一种远控式隔爆兼本安型不间断供电电源的制作方法

本实用新型涉及一种不间断供电电源，特别是一种适用于煤矿井下使用的远控式隔爆兼本安型不间断供电电源。

背景技术：

随着煤炭行业的发展和矿山设备技术的进步，煤矿设备自动化、智能化程度的不断提高。然而由于煤矿井下条件恶劣，由灾害及事故所导致的局部停电时有发生，为保障煤矿井下通信、监控、照明、风机、紧急避险等设施的正常运行，除了需要电厂双路供电外，还需要使用后备电源进行供电。

目前对煤矿井下后备电源的研究主要是单组电池组为设备供电，而在实际使用时存在以下问题：1)后备电源电池组容量小，供电时间短，外部供电断电后，通过锂电池组无法提供长时间供电；2)输出功率小，无法为多台大功率用电设备同时供电；3)煤矿井下后备电源布置地点分散，无法进行统一监控管理。为解决以上问题，采用增加电池数量的方式，增大后备供电电源的容量与输出功率。但随着电池数量的增加，也将对电池管理系统以及电压均衡技术提出新的要求。本实用新型设计一种并联式不间断供电电源，不仅为负载设备提供大功率、长时间的后备供电，还对电池组间电压进行均衡。另外本实用新型设计可控本安输出以及在线远程控制功能，实现对电池组的远程统一管理，保障不间断供电电源能够安全稳定的工作，在煤矿行业中具有良好的可行性与广阔的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种适合煤矿井下使用的一种远控式隔爆兼本安型不间断供电电源，以期实现煤矿外部供电断电时，能够通过不间断供电电源为井下设备提供长时间、大功率的不间断供电。不间断供电电源将电池组并联进行放电，提供127V交流供电与12V本安直流供电，通过电池管理系统主板控制电池组间电压均衡，电池管理系统子板控制电池组内部单体电池间电压均衡，并可以通过上位机远程监控各个电池组的工作状态，保障煤矿井下不间断供电电源稳定安全的运行。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种远控式隔爆兼本安型不间断供电电源，包括隔爆腔以及设置于隔爆腔内的电池管理系统主板、供电设备、静态转换开关、逆变器、AC-DC转换模块、DC-DC转换模块和本安模块；所述电池管理系统主板与供电设备连接；所述供电设备并联设置多组，分别包括电池管理系统子板、锂电池组和充放电控制模块，所述充放电控制模块和电池管理系统子板分别与锂电池组连接；所述充放电控制模块包括充电器、充电直流接触器、放电直流接触器和霍尔电流传感器；所述隔爆腔设有输入端与输出端，外部供电连接到隔爆腔的输入端分成三路，其中一路接到静态转换开关再接到隔爆腔的输出端，输出AC127V；另一路接到AC-DC转换模块输入端，AC-DC转换模块输出端经过二极管D1连接到电池管理系统主板和每个电池管理系统子板，为主板与子板提供DC24V供电；还有一路连接到每个供电设备的充电器输入端，充电器输出经过充电直流接触器连接到相应锂电池组，对锂电池组充电；每个锂电池组输出连接到放电直流接触器，然后通过霍尔电流传感器连接到逆变器直流输入端，而逆变器输出端连接到静态转换开关，实现逆变输出AC127V，同时接到本安模块上转换为DC12V输出；另外逆变器直流输入端连接到DC-DC转换模块输入端，DC-DC转换模块输出端经过二极管D2连接到电池管理系统主板与每个电池管理系统子板，为电池管理系统提供后备供电。

所述电池管理系统主板包括微控制器、存储芯片、以太网模块、CAN总线模块以及显示模块，电池管理系统主板通过CAN总线与每个电池管理系统子板相连接；电池管理系统子板将采集的数据通过CAN总线上传到BMS主板，BMS主板通过微控制器将上传的数据存入存储芯片，并根据接收的锂电池组信息，判断各锂电池组间是否进行电压均衡；若锂电池组间压差过大，将会在电池组充电或放电时对电压进行均衡，充电时，电池管理系统主板向电池管理系统子板发送控制命令，断开电压最大的锂电池组的充电开关；放电时电池管理系统子板将控制断开电压最小的锂电池组的放电开关；当锂电池组间压差在正常范围值时，停止均衡。

所述电池管理系统子板由微控制器、电池管理芯片、均衡保护模块、电流采集模块、温度采集模块、CAN总线模块组成；所述微控制器通过SPI总线与电池管理芯片连接，电池管理芯片与均衡保护模块相连，并通过电压采集线连接到锂电子池组的每个单体电池的极耳处；均衡保护模块使用MOS管作为均衡开关，将放电电阻与每个单体电池并联；电池管理芯片检测每个单体电池电压信息，若单体电池间压差过大，将闭合均衡开关，通过放电电阻对电压过高的电池进行被动放电均衡；另外，微控制器通过电流采集模块与霍尔电流传感器相连，锂电池组输出线穿过霍尔电流传感器，以此检测锂电池组的放电电流；温度采集模块接在单体电池极耳处，检测电池的温度信息；不间断供电电源在工作过程中若出现过温、过流异常状态，微控制器将控制报警模块进行报警，异常严重时，微控制器将断开放电开关停止放电。

所述电池管理系统主板通过以太网模块接入井下以太环网，通过以太环网接入井上监控室的上位机中，电池管理系统主板将不间断供电电源信息实时传输到井上上位机，通过上位机软件可以远程实时监控井下后备电源。同时，上位机软件可设置井下电源设备的相关参数(例如：过充保护值、过温保护值、均衡启动电压、均衡关闭电压等)，然后通过以太网与电池管理系统主板进行远程通信，电池管理系统主板接收设置信息后存储并通过CAN总线发送给电池管理系统子板，电池管理系统子板根据接收的信息实施相应的控制动作，实现对井下不间断供电电源的远程控制。

不间断供电电源具有四路可控本安输出，本安模块由交直流转换电路、稳压电路、过流保护电路组成。输入端输入AC127V经过交直流转换、稳压与过流保护输出稳定的DC12V。另外，每路本安模块都连接一个可控硅开关，可控硅开关通过控制线与电池管理系统主板相连，电池管理系统主板通过控制可控硅开关，从而控制每一路本安模块是否输出供电。

有益效果：本实用新型一种远控式隔爆兼本安型不间断供电电源，不间断供电电源采用多个电池组并联式结构，电池组内部每节单体电池进行串联。当煤矿外部供电断电时，能够通过不间断供电电源为井下设备提供长时间，大功率的不间断供电。电池管理系统主板通过CAN总线与每个电池管理系统子板相连，实现集中式控制。电池管理系统主板根据电池管理系统子板上传的电池信息控制电池组间电压均衡，电池管理系统子板控制单体电池间电压均衡，使得电池间压差控制在安全范围内。同时，电池管理系统子板将采集电池组电流与温度信息，在出现过流、过温等异常状态时，断开充电开关或放电开关进行保护。另外，电池管理系统主板通过井下以太环网将电池数据上传至井上PC上位机，通过电池管理系统上位机软件可远程监控每个电池组的运行状态，并可以远程设置供电设备的相关参数信息，易于工作人员远程控制，保障不间断供电电源安全稳定的运行。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图。

图2为本实用新型的本安模块原理图。

图3为本实用新型所涉及的电池管理系统主板结构框图。

图4为本实用新型所涉及的电池管理系统子板结构框图。

图5为本实用新型所涉及的电池管理系统主板控制电池组电压均衡流程图。

图6为本实用新型所涉及的电池管理系统子板控制单体电池电压均衡流程图。

图7为本实用新型所涉及的井下应用实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方法作进一步的说明：

如图1所示，一种远控式隔爆兼本安型不间断供电电源，包括隔爆腔、电池管理系统BMS主板、多台供电设备(具体数量可根据负载功率设置)、逆变器、静态转换开关、AC-DC转换模块、DC-DC转换模块以及四路可控本安输出。供电设备包括电池管理系统BMS子板、锂电池组与充放电控制模块。每个锂电池组由16节单体锂电池串联组成，充放电控制模块作用是控制电池充放电状态，由直流接触器、二极管、充电器以及霍尔电流传感器组成，直流接触器作为供电设备的充电开关J1与放电开关J2。隔爆腔分别设有输入端与输出端，外部供电连接到隔爆腔的输入端分成三路，一路接到静态转换开关再接到输出端，输出AC127V；另一路接到AC-DC模块输入端，AC-DC输出端经过二极管D1连接到BMS主板与每个BMS子板，为主板与子板提供DC24V供电；还有一路连接到每个供电设备的充电器输入端，充电器输出经过充电直流接触器连接到相应锂电池组，对锂电池组充电。每个锂电池组输出连接到放电直流接触器，然后通过霍尔电流传感器连接到逆变器直流输入端，而逆变器输出端连接到静态转换开关，实现逆变输出AC127V与本安输出DC12V。另外逆变器直流输入端连接到DC-DC转换模块输入端，DC-DC输出端经过二极管D2连接到BMS主板与每个BMS子板，为BMS内部提供后备供电。当外部供电有电时，输入端输入AC127V通过静态转换开关输出AC127V对负载供电，以及通过本安模块输出DC12V，另外若电池组电量不足，将对所有电池组同时充电；当外部供电断电时，将切换到不间断供电电源供电，供电电源中所有电池组同时放电，通过逆变器将直流电转换为AC127V，并通过本安模块输出DC12V为负载供电。

如图2所示，本安模块包括交直流转换电路、稳压电路、过流保护电路。输入端输入AC127V，首先经过变压器、整流桥，以及电容C1进行变压整流滤波，将电压转换为DC24V。然后接入到稳压电路LM317芯片上，通过电阻R1与R2的调节，输出稳定的DC12V电压与1.5A的输出电流。最后通过过流保护电路进行输出保护，当输出端电流过大或短路时，电流经过电阻R7使得LM393电压比较器的反向输入端电压升高，经过电阻R4使得LM393正向输入端电压降低，此时LM393输出端OUT输出低电平，使电阻R1对地短路。根据LM317输出电压计算公式可知，LM317输出端输出电压为1.25V，因此对电路形成保护作用。同时使用两个12V稳压管D5、D6对输出电压进行双重保护，防止电压以外增大，输出稳定的DC12V。

如图3所示，BMS主板包括微控制器、存储器、以太网模块、CAN总线模块以及显示模块。微控制器采用STM32F107芯片，存储器采用SD卡存储数据。BMS主板使用CAN总线与每个BMS子板相连接。BMS子板将采集的数据通过CAN总线上传到BMS主板，微控制器通过SPI总线将数据写入SD卡中，然后通过以太网模块将数据上传到煤矿井上上位机软件。

如图4所示，BMS子板由微控制器、电池管理芯片、均衡保护模块、电流采集模块、温度采集模块、CAN总线模块、报警保护模块组成。电池管理芯片使用LTC6803芯片，微控制器通过SPI总线与电池管理芯片连接，电池管理芯片与均衡保护模块相连，并通过电压采集线连接到每个单体电池的极耳处。均衡电路使用MOS管作为均衡开关，将放电电阻与每个单体电池并联。电池管理芯片检测每个单体电池电压信息，对电池工作过程中出现的过压、压差过大等异常状态，将通过均衡保护模块对电压过高的电池进行被动放电均衡。另外，微控制器通过电流采集模块与霍尔电流传感器相连，电池组输出线穿过电流传感器，以此检测电池组的放电电流。温度采集模块使用热敏电阻接在单体电池极耳处，检测电池的温度信息，若出现过温、过流等异常状态，微控制器将控制报警模块进行报警，异常严重时，微控制器将断开放电开关停止放电。

如图5所示，BMS主板控制电池组间电压均衡，均衡发生在不间断供电电源充电或放电过程中。不间断供电电源工作时，首先要设置电池组间均衡启动压差V_open与均衡关闭压差V_close，然后实时计算电池组中最大电压与最小电压之差v。当不间断供电电源放电时，判断压差v是否大于V_open，若大于则断开电压最小的电池组的放电开关，直到压差v小于V_close时，闭合该电池组放电开关恢复正常放电。当不间断供电电源充电时，判断压差v是否大于V_open，若大于则断开电压最大的电池组的充电开关，直到压差v小于V_close时，闭合该电池组充电开关恢复正常充电。

如图6所示，BMS子板控制电池组中单体电池间电压均衡，均衡发生在电池组充电与静置过程中。同样，在不间断供电电源工作前，首先设置单体电池间均衡启动压差v_open与均衡关闭压差v_close，再由BMS子板找出电压最小的单体电池，电压记为v_min，然后计算出均衡启动值v_start＝v_min+v_open，以及均衡关闭值v_stop＝v_min+v_close。每个单体锂电池都通过电池管理芯片并联一个均衡电阻，使用MOS管作为均衡开关，由电池管理芯片控制MOS管的连通与断开。当电池组处于充电或静置时，判断每节单体电池电压是否大于v_start，若大于则闭合该节电池所连接的均衡开关通过电阻放电，直到电池电压小于v_stop时断开均衡开关，完成单体电池间电压均衡。

实施例

下面结合图7对本实用新型的工作过程作进一步说明。本实用新型设计一种不间断供电电源，特别是一种适用于煤矿井下使用的远控式隔爆兼本安型不间断供电电源。当煤矿外部供电断电时，可以通过井下不间断供电电源为监控、照明、风机等用电设备提供长时间、大功率的不间断供电。供电设备中BMS子板通过数据采集线采集锂电池电压、电流、温度等信息，然后将采集的信息通过CAN总线上传到BMS主板，BMS主板根据上传的电池信息，进行实时的均衡保护。另外，BMS主板将采集的电池信息通过井下以太环网上传到监控室PC上位机中，PC机安装BMS上位机软件，工作人员可通过BMS上位机软件在线远程监控井下不间断供电电源的运行状态，以及电池组的基本信息，并可以远程设置不间断供电电源设备的相关参数信息，易于控制操作。一旦不间断供电电源出现异常状况，工作人员可及时断电检修，保障不间断供电电源在煤矿井下安全稳定的工作。