专利名称：本质安全型蓄电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种本质安全型蓄电池，适合作为含有爆炸性混合物环境中各类矿灯和仪器的安全型直流电源。
蓄电池如铅酸蓄电池或镍镉蓄电池等，由于其内阻极小，短路电流极大，可达几十安培，一般不允许直接在矿井等含有爆炸性混合物环境中使用，以免发生燃爆等危险。传统的处理方法是在蓄电池或电池的输出端埋封限流电阻，使之满足安全要求，但其主要缺点是电阻降压能源损失大、电源效率低、电源负载特性恶化，限流电阻的容量偏大等，以矿灯蓄电池为例，如采用传统方法，应埋封1Ω阻值的限流电阻，额定功耗应为36W，电能损失达14％。
本实用新型的目的是将各种非安全型矿灯蓄电池或电池改造为本质安全型蓄电池或电池。
本实用新型提出的本质安全型蓄电池是在已有蓄电池内连接本质安全装置，本质安全装置由超低压降电子开关快速短路保护电路，反馈启动电路，过载限流电路和反向充电及限流断路电路构成。
超低压降电子开关快速短路保护电路由三极管T1、电阻R8、三极管T3、电阻R6、R7、R4、稳压二极管D3构成，其中开关管T1是由两个以上三极管并联构成，旨在降低开关压降。电路的连接关系是三极管T1和发射极e1经熔断丝FS接蓄电池正极、其集电极C1接负载的正极，电阻R8的一端接T1的发射极e1，另一端接T1的基极b1，三极管T2的发射极e2接三极管T1的基极b1，其集电极C2经负载电阻R8接负载负极，其基极b2经基极电阻R1和恒流二极管D4接到三极管T3的集电极C3；三极管T3的发射极e3接负载负极，电阻R4一端接负载正极，另一端接在三极管T3基极电阻R6和R7之间，电阻R7经稳压二极管D3接负载负极。该电路的工作原理是取经电阻分压后的负载电压作为三极管T3控制偏压，经驱动管T2控制开关管T1，一旦负载发生短路，负载电压为零，T3失去足够的导通偏压即行截止，致使T1、T2完全关断，起到短路快速保护作用，此外，由于开关管T1是由两个以上的三极管并联构成，如果蓄电池供给1A负载电流时，则T1的开关压降可减小到60mV以下，开关损耗仅为几十毫瓦，因为无需作散热处理。电阻R8可减小T1穿透电流的影响。
反馈启动电路由三极管T3及其基极偏压电路构成，R5、D3和R7组成一路几乎不受电源电压波动影响的稳定偏置；R3和R4组成一路常偏置，这路偏置又反映负载电压的变动，两路偏置混合后经R6对T3加载，完成电路在负载非短路状态下的电路启动功能。
过载限流电路由T2和D4组成，D4是恒流二极管，连接在三极管T2的基极b2与三极管T3的集电极C3之间，使T2偏流相对恒定，使T1供给受到限制的负载电流。
反向充电及限流断路电路由二极管D1、D2和熔断丝FS构成，两个二极管D1和D2串连连接，其正极接负载正极，其负极经一熔断丝接蓄电池正极。
为了确保本质安全蓄电池的可靠性，可采用电路完全相同的两个本质安全装置，构成双重化保护。
本实用新型提出的本质安全型蓄电池具有超低压降、快速保护、自动恢复、过载限流和效率高等特点，特别适合用于煤矿矿灯电源。
图1本质安全装置电路图。
以下结合附图用实施例对本实用新型做进一步的描述本实用新型提出的本质安全型蓄电池由普通蓄电池和本质安全装置构成，两者胶封成一体。本质安全装置由超低压降电子开关快速短路保护电路、反馈启动电路，过载限流电路和反向充电及限流断路电路构成，如图1所示。
超低压降电子开关短路快速保护电路由三极管T1、电阻R8、三极管T2、电阻R1、R2、三极管T3、电阻R6、R7、R4和稳压二极管D3构成，其中T1是由三个TIP42大功率开关三极管并联构成，即三个三极管的基极接在一起，集电极接在一起，发射极接在一起。电路的连接关系是三极管T1的发射极e1经熔断丝FS接蓄电池正极、其集电极C1接负载的正极，电阻R8的一端接T1的发射极e1，另一端接T1的基极b1；三极管T2的发射极e2接三极管T1的基极b1，其集电极C2经负载电阻R2接负载负极，其基极b2经基极电阻R1和恒流二极管D4接到三极管T3的集电极C3；三极管T3的发射极e3接负载负极，电阻R4一端接负载正极，另一端接在三极管T3基极电阻R6和R7之间，电阻R7经稳压二极管D3接负载负极。
反馈启动电路由三极管T3及其基极偏压电路构成，R5、D3和R7组成一路稳定偏置，R3和R4组成另一路常偏置，两路偏置混合后经R6对T3加载，其中电阻R3一端接三极管T1的发射极e1，另一端接集电极C1，电阻R5的一端接三极管T1的发射极e1，另一端经稳压二极管D3接负载负极。
过载限流电路由驱动管T2和恒流二极管D4组成，D4连接在三极管T2的基极b2与三极管T3的集电极C3之间。
反向充电及限流断路电路由两个串联二极管D1、D2和一熔断丝FS构成，二极管的正极接负载正极，二极管的负极经熔断丝FS接蓄电池正极。
下面以对矿灯灯泡负载供电为实例，参照附图1，分析其工作状态1、原始参数矿灯蓄电池额定电压 EH＝4，额定容量WH＝7AH电池电压波动范围E＝3.8～4.3矿灯灯泡额定电流 IL＝0.7A矿灯灯丝热阻 RH＝5.7Ω矿灯灯丝冷阻 RC＝0.7Ω2、灯泡冷态起动工作状态分析蓄电池经R3和灯丝RC构成回路，仅提供微弱的起动电流IQ，在灯丝上形成起动压降UQ。蓄电池经R5和D3构成稳压电路，在D3上获得稳定电压UZ＝2.5V。该稳定电压UZ和起动压降UQ混合作用到R4和R7的连结点上，获得T3的偏置电压UT3。UT3与R4成正比，根据具体选用的晶体管T3的参数，可对R4作一次性调整，使UT3略大于T3发射结的开启电压(一般硅管为0.45～0.55V)，引起T3产生很微小的发射结电流Ib3，又经T3、T2和T1逐级放大，总的放大倍数为hfe即3级晶体管放大倍数的乘积，因而使T1开始导通。这个导通电流流经灯泡灯丝，使IQ获得增量，即U2增加，从而增强了U2对T3的偏流供给作用，UT3增加，使Ib3增加。这样，T1、T2、T3进入正反馈状态，灯丝电流不断增加，灯丝不断加热，灯丝由冷阻态过渡到热阻状态，灯丝电阻逐渐增大也加速了反馈过程，使T1和T2很快进入饱和导通状态，完成灯丝0.7A的正常供电和燃亮。
本例中，IQ＝ (EH)/(R3) ＝114mAUQ＝IQ·RC≈80mVUT3＝ ((UZ- UO))/(R4+ R7) ·R4＝468mV＞0.45V(如计入灯电缆接线电阻0.1Ω，更易起动)3、灯泡正常照明工作状态分析主要分析T1的压降Uce1、功耗P1和电路效率η，考核其实用性。
T1经多管并联结线构成，可在3个TIP42并联情况下获得约54mV的压降，取Uce1＝0.6V，2个保护环节双重化串连连接后，总的工作压降为2Uce1＝0.12V。因此灯泡正常照明获得电压为UZ＝EH－2Uce1＝3.88V电源效率 η＝UL／EH＝97％ T1的功耗 P1＝Uce1·IL＝42mwT1的功耗很小，例中T1采用大功率塑封功率开关管，管芯永远在小功耗状态(＜42mw)下工作，无需任何散热设计，且适用于集成工艺。
4、负载短路保护工作状态分析负载短路时，UQ＝0，可计算T3管的偏置电压UT3＝ (UZ)/(R4+ R7) ·R4≈0.4V＜0.45V由于UT3小于T3管发射结的开启电压，T3完全截止，致使T1、T2完全关断。
由于R8的接线方式，减弱了T1的穿透电流，使之几乎为0，可忽略不计。
此时，短路状态时负载短路电流IS＝ (EH)/(R3) ＝117mA－IH这个电流远小于正常供电时的额定电流，显然是十分安全的。
由于矿灯蓄电池额定容量WH＝7AH可计算短路不排除时允许最长短路时间Ts＝ (WH)/(IS) ≈60小时＞14小时一般矿灯蓄电池只要求在井下工作14个小时，即返回矿灯房进行充电检查，因而是实用合理的。
5、电路限流性能分析实施例中，D4选用2DH3B，稳定电流Iz＝0.5mA，T1能供出的最大电流Icm＝hfe1·hfez·Iz，例中hfe1＝80，hfe2＝50，ICM＝2A即使短路保护失效，T1能供出的最大电流被限制在2A以内。根据电火花安全曲线，对4V电源，纯阻负载条件，安全电流不大于4A，就不足以引燃瓦斯。
结论ICM＜4A是充分安全的。
6、电源电压波动分析实施例中，D3选用TL431，稳定电压Uz为2.5V，使电源电压从3～6V变化，实测Uz不变，即UT3不变，电路参数基本不变。
结论蓄电池无论在刚充完电或放电终了的末期，蓄电池电压在3.8～4.3V范围内变化时，完全不影响电路正常工作。
7、充电工作状态分析负载端改接矿灯房的充电电源时，从附图1显而易见，充电电流经D1、D2和FS对蓄电池构成充电通路，使蓄电池获得正常充电效果，对充电电源而言，保护电路所引起的最大旁路电流即流过D3的稳定电流Iz＝ (E充- UZ)/(R5) ＜10mA，无需对原有充电电源进行改造，是实用合理的。
8、双重化保护的分析由于电路由2个完全相同的保护环节构成双重化保护提高了保护的可靠性。万一其中任一环节发生故障如T1管短路，另一个环节仍起保护作用，且由于D3的稳压作用，即使在上述故障状态下，电路工作参数不变。
9、FS的断流作用在特殊情况下，假设两个保护环节均发生T1管的短路故障，同时以发生负载短路，将造成矿灯蓄电池的短路电流可达几十安培，此时FS将起断流保护作用，一般取FS熔断电流为3～4倍额定工作电流，本例中取＞4IH＝2.8A即3A普通熔丝。FS为半永久性元件，即正常工作时一般不会熔断，一旦熔断必将件随电路内部故障同时发生，因此FS可采取胶封一体工艺处理。
10、装配好的本质安全型蓄电池漏电流的分析装配好的本质安全型蓄电池脱离充电状态后，有可能处于储存状态，但不允许长期储存(任何蓄电池均不允许长期储存)。可计算在矿灯灯泡关断状态下蓄电池对保护电路的漏电流ILK＝ (EH- UZ)/(RS) ＝3.8mA，对7AH蓄电池，其储存期T＝ (WH)/(ILK) ＝184小时，即装配好的本质安全型畜电池在充电后不使用，在储存7～8天后必须重新充电。结合矿井现场情况，一般不允许领出的矿灯经历如此长时间不使用也不返回矿灯房重复充电，因此是实用合理的。
权利要求1.一种本质安全型蓄电池，其特征在于(1)蓄电池内部具有本质安全装置，本质安全装置由超低压降电子快速短路保护电路、反馈启动电路、过载限流电路、反向充电及限流断路电路构成；(2)超低压降电子开关短路快速保护电路由三极管T1、电阻R8、三极管T2、电阻R1、R2、三极管T3、电阻R4、R7、R6和稳压二极管D3构成，电路的连接关系是三极管T1的发射极e1经熔断丝FS接蓄电池正极，其集电极C1接负载的正极，电阻R8的一端接T1的发射极e1，另一端接T1的基极b1，三极管T2的发射极e2接三极管T1的基极b1，其集电极C2经负载电阻R2接负载的负极，其基极b2经基极电阻R1的和恒流二极管D4接到三极管T3的集电极C3，三极管T3的发射极e3接负载的负极，电阻R4一端接负载的正极，另一端接在三极管T3基极电阻R6和R7之间，电阻R7经稳压二极管D3接负载的负极；(3)三极管T1是由两个以上三极管并联构成，即多个三极管的基极接在一起，发射极接在一起，集电极接在一起；(4)反馈启动电路由三极管T3及其基极偏压电路构成，电阻R5、稳压二极管D3和电阻R7组成T3的一路稳定偏置，电阻R3、R4组成T3的另一组常偏置，两路偏置混合后经R6对T3加载，电阻R3一端接三极管T1的发射极e1，另一端接T1的集电极C1，电阻R5的一端接三极管T1的发射极e1，另一端经稳压二极管D3接负载的负极；(5)过载限流电路由驱动管T2和恒流二极管D4构成；(6)反向充电及限流断路电路由两个串联二极管D1、D2和一熔断丝FS构成，二极管的正极接负载的正极，二极管的负极经一熔断丝接蓄电池正极。
专利摘要本实用新型所解决的问题是将各种非安全型蓄电池改造为本质安全型蓄电池，发明的主要技术特征是采用了特殊设计的超低压降电子开关快速短路保护电路和自恢复电路，使蓄电池在负载短路时的输出能量受到限制，并符合GB3836、4-83所规定的本质安全型电路输出的技术要求。本实用新型适合于矿井、石油、化工等易燃易爆环境中使用的各种类型蓄电池，尤其适用于煤矿矿灯电源。
文档编号H02H7/18GK2074509SQ90217599
公开日1991年4月3日 申请日期1990年8月11日 优先权日1990年8月11日
发明者肖公亮 申请人:肖公亮