滿足5G 供電的礦用膠輪車大容量備用電源

謝 浩

（1.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州213015；2.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015）

礦用無(wú)軌膠輪車是礦井輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中的一種重要形式，因性能可靠、運(yùn)輸效率高，機(jī)動(dòng)靈活性好，載重能力強(qiáng)等特點(diǎn)可保證礦井的高產(chǎn)高效及安全生產(chǎn)，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的方便和快捷，并能獲得極佳的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前使用的礦用無(wú)軌膠輪車大多采用隔爆兼本安電源箱為自動(dòng)保護(hù)裝置（電控保護(hù)裝置）的甲烷、溫度、液位、壓力等傳感器和膠輪車控制單元ECU 的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等傳感器及機(jī)車啟動(dòng)提供穩(wěn)定的工作電源[2]。

隨著煤礦智能化和5G 技術(shù)的快速發(fā)展[3]，華為公司在陽(yáng)煤集團(tuán)新元煤炭有限責(zé)任公司成功部署“5G+輔助運(yùn)輸”車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，首批井下煤礦5G 基站進(jìn)行組網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井主巷道、運(yùn)輸巷道的5G覆蓋。利用5G 技術(shù)打造車聯(lián)網(wǎng)[4]，提升煤礦安全管控能力，建設(shè)智能化礦山，提高煤礦生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)能力。但是，要實(shí)現(xiàn)“5G+輔助運(yùn)輸”車聯(lián)網(wǎng)，勢(shì)必要在原機(jī)車監(jiān)測(cè)傳感器的基礎(chǔ)上加裝更多的電器元件、本安型監(jiān)測(cè)傳感器和5G 無(wú)線傳輸裝置，諸如激光雷達(dá)、超聲波、紅外、胎壓、速度等傳感器、CCD 攝像頭和5G 無(wú)線傳輸裝置等設(shè)備[5]。而現(xiàn)用的隔爆兼本安型備用電源箱的供電能力遠(yuǎn)不能滿足機(jī)車啟動(dòng)、車聯(lián)網(wǎng)和智能化要求，急需研發(fā)大容量、低靜態(tài)功耗、緩啟動(dòng)[6]和具備通訊功能的隔爆兼本質(zhì)安全型電源，解決礦用無(wú)軌膠輪車供電問(wèn)題。

1 改進(jìn)后膠輪車整車供電系統(tǒng)

礦用無(wú)軌膠輪車整車供電系統(tǒng)采用2 種供電方式，一種為非本安輸出供電，另一種為本安輸出供電。礦用隔爆型機(jī)車照明燈、信號(hào)燈、燃油噴射電控裝置等設(shè)備為非本安設(shè)備，由非本安輸出供電；原自動(dòng)保護(hù)裝置配套的顯示器、各種傳感器及礦用5G無(wú)線傳輸裝置、礦用激光雷達(dá)、超聲波、紅外等傳感器、礦用CCD 攝像頭和本質(zhì)安全型聲光信號(hào)器等為本安設(shè)備，由大容量礦用隔爆兼本安型備用電源箱的本安輸出供電，機(jī)車啟動(dòng)、停止或出現(xiàn)故障時(shí)，后備電池自動(dòng)投入使用。改進(jìn)后機(jī)車整車供電系統(tǒng)如圖1。

圖1 改進(jìn)后機(jī)車整車供電系統(tǒng)Fig.1 The improved locomotive power supply system

2 礦用隔爆兼本安型備用電源

2.1 備用電源結(jié)構(gòu)

礦用隔爆兼本安型備用電源為箱式設(shè)備，主要由DC/DC 開(kāi)關(guān)電源、核心電源板和后備電池組組成。車輛調(diào)節(jié)器輸出直流28 V，為電源箱的DC/DC開(kāi)關(guān)電源供電，DC/DC 開(kāi)關(guān)電源為后續(xù)核心電源板供電，1 路通過(guò)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)非本安輸出，另外3 路經(jīng)3 組隔離DC/DC 再通過(guò)兩級(jí)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)實(shí)現(xiàn)3 路本安輸出[7]。礦用隔爆兼本安型備用電源原理框圖如圖2。

2.2 大容量及緩啟動(dòng)本安電源

電源設(shè)計(jì)了3 路本安輸出，每路額定輸出電壓為12 V，電流1.3 A，以滿足機(jī)車啟動(dòng)、5G 無(wú)線傳輸裝置和新舊傳感器的供電需求。若采用限壓限流方式的傳統(tǒng)截流型保護(hù)電路，存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等問(wèn)題，只有當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路開(kāi)始執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作；出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，很大程度上限制了礦用本質(zhì)安全型電源的輸出功率。因此，采用動(dòng)態(tài)電弧識(shí)別及關(guān)斷技術(shù)（DART 技術(shù)）[8]來(lái)增加本質(zhì)安全電源的功率，提高本安系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。DART 技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)電流變化率，一旦電流變化率超過(guò)預(yù)先設(shè)定的臨界值，就會(huì)提前切斷電路，可在200 μs 內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

圖2 礦用隔爆兼本安型備用電源原理框圖Fig.2 Principle block diagram of mine flameproof and intrinsically safe backup power box

基于本安電源容量的增加，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的提高，在電源電路設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該注意2 個(gè)方面：一方面是電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮緩啟動(dòng)問(wèn)題, 否則電路將無(wú)法正常啟動(dòng)；另一方面是必須考慮機(jī)車使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到持續(xù)幾微秒至幾百毫秒的高電壓電源尖峰，這就要求電子線路不僅要承受瞬態(tài)電壓尖峰，而且在此過(guò)程中可靠地運(yùn)作，即使出現(xiàn)故障，待故障解除后，系統(tǒng)還能自動(dòng)恢復(fù)。

2.3 智能化管理

傳統(tǒng)礦用隔爆兼本安型備用電源只具備供電的功能，電源出現(xiàn)問(wèn)題需要用戶逐一排查或咨詢廠家，有時(shí)甚至需要廠家赴現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題，處理問(wèn)題時(shí)間周期長(zhǎng)。為提高維修效率，降低維護(hù)成本，最大程度地減少維護(hù)的工作量。增加了電源箱的CAN 總線通訊和故障自診斷功能，用戶可通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路電源的各種運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，智能化的分析電源狀況，將電源信息與故障報(bào)警顯示在本安顯示器上，對(duì)電源進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、欠壓保護(hù)等；也可對(duì)備用電源箱進(jìn)行手動(dòng)充放電維護(hù)，發(fā)現(xiàn)放電時(shí)間短不能滿足要求的電池，及時(shí)進(jìn)行更換；通過(guò)故障自診斷和故障代碼顯示，在發(fā)生故障的情況下，能初步判斷電源故障類型，可事先對(duì)故障類型進(jìn)行更為準(zhǔn)確的判斷, 從事后補(bǔ)救維護(hù)向事前預(yù)警轉(zhuǎn)換，提高電源的維護(hù)管理水平，提高本安電源供電質(zhì)量,使供電有更高的可靠性，使電源管理向智能化方向邁進(jìn)。

2.4 電池管理系統(tǒng)

一般情況下，礦用無(wú)軌膠輪車不會(huì)一直處于工作狀態(tài)，電池也就不會(huì)一直帶載運(yùn)行，所以大部分損耗都來(lái)自于電源板的靜態(tài)功耗，為了滿足電源板在膠輪車上使用過(guò)程中產(chǎn)生較小靜態(tài)功耗的需求，選用高能效、高性能和低成本的STM32L 系列芯片作為電池管理的核心，同時(shí)結(jié)合開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，進(jìn)行源碼移植[9]。該芯片不僅功耗很低，而且運(yùn)算能力很強(qiáng)，可以保證在低功耗的情況下?lián)碛休^好的運(yùn)算能力；膠輪車系統(tǒng)大多采用CAN 通訊協(xié)議，芯片提供的CAN 接口可與礦用無(wú)軌膠輪車的其他控制單元進(jìn)行信息通信，完全滿足設(shè)備需求；同時(shí)，芯片抗干擾能力強(qiáng)，更適合煤礦特殊環(huán)境使用。電池管理系統(tǒng)原理框圖如圖3。

圖3 電池管理系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the battery management system

為保證膠輪車電池組充放電平衡，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的容量按大于1.5 倍實(shí)際功率計(jì)算。

電池組由20 節(jié)無(wú)記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染且安全穩(wěn)定的鎳氫電池串聯(lián)組成，并用硅膠澆封處理。電池容量的準(zhǔn)確預(yù)估、電池初始容量的判斷、電池對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和電池充放電適應(yīng)性是電池管理系統(tǒng)的主要表現(xiàn)[10]。關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)電池荷電狀態(tài)SOC 的估算[11]，電池SOC 估算方法有很多種，因?yàn)樵贐MS中充放電電流和電池電壓是可以很方便的直接測(cè)量得到的信息，所以采用安時(shí)積分法。對(duì)于首次使用的電池，進(jìn)行完整充放電過(guò)程，計(jì)算出真正的電池容量，并保存容量值。在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，基于首次計(jì)算的電池容量，再根據(jù)正常工作時(shí)的充放電電流，來(lái)估算電池電量，通過(guò)參考放電結(jié)果，不斷更新電池容量。同時(shí)考慮鎳氫電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，容量會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)充電效率系數(shù)值的改變來(lái)修正電池容量的計(jì)算。針對(duì)膠輪車工作過(guò)程中使用不同負(fù)載的情況，對(duì)電池容量也是會(huì)發(fā)生變化的，所以基于額定負(fù)載的情況，設(shè)計(jì)了放電效率系數(shù)值，根據(jù)不同的帶載情況來(lái)計(jì)算電池容量。此外，電池溫度也會(huì)對(duì)電池組SOC 的估算產(chǎn)生影響，在低溫時(shí)電池容量表現(xiàn)很明顯，所以在安時(shí)積分法的基礎(chǔ)上配合溫度補(bǔ)償來(lái)減小誤差范圍，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

通過(guò)嵌入式軟件平臺(tái)與安時(shí)積分法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低靜態(tài)功耗，達(dá)到了SOC 的準(zhǔn)確把握，可以及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行過(guò)充過(guò)放保護(hù)，也可以根據(jù)總的電池容量來(lái)判斷電池的老化情況，從而提醒煤礦井下作業(yè)人員及時(shí)更換備用電池，還可以根據(jù)剩余電池組電量來(lái)判斷電池的續(xù)航時(shí)間。

3 結(jié) 語(yǔ)

為“5G+輔助運(yùn)輸”車聯(lián)網(wǎng)使用的礦用無(wú)軌膠輪車配套的礦用隔爆兼本安型備用電源箱通過(guò)了國(guó)家安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，取得“MA”礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志。按照設(shè)計(jì)要求，將礦用隔爆兼本安型備用電源箱與機(jī)車外部電器設(shè)備連接，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行為期2周的連續(xù)通電拷機(jī)試驗(yàn)和反復(fù)送電、停電實(shí)試驗(yàn)，礦用隔爆兼本安型備用電源箱及外部電器設(shè)備工作正常，無(wú)異常現(xiàn)象和故障出現(xiàn)，抗干擾能力強(qiáng)，具備完全帶負(fù)載能力，既能滿足設(shè)備啟動(dòng)電流的需求，又能滿足5G 設(shè)備的需求。具有輸出電壓穩(wěn)定、容量大、靜態(tài)功耗低、電池管理系統(tǒng)完善、通訊可靠等特點(diǎn)，達(dá)到了研究、設(shè)計(jì)的預(yù)期。