专利名称：矿用本安锂电池供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种供电系统，特别涉及一种用于煤炭行业的矿用本安锂电池供电系统。
背景技术：
以前的二级保护电路，过电流保护电阻是在电路的正极端，电流流过电阻后会产生较大的电压压降，比如过电流保护电阻为O. 5欧，流过IA的电流，产生的压降为O. 5V，经过二级保护需要流过2个这样的电阻，所以整体的压降为IV，12V的电源到了输出端已经变为11V，再加上导线上的电压损耗，到了产品使用端就为10. 6V左右，电源无法为距离较长的设备提供稳定的电力。煤矿井下含有多种易燃、易爆危险性气体(如甲烷、CO等)，需实时采用探头监控，以采取措施保证井下安全。井下监控分站承担着对监控探头信号处理、电路控制的重要任务，主要采用不间断备用电源对井下监控分站实现实时供电。其中电池组是不间断电源(UPS)系统中最为核心的组件之一，电池的重量与体积、放电容量的多少、放电电流特性、高低温放电特性以及使用寿命，直接影响到不间断电源(UPS)的重量、体积、放电时间和可靠性。煤矿井下做为高安全等级的本质安全性场所，要求输出电压、电流实现二级保护，以免引起外部火花造成煤矿井下安全性事故。目前，市场上的可用于煤矿井下监控分站供电的不间断电源都是由“免维护铅酸蓄电池”来实现，现有铅酸蓄电池存在明显不足①在3倍率以上电流放电时，只能放出电池容量的30%以下，而充电时，其充电电流必须控制在O. 25倍率以上，在完全放电后，其充电时间需要在8小时才能充到电池容量的80%，电池循环性能差、备电时间短的缺点突出；②铅酸蓄电池在寿命周期内，容量逐年下降，其动态变化难于保证输出电压、电流的二级保护，严重制约了煤矿井下不间断电源的指标；③铅酸蓄电池放电的循环寿命在300次左右，在低温环境下放电容量更差，煤矿井下环境温度接近O度，铅酸蓄电池不适宜于煤矿井下应用；④铅酸蓄电池的主要原料是“铅”，其使用及“铅”排放直接影响到地下水环境铅酸蓄电池在充电过程中存在析氢副反应，而氢气做为高危险性气体严重影响煤矿井下安全。目前，多数井下监控分站不间断电源仅能维持井下监控分站工作2小时。随着矿井开采深度的不断加深、开掘面的不断加长，2小时已远不能满足井下实际应用需要。由于铅酸电池组没有内部放电、充电控制机制，其放电输出电压及电流难于处于保持稳定，很难实现输出电流、电压的二级保护性输出，从而显著影响到煤矿井下产品的可靠性、安全性、实用性等多项指标。
发明内容
为了解决现有技术中电源无法为距离较长的设备提供稳定电力的问题，本发明采用新的二级保护电路，将过电流保护电阻放置在电源产品的负极端，先将过电流保护电阻上采集的电压进行放大，如果不采用电路放大功能，过电流保护电阻上的电压值很低，无法与基准电压进行比较，而且小电压容易受到外面杂讯信号的干扰，导致保护电路误动作，放大后的过电流保护电阻电压和基准进行比较，因为采用较小的过电流保护电阻，过电流保护电阻一般是毫欧级的电阻，所以线路上电阻的电压降就小，这样从电源端到设备端的导线就可以使用较长的导线了。本发明提出了一种矿用本安锂电池供电系统，所述矿用本安锂电池供电系统包括锂电池及其保护模块，由锂电池和充放电保护模块组成，用于保护锂电池过冲电，保护锂电池过放电，并且在锂电池的温度超过危险温度时，对锂电池断电；升压模块，用于将锂电池的3. 7V电压转换为负载所需的12V电压，并输出到二级保护线路模块；二级保护线路模块，由两个相同的部分组成，每一部分包括输出过电压保护和输出过电流保护。根据本发明的一个方面，在锂电池及其保护模块中，通过晶体管开关的关闭和打开，实现锂电池在过充电、过放电以及温度过高时，对锂电池断电，从而防止锂电池的过冲、过放以及超过危险温度。根据本发明的一个方面，升压电路使用MAX1771芯片作为主控芯片，直接可以将低电压转换为12V电压的芯片，芯片驱动2个MOS管产生12V的电压。根据本发明的一个方面，采用新的二级保护电路，将过电流保护电阻放置在电源产品的负极端，先将过电流保护电阻上采集的电压进行放大，放大后的过电流保护电阻电压和基准电压进行比较，从而使得电源端到设备端的导线可以使用较长的导线。本发明中的矿用本安锂电池供电系统可用在矿用车辆系统及其它特定领域的系统中，具有广阔的前景。
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。图1为根据本发明实施例的矿用本安锂电池供电系统框图。图2为根据本发明实施例的升压模块电路图。图3为根据本发明实施例的二级保护线路模块电路图。图4为根据本发明实施例的锂电池及其保护模块。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明的优选实施例，电源采用新的二级保护电路，将过电流保护电阻放置在电源产品的负极端，先将过电流保护电阻上采集的电压进行放大，如果不采用电路放大功能，过电流保护电阻上的电压值很低，无法与基准电压进行比较，而且小电压容易受到外面杂讯信号的干扰，导致保护电路误动作，放大后的过电流保护电阻电压和基准进行比较，因为采用较小的过电流保护电阻，过电流保护电阻一般是毫欧级的电阻，所以线路上电阻的电压降就小，这样从电源端到设备端的导线就可以使用较长的导线了。根据本发明的一个优选实施例，矿用本安锂电池供电系统由三部分组成锂电池及其保护模块、升压模块、二级保护线路模块。具体框图参见附图1。锂电池及其保护模块由锂电池和充放电保护模块组成。升压模块用于将锂电池的3. 7V电压转换为负载所需的12V电压电源；
二级保护线路模块由两个相同的部分组成，每一部分包括输出过电压保护和输出过电流保护。本电源是由I节3. 7V的可充电锂电池经过升压电路将3. 7V电压升压为12V电压，再经过一个两极保护板电路，给负载供电。图2的Jl连接锂电池的3. 7V输出电压，J2连接图3的J1，为其提供12V电源电压，图3的J2连接设备负载。图4是锂电池及其保护模块的原理框图，通过锂电池及其保护模块对锂电池实现控制。锂电池正、负极分别与电路正极、负极相连；可采用DSP芯片或单片机做为锂电池及其保护模块的控制单元，以实现对电池的充放电进行控制并对监控的数据进行对比、实时反馈。所述锂电池及其保护模块包括控制器、晶体管开关、均衡电路、平衡负载和温度检测器，所述控制器通过均衡电路和平衡负载实现对电池的电压平衡管理，通过温度检测器实现对电池组的温度监测，并根据监测的信号对晶体管开关实现开关管理。均衡电路获取电池的电位，上传至控制器；温度检测器获取锂电池的温度信号，上传至控制器；所述控制器可以采取以下方式处理①对过高电位的电池，打开均衡电路子路，实现均衡电路子路与内部负载的串联连接，对该电池放电以降低其电位，实现对电池的电位均衡；②当存在外部电路电位时，在锂电池充满时打开晶体管开关，以隔绝充电，在锂电池未充满时关闭晶体管开关，以维持电池动态充电；③当不存在外部电路电位时，对晶体管开关实现关闭，使锂电池对外部电路放电，当到达锂电池组截止放电电位时，对晶体管开关实现打开，以保护整体电池不再深度放电；④当电池温度超过定值时，对晶体管开关实现关断处理，以防止电池温度的进一步上升。通过上述四种控制策略，实现对锂电池的电池均衡、充电、放电和温度控制处理，促进电池的高安全性应用。设单节锂电池的电压为3. 7V，其最大充电电压允许至4. 2V。则可设置单节电池的过充电压在3. 8 4. 2V，控制器可在IOms内通过晶体管开关实现断电，以防止电池组的过充。设单节锂电池的温度允许至120度，安全温度为60度，则设电池温度保护点为60度，当温度检测器监控单节电池温度达到60度时，控制器在IOms内通过晶体管开关实现断电，以防止电池的温升。为防止电池过放，设置过放压保护电压，设单节电池的最小允许电压为2. 0V，则设电池的最小允许电压为2. 0V,当单节电池达到2. OV时，控制器在IOms内通过MOS管实现断电，以防止电池组的过放。升压模块将电池电压转换为12V，由低电压转为高电压。升压电路使用MAX1771芯片作为主控芯片，此芯片是可以不需要配置任何周围的零件参数，直接可以将低电压转换为12V电压的芯片，芯片驱动2个MOS管产生12V的电压，因为芯片驱动MOS时，由于MOS管处于开关状态，MOS管的开通与关断过程中会有电压和电流的叠加，导致MOS管发热，所以采用2个MOS管并联的方式进行驱动，这样可以增大MOS管的耐热程度，从而可以省略散热片，减小产品的垂直高度。具体电路图参见图2所示。锂电池的3. 7V电压输入Jl端口，Jl端口的一端首先连接保险丝Fl的一端,Fl的另一端连接热敏电阻RT的一端,RT的另一端连接电感LI的一端，以及电容C1、C2、C3的一端，电容C1、C2、C3的另一端连接Jl的另一端，且接地；LI的另一端连接二极管Dl的正极，Dl的负极连接J2端口的一端；D1的负极同时连接电容C6、C7、C8和电阻R3的一端，C6、C7、C8的另一端连接J2端口的另一端，且接地；R3的另一端连接发光二极管D2的正极，D2的负极连接J2端口的另一端。Ul的V+脚连接J2端口的一端，同时连接电容C4的一端，C4的另一端接地；U1的REF脚连接电容C5的一端，C5的另一端接地；U1的SHDN脚、FB脚、AGND脚接地;U1的GND脚接地，同时连接电阻Rl和R2的一端，电阻Rl和R2的另一端连接Ul的CS脚和以及MOS管Ql和Q2的源极S ；U1的EXT脚接MOS管Ql和Q2的栅极G，Ql和Q2的漏极D连接到电感LI和二极管Dl的中间；J2端口连接到附图2的Jl端口。产品的具体实施过程如图2所示锂电池3. 7V电压通过图2的Jl端子经过保险丝F1，热敏电阻RT，给电阻Cl，C2, C3充电，充电后流过电感LI，Dl后给芯片供电，芯片开始启动，启动后打开MOS管，电阻Rl，R2检测到MOS管开通后的电流，反馈回芯片内部进行比较，从而增大输出占空比，提高输出电压，使输出电压达到12V，输出12V电压经过C6，C7，CS后经过图中的J2端子输出，输出的12V电压输出到二级保护线路模块的Jl端口。参见图3，Jl端子连接升压模块的输出电压，当二级保护线路的输出电流小于保护电流时，Q13的G极由于受隔直电容C13隔离，Q13的G极电压低于S极电压，Q13导通，产生输出；当输出过电流时即输出电流达到1.2A时，R12和R12A上的电压变为0.05V，Ul 1C, Ul IB, Ul ID将R12和R12A上的电压进行放大，放大后的电压经过Ul IB进行输出，输出的电压与Dll 二级管正向导通压降O. 6V基准电压进行比较，U12A的正端电压高于负端电压，U12A产生一个高电平信号使Qll导通，C12和R120吸收Qll瞬间导通时尖峰电压，Qll导通后Rl 17和Rl 18产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭，Q13在关闭的时候会产生一个反向尖峰电压，C14，R122用来吸收尖峰电压。当输入电压超过12. 6V，此时在Rlll和R112上的分压超过Dll 二级管顺向导通电压O. 6V的基准电压时，U12B的负端电压高于正端电压，U12B的输出产生一个低电压，低电压同时导致，D12的正极产生一个低电压，会使R117和R118产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭。当线路的正负极做火花短路时，因为有电感LI的抑制电流瞬间变化的功能，所以正负接触时火花较小，因为电感电流不能突变，就会在电感上产生顺向电动势，Cll和R124用来吸收顺向电动势的尖峰电压，当正负极接触后，R12，R12A上的电压降增加，产生的电压降经过Ull进行放大，放大后的电压超过O. 5V基准电压，产生一个高电平信号使Qll导通，C12和R120吸收Qll瞬间导通时尖峰电压，Qll导通后R117和R118产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭，Q13在关闭的时候会产生一个反向尖峰电压，C14，R122用来吸收尖峰电压。相同的原理作用于另一级电路。此部分举例说明在使用IA电流进行保护时的工作原理。第二个为二级保护，此二级保护与以往的二级保护的区别在于是将采集信号的电阻放置在电源的负极(或者也称为地线)上，将采集到的小电压进行放大，放大的电压与二极管上的正极电压进行比较，通过比较器控制I个N-MOS和2个P-MOS的导通与关断，并增加一个电感，在电感上增加RC电路，用来吸收电感上的尖峰电压，在PMOS的D极增加一个瞬态抑制二级管，用以吸收输出端短路过程中在MOS上产生的尖峰电压。二级保护电路如附图3所示。Jl端口的2脚串联连接电阻R122、电容C14、电感LI，LI的另一端连接VCCl ；U11C的正端通过电阻Rll接地，Jl的I脚串联连接电阻R12和R12A，R12A的另一端连接Voutl，同时通过电阻R13连接到UllD的正端，UlIC和UllD的负端通过电阻R15连接；U11C的输出端和负端之间通过电阻R14连接；U11D的输出端和负端之间通过电阻R16连接；U11C的输出端通过电阻R17连接到UllB的负端；U11D的输出端通过电阻R18连接到UllB的正端；U11B的输出端和负端之间通过电阻R19连接；U11B的输出端连接到U12A的正端；U12A的负端连接到U12B的正端，同时连接到电阻Rl 13和二极管Dll的正极，DlI的负极接地，Rl 13的另一端连接到Jl端口的2脚；U12B的负端连接到Rlll和R112的中间，Rlll的另一端连接到Jl端口的2脚，R112的另一端接地；U121的输出端通过Rl 14连接到Jl端口的2脚；U12A的输出端通过Rl 15连接到Jl端口的2脚；U12A的输出端通过R116连接到MOS管Qll的栅极G，U12A的输出端同时连接二极管D13的负极，D13的正极连接到MOS管Qll的栅极；U12B的输出端连接二极管D12的负极，D12的正极连接到MOS管Qll的漏极；Q11的源极接地；Q11的漏极串联连接电容C12和电阻R120后接地；Q11的漏极串联连接电阻R118和R117后连接到Jl端口的2脚；R117和R118中间的节点通过电阻Rl 19连接到MOS管Q12的栅极；Q12的源极连接到Jl端口的2脚，漏极连接到MOS管Q13的栅极，同时通过电阻R123接地；Q13的源极连接到Jl端口的2脚，同时连接电容C13的一端，C13的另一端连接电阻R121的一端和齐纳二极管ZDll的负极，R权I的另一端连接Q13的漏极，ZDll的正极接地；Q13的漏极连接C14和LI中间的节点，同时串联连接电阻R124和电容Cll，然后连接到VCCl ;VCC1连接电阻R125的一端和二极管D14的负极，R125的另一端和D14的正极连接到Voutl。二级保护电路的另一部分与上述电路类似，在此不在赘述。按照图3，当输出电流小于保护电流时，Q13的G极由于受隔直电容C13隔离，Q13的G极电压低于S极电压，Q13导通，产生输出；当输出过电流时U11C，U11B，U11D三部分将电压进行放大，放大后的电压经过UllB进行输出，输出的电压与Dll 二级管正向导通压降O. 6V基准电压进行比较，U12A的正端电压高于负端电压，U12A产生一个高电平信号使Qll导通，C12和R120吸收Qll瞬间导通时尖峰电压，Qll导通后R117和R118产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭，Q13在关闭的时候会产生一个反向尖峰电压，C14，R122用来吸收尖峰电压。过电压保护当输入电压在Rlll和R112上的分压超过Dll 二级管顺向导通电压O. 6V的基准电压时，U12B的负端电压高于正端电压，U12B的输出产生一个低电压，低电压同时导致D12的正极产生一个低电压，会使Rl 17和Rl 18产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭。当线路的正负极做火花短路时，因为有电感LI的抑制电流瞬间变化的功能，所以正负接触时火花较小，因为电感电流不能突变，就会在电感上产生顺向电动势，Cll和R124用来吸收顺向电动势的尖峰电压，当正负极接触后，R12，R12A上的电压降增加，产生的电压降经过U11C，U11B，U11D进行放大，放大后的电压经过UllB进行输出，输出的电压与Dll 二级管正向导通压降O. 6V基准电压进行比较，U12A的正端电压高于负端电压，U12A产生一个高电平信号使Qll导通，C12和R120吸收Qll瞬间导通时尖峰电压，Qll导通后R117和R118产生分压，将Q12的G极电压降低，使MOS管Q12导通，导通的Q12促使Q13的G极和S极的电位相同，Q13关闭，Q13在关闭的时候会产生一个反向尖峰电压，C14，R122用来吸收尖峰电压。相同的原理作用于另一级电路。这2级电路是相同的，因为是2级电路，第一级的地和第二级的地是分开的，Voutl只是一个标号,所有的Voutl连接到一起。通过该电路图并绘制成实际的电路板后，通过锂电池3. 7V电压成功转为12V的直流电压，输出电流O. 6A;二级保护板可以启动工作，工作保护电流为1A，过电压保护为
12.5V，产品经过数万次的火花实验，并未出现不良现象。因为煤矿生产的特殊性，要求煤矿下的产品在发生短路时或者当线路上的接触点发生脱落时，在不切断外部供电的情况下可以，可以直接将负载产品连接到电源的输出端，并要求不能产生火花，或者产生的火花不能引爆周围的气体；而且煤矿要求产品里面的保护是二级保护，当第一级保护失效后，第二级保护可以继续起作用，此二级保护可以应用于煤矿等含有甲烷气体的环境中。虽然已在具体实施方案中描述了本发明的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本发明的实施方案，并且本发明的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。本发明的每个实施例都可以与其它的实施例中的器件相互进行组合，而不是孤立的、单一的实施例，所有实施例之间都可以相互融合而形成新的实施例或者不同的解决方案。虽然本发明已经详细的示出并描述了一个相关且特定的实施范例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求保护的范围。
权利要求
1.一种矿用本安锂电池供电系统，其特征在于，所述矿用本安锂电池供电系统包括: 锂电池及其保护模块，由锂电池和充放电保护模块组成，用于保护锂电池过冲电，保护锂电池过放电，并且在锂电池的温度超过危险温度时，对锂电池断电； 升压模块，用于将锂电池的3.7V电压转换为负载所需的12V电压，并输出到二级保护线路模块； 二级保护线路模块，由两个相同的部分组成，每一部分包括输出过电压保护和输出过电流保护。
2.如权利要求1中的矿用本安锂电池供电系统，其特征在于: 在锂电池及其保护模块中，通过晶体管开关的关闭和打开，实现锂电池在过充电、过放电以及温度过高时，对锂电池断电，从而防止锂电池的过冲、过放以及超过危险温度。
3.如权利要求1中的矿用本安锂电池供电系统，其特征在于: 升压电路使用MAX17 71芯片作为主控芯片，直接将低电压转换为12V电压，驱动2个MOS管产生12V的电压。
4.如权利要求1中的矿用本安锂电池供电系统，其特征在于: 采用新的二级保护电路，将过电流保护电阻放置在电源产品的负极端，先将过电流保护电阻上采集的电压进行放大，放大后的过电流保护电阻电压和基准电压进行比较，从而使得电源端到设备端的导线可以使用较长的导线。
全文摘要
为了解决现有技术中电源无法为距离较长的设备提供稳定电力的问题。本发明提出了一种矿用本安锂电池供电系统，包括锂电池及其保护模块，由锂电池和充放电保护模块组成，用于保护锂电池过冲电，保护锂电池过放电，并且在锂电池的温度超过危险温度时，对锂电池断电；升压模块，用于将锂电池的3.7V电压转换为负载所需的12V电压，并输出到二级保护线路模块；二级保护线路模块，由两个相同的部分组成，每一部分包括输出过电压保护和输出过电流保护。本发明采用新的二级保护电路，将过电流保护电阻放置在电源产品的负极端，先将过电流保护电阻上采集的电压进行放大，放大后的过电流保护电阻电压和基准进行比较，因为采用较小的过电流保护电阻，过电流保护电阻一般是毫欧级的电阻，所以线路上电阻的电压降就小，这样从电源端到设备端的导线就可以使用较长的导线了。
文档编号H02H7/18GK103078300SQ20121058775
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者贾华忠, 张经, 张泽忠, 高波 申请人:山西科达自控工程技术有限公司