消防通信裝備現(xiàn)場應(yīng)急供電裝置的研究與設(shè)計

公安部沈陽消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

消防通信裝備現(xiàn)場應(yīng)急供電裝置的研究與設(shè)計

公安部沈陽消防研究所 張 磊 隋虎林 劉 濛

【摘要】公安消防部隊在處置重大災(zāi)害事故過程中，往往面臨基礎(chǔ)供電設(shè)施損毀，電力中斷，道路中斷，汽柴油發(fā)電機油料運輸困難等問題，常常導致消防通信設(shè)備無法正常工作，嚴重影響了消防部隊災(zāi)難救援工作的開展。為此，本文設(shè)計了消防通信裝備現(xiàn)場應(yīng)急供電裝置，以期解決重大災(zāi)害事故初期，現(xiàn)場消防通信裝備的應(yīng)急供電問題。

【關(guān)鍵詞】消防；應(yīng)急供電；通信裝備

隨著公安消防部隊在處置地震、洪水等重大災(zāi)害事故時，由于基礎(chǔ)供電設(shè)施損毀，往往導致現(xiàn)場電力中斷，而道路中斷、運輸困難，使得汽柴油發(fā)電機的油料供應(yīng)困難，嚴重影響消防應(yīng)急通信裝備的供電，給消防部隊的指揮和調(diào)度帶來巨大困難。盡管近年來各種供電保障方式逐漸增多，但穩(wěn)定、可靠、便攜并能滿足消防部隊機動需求的通信裝備應(yīng)急電源系統(tǒng)尚不多見。為此，本文結(jié)合我國公安消防部隊災(zāi)害現(xiàn)場應(yīng)急通信保障體系建設(shè)的要求，對現(xiàn)場供電電源系統(tǒng)進行研究和設(shè)計，解決重大災(zāi)害事故現(xiàn)場消防單兵通信裝備和消防通信組網(wǎng)裝備供電難題。

1 消防應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計需求分析

1.1 消防應(yīng)急電源使用場景分析

消防應(yīng)急電源系統(tǒng)通常在以下場景中使用：

（1）基礎(chǔ)通訊、交通、供電等設(shè)施被嚴重破壞，無法短時間內(nèi)恢復的突發(fā)災(zāi)難事件，如汶川、玉樹等地震應(yīng)急救援早期，汽柴油發(fā)電機的油料運輸受到嚴重影響的現(xiàn)場。

（2）在重大災(zāi)害事故現(xiàn)場救援過程中，消防部隊10人以內(nèi)的突擊隊在到達破壞更為嚴重、無公網(wǎng)供電、需要進行通訊保障的地區(qū)的過程中，和到達后開展現(xiàn)場救援時，需要提供單兵通信裝備的應(yīng)急充電保障。

1.2 消防應(yīng)急電源系統(tǒng)主要用途分析

根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場的實際情況，應(yīng)急電源主要用于下述方面：

（1）通信裝備供電保障。包括便攜式衛(wèi)星站、通信基站、短波電臺、超短波電臺等。

（2）辦公電子設(shè)備供電保障。包括筆記本電腦、手機、PDA等設(shè)備的供電保障。

（3）生活供電保障。包括場地、探路、辦公等現(xiàn)場照明、搜救、防蚊蟲等日常生活防護等供電保障。

1.3 應(yīng)急供電裝置研制的關(guān)鍵點

（1）便攜性：最大程度保障電能容量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)體積小、重量輕，并便于攜帶。需設(shè)計可背負或手提裝置。

（2）可靠性：考慮通訊設(shè)備瞬時沖擊電流大，且供電設(shè)備可能在充電儲能同時對外輸出的特性，需要充分考慮極限情況，設(shè)計時留有余量，并設(shè)計完備的充放電策略和故障處理機制；

（3）兼容性：為適應(yīng)應(yīng)急現(xiàn)場的復雜性和多變性，為多種通信設(shè)備提供不同電壓等級、物理接口類型的供電或充電，并為通信裝備的特殊供電接口設(shè)計專用接口。

（4）環(huán)境適應(yīng)性：為適應(yīng)應(yīng)急設(shè)備野外環(huán)境的使用條件，設(shè)計時考慮防水、防塵、防腐、防震的要求。

2 應(yīng)急供電裝置構(gòu)成

綜合考慮需求和設(shè)計要點，為覆蓋產(chǎn)品便攜性、兼容性及可靠性要求，應(yīng)急供電系統(tǒng)具有完備的供電、儲能和電源變換分配功能，并其配置主要包括以下主機和輔助系統(tǒng)兩部分，其中輔助系統(tǒng)含折疊式太陽能板單元、人力發(fā)電單元、儲能單元和接口轉(zhuǎn)換單元，組成框圖見圖1。

（1）主機：即電源變換分配單元，對來自太陽能電池板和人力發(fā)電組件的電壓進行變換，以適應(yīng)儲能組件和外部用電設(shè)備的需求，同時對電能進行分配，實現(xiàn)電能合理調(diào)配，效率最優(yōu)；此外，電源變換分配組件也實現(xiàn)故障保護和處理功能；

（2）折疊式太陽能板單元：可折疊式的太陽能電池，可在有陽光時實現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過接口將電能輸送至電源變換分配組件；

（3）人力發(fā)電單元：由人力腳踏車發(fā)電機和專用整流器組成，將手動機械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)專用整流器整流為直流后，將電能輸送至電源變換分配組件；

（4）儲能單元：主要由高性能鋰電池組成，實現(xiàn)能量存儲，為外部設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電壓；

（5）接口轉(zhuǎn)換單元：將電源變換分配組件的標準接口轉(zhuǎn)換為指定外部設(shè)備接口。

圖1 應(yīng)急供電裝置組成框圖

3 應(yīng)急供電裝置的技術(shù)方案與實現(xiàn)

3.1 主機技術(shù)指標

電源變換分配單元作為整個應(yīng)急系統(tǒng)的控制核心部件，主要實現(xiàn)以下功能：

（1）接收太陽能電池電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級和功率的電源，同時也可變換為儲能單元充電所需電源；

（2）接收人力發(fā)電單元電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級和功率的電源，同時也可變換為儲能單元充電所需電源；

（3）接收儲能單元輸出電能，并變換為外部設(shè)備所需電壓等級和功率的電源；

（4）可利用太陽能、人力電能或外部交流電源實現(xiàn)儲能單元的充電；

（5）對各部分電能進行分配，提高電能利用率，降低損耗，以獲得最優(yōu)效率；

（6）具備故障檢測功能，并設(shè)置故障保護機制；

應(yīng)急供電裝置主機技術(shù)指標見表1。

輸入電壓　12V/220VAC輸出電壓　220VAC/12-48V/5V交流220V輸出功率　500W DC 12V輸出　2路 DC12V 2A 24W×2 DC12-48V輸出　1路DC12-48V /24-96W DC5V輸出　2路 DC5V 1A 5W×2 2路 DC5V 2A 10W×2配套電池　DC12V 10AH欠壓指示　　有過流指示　　有充電指示　　有外形尺寸（mm）　160*160*300主機凈重（Kg）　15

3.2 輔助系統(tǒng)技術(shù)指標

綜合考慮便攜性和功率搭配，選取120W折疊太陽能板，可根據(jù)實際情況并聯(lián)使用，以達到功率要求，其折疊后和展開后外形圖見圖2所示，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖2 折疊式太陽能板

表2 折疊式太陽能板主要參數(shù)

3.3 人力發(fā)電單元

人力發(fā)電單元的主要采用人力發(fā)電單車，因一般人力腳踏產(chǎn)生的發(fā)電功率約為100～300W左右，體能較好的人可達到500～800W充分考慮便攜性要求，選擇行車自與自行車折疊支架發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合組成人力發(fā)電系統(tǒng)。人力發(fā)電單車外形見圖3。

圖3

人力發(fā)電單元主要參數(shù)見表1。

表1

3.4 儲能單元

儲能單元主要實現(xiàn)電能供給，目前可充電式電源電池主要有以下幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。鎳鎘電池因含重金屬，同時具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點，將會在未來的儲能系統(tǒng)所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應(yīng)”，長期不徹底充放電，電池內(nèi)易留下痕跡，降低電池容量。近年來，越來越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池作為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點。

本系統(tǒng)選擇由3個3.6V10AH鋰電池串接而成，配有30A的電池保護板。為逆變器提供供10.8V10AH的電能，使便攜設(shè)備具有一定的續(xù)航能力。

3.5 接口轉(zhuǎn)換單元

接口轉(zhuǎn)換單元主要實現(xiàn)電源變換分配單元輸出的電源與負載設(shè)備的接口轉(zhuǎn)換和匹配，本系統(tǒng)配備5V USB接口輸出，12V固定電壓輸出12-48V可調(diào)電壓輸出，AC輸出電壓：220V。電源面板LCD顯示設(shè)計（包括運行、報警、充電、電池電量和放電狀態(tài)）。

4 裝置的性能及測試

在充放電特性測試方面，主要測試充電電壓、電流，以及放電電流特性對電池性能的影響，尤其是對多節(jié)電池的串并聯(lián)組成的電池組，多種電池的充放電狀態(tài)，對不同的充放電狀態(tài)組合關(guān)系進行了嚴格設(shè)定，對傳統(tǒng)的保護電路進行了狀態(tài)細化，很好的解決了過充過放問題，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于消防通信裝備對電流的需求是動態(tài)變化的，與信號強度、連接的終端數(shù)量等都有關(guān)系，為了防止虛短虛斷現(xiàn)象，對電路結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整。通過實驗進行測試，整個設(shè)備運行情況正常。

5 結(jié)論

近年來，消防隊伍自我保障水平在不斷提高，但是汽柴油發(fā)電機組和匹配的供電連接系統(tǒng)尚不適應(yīng)重大災(zāi)害事故現(xiàn)場道路狹窄、油料運輸困難、環(huán)境極度惡劣條件下的電源保障，也無法滿足單兵救援或小組遠程野外救援的供電保障需求。本文介紹的應(yīng)急供電裝置較好地解決了現(xiàn)場持續(xù)供電和充電問題，為現(xiàn)場通信設(shè)備的供電保障提供了一種相對理想的解決方案。

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作者簡介：

張磊（1982—），遼寧沈陽人，碩士，現(xiàn)工作于公安部沈陽消防研究所。