矿井安全监控备用电源系统发展现状及趋势

蒋波

摘 要：从组成备用电源系统的蓄电池和电源管理系统入手，分析矿井安全监控备用电源系统的现状，并在结合矿井特殊的应用环境的基础上，对影响备用电池失效的关键机理因素进行分析，指出矿井安全监控备用电源系统研究的发展趋势，即优化电池选型，优化充电技术，监控智能化及自适应，网络组建，集成化、高密度化及高频化，备用时间延长等，为进一步研究提供新的思路。

关键词：电源管理；备用电源；充电；安全监控

中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）06-0108-03

Development Status and Tendency of Mine Safety

Monitoring Standby Power Supply System

Jiang Bo

（China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： From the composition of standby power supply system of the battery and power management system of introduced the current situation of the development of the non-mine field， the status of the standby power supply system of mine safety monitoring was analysed， and based on the special application environment of mine， the key mechanism of backup battery failure factors were analyzed， and the development trend of the standby power supply system of mine safety monitoring was pointed out， to optimize the battery selection， optimization of charging technology， intelligent control and adaptive， network construction， integrated， high density and high frequency， extend the standby time， and so on， to provide new ideas for further research.

Keywords： power management；standby power；charging；safety monitoring

煤礦安全监测监控系统是煤矿安全生产的重要保障措施[1]，而系统的备用电源在系统正常工作和安全保障中的作用尤其重要，正确地监控和测量蓄电池的工作状态、提高矿井监控系统备用电源的性能从而更好地为煤矿的安全服务，意义重大。备用电源一般由蓄电池和电源管理系统组成，就目前市场上主流产品而言有四类电池[2-6]，即铅酸蓄电池（LA）、镉镍蓄电池（Nicd）、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。由于价格和工艺成熟，矿井监控系统备用电源一直都是以铅酸电池为主，随着镍氢和锂离子电池在理论、工艺方面取得了突破，应用将越来越广，而镍镉电池由于无法摆脱明显记忆效应困扰，故其应用将受限制。

1 矿山备用电源系统发展现状

国内多数矿井监控系统的电源结构如图1所示，其备用电源的使用与普通行业备用电源的区别如下。①备用电池的使用条件较为恶劣，人为进行定期保养和维护较为不便；同时，电池处于密封的状态，没有良好的通风条件，这是与普通行业备用电源使用时的最大区别。②矿井监控系统备用电源的输入电压等级较多，如660、380、127V等；而井上备用电源的输入电压等级一般为110、220V两种[7]。③矿井监控系统备用电源的输出一般没有交流逆变环节，直接经过开关电源变压后进行安全处理，输出本质安全型的直流电源；而普通行业备用电源一般给用电设备提供交流电。

目前，国内监控系统备用电源的蓄电池大多都使用阀控铅酸电池，但铅酸电池在使用过程中可能释放电解气体，废旧的铅酸蓄电池回收困难，利用成本较高[7-8]。此外，大多数充电电池是单独直接作为电源系统使用的，用户无法知道电池的状态，如电池遇过压、过充、过放、过流及温度超限等问题，轻则会对电池造成大的损坏，严重时甚至可能发生爆炸危险，这就对电池的管理和保护提出了更严格的要求。

[交流输入][变压器][开关电源][安全栅][本安输出][电源监控][电池]

图1 矿井监控系统的电源结构

2 备用电源系统失效机理

目前，矿井的环境较为恶劣，监控分站一旦安装就很少再进行维护，而电池又被内置于密闭的腔体内，因此对备用电源的要求越来越高。备用电源系统失效的原因总结如下。

2.1 电池本身的因素

包括备用电池的类型、容量大小、设计寿命等本身选取的制约。目前，国内绝大部分厂家所使用的电池均为铅酸电池，随着制造工艺的改进和科学研究的深入，密闭阀控式VRLA电池得到广泛的应用，但无法克服比能量低、寿命短、使用过程中易析出氢气等缺陷。

2.2 充电和监控方式的因素

用单纯的恒压、恒流或者恒压限流的充电效果都不好，恒压充电的缺点为电流不可控，初期电流较大、易损坏电池或充电设备；相对可接受电流而言，恒流充电前期电流过小，而充电后期电流过大，充电时间长，析气多；恒压限流充电没有进行预充电。目前，监控系统备用电源的智能监控还远远不够完善，正确地监控备用电源的工作状态，能使用户对整个系统的了解更加深入，也便于对备用电源及系统进行修护。

2.3 环境温度的因素

电池本身在充放电时会因为化学反应而发热，特别是大电流充放电时发热现象更加明显，腔体内工作的电子元器件会发热，部分区域的腔体外部环境温度高，会导致部分备用电池所处的环境温度较高。基于阿里纽斯原理，电池在环境温度大于40℃时，温度升高10℃，寿命则降低50%。

2.4 放电因素

停电频繁会导致备用电池经常处于充放电循环状态，必将加速电池的老化，若电池经常不能达到充满的状态，则会大为缩短电池的使用寿命；负载重则导致放电电流过大，放电时间短，发热严重，甚至发生热失控而损坏电池。

2.5 其他因素

如存储时间过长、串联电池组的个体差异性严重而导致整组电池的性能受影响等。

综上所述，备用电池的使用性能和安全性能除了与使用环境温度、储存时间、放电深度诸多外界因素相关外，更重要的是还与电池本身的内因、充电方式和监控维护方式密切相关。

3 发展趋势

为了提高能量利用效率、加快充电速度、不影响备用电池使用寿命，新型高效、快速、无损的充电技术已成为现代电力电子技术备受关注的一个研究方向[5，9]。目前，充电监控设备的研究方面发展趋势如下。

3.1 优化电池选型

①蓄电池的种类多样，不同化学反应机理的电池不能一一通过实验的验证，只能在总结前人研究的基础之上，通过理论分析来初步选择实验的电池。

②同种化学反应机理的电池，因厂家技术水平和电池应用专业方面的不同，呈现出一定的差异性，需要確定合理的调研范围和方式，以免出现不当和漏洞。

③随着科技的进步，目前认为有使用缺陷的电池可能会通过技术手段来改进；将来还会有新型电池涌现，故在某一时期所得出的结论只能作为该技术水平下电池选型的参考意见。

3.2 优化电池充电技术

用脉冲快速充电可以削弱蓄电池充电的极化现象，增大蓄电池的可接受电流从而缩短充电时间；单个蓄电池的电压与容量有限，蓄电池多个串联或并联使用时，各个单体电池间的不一致性会使蓄电池充电不均衡，导致蓄电池组寿命缩短。因此，可考虑对电池实现对串联蓄电池组的各单体电池进行均充，具体实现方法包括：①附加一个并联均衡电路，以起到分流的作用；②充电前对每单体逐一通过同一负载放电至同一水平，然后再进行充电；③定时、定序、单独对蓄电池组中的单体蓄电池进行检测及均匀充电。

3.3 监控智能化及自适应

监控智能化及自适应主要体现在对被充电电池的自适应性、容量的准确预测和对环境的自适应性方面，具体表现为能识别充电电池的类型，能检测当前状态，并根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内高效地将电池充满。

3.4 网络组建

当前，煤矿安全监控系统的备用电源多数为单个独立的备用电源，把多台监控设备的备用电源与上位PC机连接，实现方式为电源监控单片机与监控分站单片机实现双向收发，通过监控分站实现与上位中心站的通讯，在地面监控中心的上位机监控整个充放电过程，还可以利用PC机的强大计算功能分析实验数据从而改进充电方法。

3.5 集成化、高密度化及高频化

备用电源中功率器件的元件需要微型化、密集化。功率器件集成在单片IC中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体；提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等，这也使开关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。

3.6 备用电源时间延长

备用时间延长的方式可通过增大电池容量、降低负载功耗等方式，从备用电源系统方面考虑，则需要考虑选用更大比容量的电池，并提高电源转化效率。

4 结语

本文针对矿井安全监控备用电源系统的现状，结合矿井特殊的应用环境，对影响失效的关键机理因素进行了分析，提出了其研究的发展趋势，即优化电池选型，优化充电技术，监控智能化及自适应，网络组建，集成化、高密度化及高频化，这对于延长蓄电池的寿命具有十分重要的意义，同时为进一步研究提供了新的思路和建议。

参考文献：

[1]孙继平.煤矿防止瓦斯事故培训教材：煤矿瓦斯治理十二字方针解析[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2]廖晓军，何莉萍，钟志华，等.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J].汽车工程，2006（10）：961-964.

[3]朱松然.铅蓄电池技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]王大瑞.锂电池智能管理系统[D].济南：山东大学，2006.

[5]赵键.基于智能控制技术的铅酸蓄电池充电设备的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[6]陈军，陶占良.镍氢蓄电池[M].北京：化学工业出版社，2006.

[7]闫俊美，杨金贤.锂电池的发展与前景[J].盐湖研究，2001（4）：58-63.

[8]谢俊生，王森，游青山.矿井安全监控电源系统的研究[J].工矿自动化，2010（7）：71-74.

[9]游青山.基于镍氢电池的隔爆型电气设备备用电源系统设计[J].工矿自动化，2013（5）：9-12.