括主控板CPU、电流传感器、继电器(Jl J3)、隔离模块，其中，各本安电源输出模块输出端(A)的电压检测信号经隔离模块接至主控板CPU输入端，各温度传感器输出端的温度检测信号接至主控板CPU输入端，电池模块输出端一路经电源转换模块接主控板CPU，另一路经电流传感器输出端分别接至继电器(Jl J3)的输入端，各继电器输出信号分别接至3路本安电源输出模块输入端及2路非安输出端子，电流传感器前端的总电压信号接至主控板CPU,实现对电池模块输出总电压、总电流及电池腔温度和本安电源输出模块输出电压的实时检测。
全文摘要
本发明公开一种井下紧急避险设施用备用电源，该电源采用分布式结构，为一个主控备用电源和多个从属备用电源，其主控备用电源包括电源防爆箱和液晶显示模块；电源防爆箱内分电池腔、接线腔、电控腔和开关腔，电池腔内设有电池模块，电控腔内设有控制系统；从属备用电源由电源防爆箱和其电池模块组成，各从属备用电源可以与主控备用电源的电池模块并联，由主控备用电源控制；本发明能够在矿难发生后外电中断时，迅速切换，为紧急避险设施内的用电负载提供电力。本发明具有结构紧凑、操作简便、响应迅速、安全可靠，输出接口多，应用范围广的特点，适合在煤矿井下紧急避险设施中应用。
文档编号H02J9/06GK103178606SQ20111044188
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者袁学庆, 刘晓明, 刘伟军, 王雷, 李博, 辛荣健 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所, 江苏新力科技实业有限公司