一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源及其工作方法与流程

本发明涉及爆炸性混合物环境下锂电池电源应用领域，具体涉及一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源及其工作方法。

背景技术：

目前，在爆炸性混合物环境中使用的大功率电池电源多为铅酸电池，铅酸电池存在储能少和体积大等缺陷，并且充电过程中有析氢副反应，严重影响爆炸性混合物环境的安全。随着爆炸性混合物环境中危险混合物监测监控系统和其它用电设备如手持式设备、辅助运输设备等对蓄电池容量的要求越来越大，工业生产趋于选择使用能量更高的锂离子电池。然而电池容量越大，储存的能量越多，影响安全性能的因素也越多，因此对爆炸性混合物环境中锂离子电池的使用提出了更严格的防爆保护要求。目前使用的隔爆兼本安锂离子电源或已申请的专利，大多只具有本安型输出或者非本安型输出，无法同时满足本安系统和非本安系统等多种用电单元的要求，且防爆保护等级不能满足在类似“0”区的危险场所的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源及其工作方法，该防爆锂电池电源包括电源本体和外部保护系统，外部保护系统由本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统构成，电源本体包括防爆电源外壳以及浇封模组；其工作方法为：电池模组通过放电正极、放电负极、充电正极以及充电负极与外部进行充放电，电池管理系统和本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统控制内部可控开关单元的通断，以实现锂电池电源的本安输出。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源，其特征在于所述防爆锂电池电源包括电源本体和外部保护系统，所述电源本体包括防爆电源外壳以及装配在所述防爆电源外壳内部的浇封模组，其中：

所述浇封模组包括电池模组，所述电池模组的正极与放电正极可控开关单元和充电正极可控开关单元电连接，所述电池模组的负极与放电负极可控开关单元和充电负极可控开关单元电连接。

所述放电正极可控开关单元、所述放电负极可控开关单元、所述充电正极可控开关单元和所述充电负极可控开关单元依次经熔断器单元和隔离开关与放电正极、放电负极、充电正极和充电负极对应连接。

所述浇封模组还包括经电池信息采样线路与所述电池模组电连接的电池管理系统，所述电池管理系统的供电正极与电池管理系统供电正极可控开关单元的第一端相连，所述电池管理系统供电正极可控开关单元的第二端与所述电池模组的正极相连，所述电池管理系统的供电负极与电池管理系统供电负极可控开关单元的第一端相连，所述电池管理系统供电负极可控开关单元的第二端与所述电池模组的负极相连；

所述电池管理系统的控制信号分别输出至所述放电正极可控开关单元、所述放电负极可控开关单元、所述充电正极可控开关单元以及所述充电负极可控开关单元，以控制其开通和关断；

所述浇封模组还包括本安电源转换电路，所述本安电源转换电路的输入正极与所述电池模组的正极相连，所述本安电源转换电路的输入负极与所述电池模组的负极相连；

所述外部保护系统包括与所述本安电源转换电路相连的本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统，所述电池管理系统通过通讯线路与所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统连接通讯；

所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统的控制信号分别输出至所述放电正极可控开关单元、放电负极可控开关单元、充电正极可控开关单元、充电负极可控开关单元、电源管理系统供电正极可控开关单元以及电源系统供电负极可控开关单元，以控制其开通和关断。

所述浇封模组还包括安全隔离电路，所述安全隔离电路的输入正极与所述电池模组的正极相连，所述安全隔离电路的输入负极和所述电池模组的负极相连。

所述浇封模组还包括内部保护电路，所述内部保护电路和所述安全隔离电路电连接。

所述防爆电源外壳内部被分隔成浇封腔和隔爆腔；其中，

所述浇封模组装配于所述浇封腔内；

所述隔爆腔内装配有熔断器单元，所述熔断器单元包括连接于所述放电正极可控开关单元与所述放电正极之间的放电正极熔断器、连接于所述放电负极可控开关单元与所述放电负极之间的放电负极熔断器、连接于所述充电正极可控开关单元与所述充电正极之间的充电正极熔断器以及连接于所述充电负极可控开关单元与所述充电负极之间的充电负极熔断器。

所述隔爆腔内还装配有一组四极隔离开关，所述四极隔离开关的第一侧依次连接所述放电正极熔断器、放电负极熔断器、充电正极熔断器以及充电负极熔断器，所述四极隔离开关的第二侧对应连接所述放电正极、所述放电负极、所述充电正极以及所述充电负极。

所述的一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源，其工作方法如下：所述电池模组通过放电正极、放电负极、充电正极以及充电负极与外部进行充放电；所述电池管理系统对所述电池模组进行监测，并控制所述放电正极可控开关单元、所述放电负极可控开关单元、所述充电正极可控开关单元以及所述充电负极可控开关单元的开通和关断；所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统实时检测环境中的危险混合物浓度，并控制所述放电正极可控开关单元、放电负极可控开关单元、充电正极可控开关单元、充电负极可控开关单元、电源管理系统供电正极可控开关单元以及电源系统供电负极可控开关单元的开通和关断。

所述电池模组与外部进行充放电过程中，当线路电流超过所述熔断器单元的阈值时，所述熔断器单元自动熔断以实现对应线路的切断。

在危险混合物浓度不超限的情况下，所述一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源正常工作，实现本安和非本安两种输出，以满足不同设备的供电要求；在危险混合物浓度超限的情况下，所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统直接控制所述放电正极可控开关单元、所述放电负极可控开关单元、所述充电正极可控开关单元以及所述充电负极可控开关单元关断，所述一种多功能防爆锂离子电池电源只能实现本安输出，给所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统供电，且余下系统除了浇封防爆模组内部件外，其他所有裸露导体部分均不带电。

在危险混合物浓度超限的情况下，所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统控制所述电源管理系统供电正极可控开关单元和电源系统供电负极可控开关单元关断，所述电池管理系统失电，进而使所述放电正极可控开关单元、所述放电负极可控开关单元、所述充电正极可控开关单元以及所述充电负极可控开关单元关断，所述一种多功能防爆锂离子电池电源只能实现本安输出，给所述本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统供电，且余下系统除了浇封防爆模组内部件外，其他所有裸露导体部分均不带电。

本发明的优点是：通过采用浇封保护、本安保护和隔爆保护相结合的防爆保护方法、多重电气保护机制以及多种电路隔离方法构成一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源，有效解决了目前由锂电池构成的电源在类似“0”区等危险区域使用的限制，很大程度上拓展了锂离子电池电源在很多具有爆炸性危险混合物环境的工业场所如煤矿井下和石油化工企业生产区域等场所的使用范围。

附图说明

图1为本发明所述的具有两种输出类型的防爆锂电池电源的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1，图中标记1-28分别为：电源本体1、外部保护系统2、防爆电源外壳3、浇封腔4、隔爆腔5、浇封模组6、电池模组7、放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10、充电负极可控开关单元11、熔断器单元12、放电正极熔断器13、放电负极熔断器14、充电正极熔断器15、充电负极熔断器16、四极隔离开关17、放电正极18、放电负极19、充电正极20、充电负极21、电池管理系统22、电池管理系统供电正极可控开关单元23、电池管理系统供电负极可控开关单元24、安全隔离电路25、内部保护电路26、本安电源转换电路27、本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种具有两种输出类型的防爆锂电池电源及其工作方法，该防爆锂电池电源包括电源本体1和外部保护系统2，电源本体1包括防爆电源外壳3以及浇封模组6，外部保护系统2由本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28构成；其工作方法为：电池模组7通过放电正极18、放电负极19、充电正极20以及充电负极21与外部进行充放电，电池管理系统22和本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28控制浇封模组6内部可控开关单元的通断，并配合隔离电路的隔离作用以实现锂电池电源的不同输出类型。

如图1所示，本实施例中防爆锂电池电源包括电源本体1和外部保护系统2，其中电源本体1包括防爆电源外壳3，起到密封防护和防爆作用，防爆电源外壳3的内部空间分隔成浇封腔4和隔爆腔5,浇封腔4内装配有浇封模组6，隔爆腔4内设置有熔断器单元12和四极隔离开关17，其中，浇封模组6采用浇封防爆保护方式可有效阻断所有带电部件与周围环境之间的直接接触，使其在正常运行和认可的过载或认可的故障下不能点燃周围的爆炸性混合物。

如图1所示，浇封模组6包括电池模组7，电池模组7由多节单体锂电池串联组成，以便实现较大的容量以及符合使用需求的电压等级；熔断器单元12包括放电正极熔断器13、放电负极熔断器14、充电正极熔断器15以及充电负极熔断器16，其中电池模组7的正极分别与放电正极可控开关单元8的第一端以及充电正极可控开关单元10的第一端相连，放电正极可控开关单元8的第二端与放电正极熔断器13的第一端相连，放电正极熔断器13的第二端经四极隔离开关17后与放电正极18相连，充电正极可控开关单元10的第二端与充电正极熔断器15的第一端相连，充电正极熔断器15的第二端经四极隔离开关17后与充电正极20相连，电池模组7的供电负极分别与放电负极可控开关单元9的第一端以及充电负极可控开关单元11的第一端相连，放电负极可控开关单元9的第二端与放电负极熔断器14的第一端相连，放电负极熔断器14的第二端经四极隔离开关17后与放电负极19相连，充电负极可控开关单元11的第二端与充电负极熔断器16的第一端相连，充电负极熔断器16的第二端经四极隔离开关17后与充电负极21相连，由此实现电池模组7与外部电路进行充放电；当电池模组7与外部进行充放电过程中，若线路电流超过所述熔断器单元的阈值，则熔断器单元12自动熔断以实现对应线路的切断；此外，在对锂电池电源进行维护操作时，断开四极隔离开关17确保电池模组7不再与外界进行充放电，确保操作安全。

如图1所示，浇封模组6还包括电池管理系统22，电池管理系统22的供电正极与电池管理系统供电正极可控开关单元23的第一端相连，电池管理系统供电正极可控开关单元23的第二端与电池模组7的正极相连，电池管理系统22的供电负极与电池管理系统供电负极可控开关单元24的第一端相连，电池管理系统供电负极可控开关单元24的第二端与电池模组7的负极相连，由此实现电池模组7对电池管理系统22的供电，使其可正常工作；电池管理系统22通过电池信息采样线路与电池模组7相连，以采集电池模组7中所有单体电池的电压、电流和电池表面温度等信息，对电池的状态进行实时监测，并输出相应的控制信号控制放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10以及充电负极可控开关单元11的开通和关断，实现及时的断电保护。

如图1所示，浇封模组6还包括安全隔离电路25，安全隔离电路25的输入正极与电池模组7的正极相连，安全隔离电路25的输入负极与电池模组7的负极相连；安全隔离电路25还与内部保护电路26相连，以起到对电池模组7进行过充、过度放电、过电流及短路等保护。

如图1所示，浇封模组6还包括本安电源转换电路27，其输入正极、输入负极分别与电池模组7的正极、负极对应连接，本安电源转换电路27的转换输出端与外部保护系统2中的本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28相连，以实现电池模组7本安输出供电至本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28，使其可正常工作，并确保防爆的效果；本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28可通过危险混合物传感器检测环境中的危险混合物浓度，并根据检测到的危险混合物浓度输出相应的控制信号控制放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10、充电负极可控开关单元11、电池管理系统供电正极可控开关单元23以及电池管理系统供电负极可控开关单元25的开通或关断，实现及时的断电保护；电池管理系统22可通过通讯线路与本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28进行连接通讯。

如图1所示，本实施例中的放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10、充电负极可控开关单元11、电池管理系统供电正极可控开关单元23以及电池管理系统供电负极可控开关单元24可由单个可控开关元件（如继电器）组成，也可由多个可控开关元件组合构成，或是由可控开关元件与熔断器组合构成。

如图1所示，本实施例中的连接线路在穿过防爆电源外壳3的壳体时，均通过壳体上设置的具有密封功能的引线装置进行连接，浇封模组6内部的连接线路穿出时也通过其上的具有密封功能的引线装置进行连接，以提高其防爆性能。

如图1所示，本实施例中的具有两种输出类型的防爆锂电池电源的工作方法如下：

（1）电池模组7通过放电正极18、放电负极19、充电正极20以及充电负极21与外部进行充放电；

（2）电池模组7通过本安电源转换电路27对本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28进行供电；

（3）电池模组7经电池管理系统供电正极可控开关单元23以及电池管理系统供电负极可控开关单元24对电池管理系统22进行供电，电池管理系统22对电池模组7中的所有单体电池的电压、电流、电池表面温度等信息进行实时监测；

（4）电池模组7与外部进行充放电过程中，当线路电流超过熔断器单元12的阈值时，熔断器单元12自动熔断以实现对应线路的切断；

（5）在对锂电池电源进行维护操作时，手动断开电四极隔离开关17，以确保电池模组7不再对外进行充放电，确保操作安全；

（6）多重电气保护机制的实现：

（6.1）当本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28检测到危险混合物浓度超限时，其能直接控制放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10以及充电负极可控开关单元11关断，此时防爆锂离子电池电源只能实现本安输出，且余下系统除了浇封防爆模组内部组件外，其他所有裸露导体部分均不带电，此为第一重保护机制；

（6.2）当本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28检测到危险混合物浓度超限时，其能与电池管理系统22进行通讯，命令电池管理系统22输出控制信号控制放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10以及充电负极可控开关单元11关断，此时防爆锂离子电池电源只能实现本安输出，且余下系统除了浇封防爆模组内部组件外，其他所有裸露导体部分均不带电，此为第二重保护机制；

（6.3）当本安型危险混合物浓度监测与电源保护系统28检测到危险混合物浓度超限时，其能控制与电池管理系统22相连的电池管理系统供电正极可控开关单元23和电池管理系统供电负极可控开关单元24关断，从而切断电池管理系统22的供电电源，电池管理系统22因失电不再工作，进而使得放电正极可控开关单元8、放电负极可控开关单元9、充电正极可控开关单元10以及充电负极可控开关单元11关断，此时防爆锂离子电池电源只能实现本安输出，且余下系统除了浇封防爆模组内部组件外，其他所有裸露导体部分均不带电，此为第三重保护机制。

本实施例的有益效果是：通过采用浇封保护、本安保护和隔爆保护相结合的防爆保护方法、多重电气保护机制以及多种电路隔离方法构成一种具有两种输出类型的防爆锂离子电池电源，有效解决了目前由锂离子电池构成的电源在类似“0”区等危险区域使用的限制，很大程度上拓展了锂离子电池电源在很多具有爆炸性危险混合物环境的工业场所如煤矿井下和石油化工企业生产区域等场所的使用。