專利名稱：礦用本安鋰電池供電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種供電系統，特別涉及一種用于煤炭行業的礦用本安鋰電池供電系統。
背景技術：
以前的二級保護電路，過電流保護電阻是在電路的正極端，電流流過電阻后會產生較大的電壓壓降，比如過電流保護電阻為O. 5歐，流過IA的電流，產生的壓降為O. 5V，經過二級保護需要流過2個這樣的電阻，所以整體的壓降為IV，12V的電源到了輸出端已經變為11V，再加上導線上的電壓損耗，到了產品使用端就為10. 6V左右，電源無法為距離較長的設備提供穩定的電力。煤礦井下含有多種易燃、易爆危險性氣體(如甲烷、CO等)，需實時采用探頭監控，以采取措施保證井下安全。井下監控分站承擔著對監控探頭信號處理、電路控制的重要任務，主要采用不間斷備用電源對井下監控分站實現實時供電。其中電池組是不間斷電源(UPS)系統中最為核心的組件之一，電池的重量與體積、放電容量的多少、放電電流特性、高低溫放電特性以及使用壽命，直接影響到不間斷電源(UPS)的重量、體積、放電時間和可靠性。煤礦井下做為高安全等級的本質安全性場所，要求輸出電壓、電流實現二級保護，以免引起外部火花造成煤礦井下安全性事故。目前，市場上的可用于煤礦井下監控分站供電的不間斷電源都是由“免維護鉛酸蓄電池”來實現，現有鉛酸蓄電池存在明顯不足①在3倍率以上電流放電時，只能放出電池容量的30%以下，而充電時，其充電電流必須控制在O. 25倍率以上，在完全放電后，其充電時間需要在8小時才能充到電池容量的80%，電池循環性能差、備電時間短的缺點突出；②鉛酸蓄電池在壽命周期內，容量逐年下降，其動態變化難于保證輸出電壓、電流的二級保護，嚴重制約了煤礦井下不間斷電源的指標；③鉛酸蓄電池放電的循環壽命在300次左右，在低溫環境下放電容量更差，煤礦井下環境溫度接近O度，鉛酸蓄電池不適宜于煤礦井下應用；④鉛酸蓄電池的主要原料是“鉛”，其使用及“鉛”排放直接影響到地下水環境鉛酸蓄電池在充電過程中存在析氫副反應，而氫氣做為高危險性氣體嚴重影響煤礦井下安全。目前，多數井下監控分站不間斷電源僅能維持井下監控分站工作2小時。隨著礦井開采深度的不斷加深、開掘面的不斷加長，2小時已遠不能滿足井下實際應用需要。由于鉛酸電池組沒有內部放電、充電控制機制，其放電輸出電壓及電流難于處于保持穩定，很難實現輸出電流、電壓的二級保護性輸出，從而顯著影響到煤礦井下產品的可靠性、安全性、實用性等多項指標。
發明內容
為了解決現有技術中電源無法為距離較長的設備提供穩定電力的問題，本發明采用新的二級保護電路，將過電流保護電阻放置在電源產品的負極端，先將過電流保護電阻上采集的電壓進行放大，如果不采用電路放大功能，過電流保護電阻上的電壓值很低，無法與基準電壓進行比較，而且小電壓容易受到外面雜訊信號的干擾，導致保護電路誤動作，放大后的過電流保護電阻電壓和基準進行比較，因為采用較小的過電流保護電阻，過電流保護電阻一般是毫歐級的電阻，所以線路上電阻的電壓降就小，這樣從電源端到設備端的導線就可以使用較長的導線了。本發明提出了一種礦用本安鋰電池供電系統，所述礦用本安鋰電池供電系統包括鋰電池及其保護模塊，由鋰電池和充放電保護模塊組成，用于保護鋰電池過沖電，保護鋰電池過放電，并且在鋰電池的溫度超過危險溫度時，對鋰電池斷電；升壓模塊，用于將鋰電池的3. 7V電壓轉換為負載所需的12V電壓，并輸出到二級保護線路模塊；二級保護線路模塊，由兩個相同的部分組成，每一部分包括輸出過電壓保護和輸出過電流保護。根據本發明的一個方面，在鋰電池及其保護模塊中，通過晶體管開關的關閉和打開，實現鋰電池在過充電、過放電以及溫度過高時，對鋰電池斷電，從而防止鋰電池的過沖、過放以及超過危險溫度。根據本發明的一個方面，升壓電路使用MAX1771芯片作為主控芯片，直接可以將低電壓轉換為12V電壓的芯片，芯片驅動2個MOS管產生12V的電壓。根據本發明的一個方面，采用新的二級保護電路，將過電流保護電阻放置在電源產品的負極端，先將過電流保護電阻上采集的電壓進行放大，放大后的過電流保護電阻電壓和基準電壓進行比較，從而使得電源端到設備端的導線可以使用較長的導線。本發明中的礦用本安鋰電池供電系統可用在礦用車輛系統及其它特定領域的系統中，具有廣闊的前景。
下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。圖1為根據本發明實施例的礦用本安鋰電池供電系統框圖。圖2為根據本發明實施例的升壓模塊電路圖。圖3為根據本發明實施例的二級保護線路模塊電路圖。圖4為根據本發明實施例的鋰電池及其保護模塊。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。根據本發明的優選實施例，電源采用新的二級保護電路，將過電流保護電阻放置在電源產品的負極端，先將過電流保護電阻上采集的電壓進行放大，如果不采用電路放大功能，過電流保護電阻上的電壓值很低，無法與基準電壓進行比較，而且小電壓容易受到外面雜訊信號的干擾，導致保護電路誤動作，放大后的過電流保護電阻電壓和基準進行比較，因為采用較小的過電流保護電阻，過電流保護電阻一般是毫歐級的電阻，所以線路上電阻的電壓降就小，這樣從電源端到設備端的導線就可以使用較長的導線了。根據本發明的一個優選實施例，礦用本安鋰電池供電系統由三部分組成鋰電池及其保護模塊、升壓模塊、二級保護線路模塊。具體框圖參見附圖1。鋰電池及其保護模塊由鋰電池和充放電保護模塊組成。升壓模塊用于將鋰電池的3. 7V電壓轉換為負載所需的12V電壓電源；
二級保護線路模塊由兩個相同的部分組成，每一部分包括輸出過電壓保護和輸出過電流保護。本電源是由I節3. 7V的可充電鋰電池經過升壓電路將3. 7V電壓升壓為12V電壓，再經過一個兩極保護板電路，給負載供電。圖2的Jl連接鋰電池的3. 7V輸出電壓，J2連接圖3的J1，為其提供12V電源電壓，圖3的J2連接設備負載。圖4是鋰電池及其保護模塊的原理框圖，通過鋰電池及其保護模塊對鋰電池實現控制。鋰電池正、負極分別與電路正極、負極相連；可采用DSP芯片或單片機做為鋰電池及其保護模塊的控制單元，以實現對電池的充放電進行控制并對監控的數據進行對比、實時反饋。所述鋰電池及其保護模塊包括控制器、晶體管開關、均衡電路、平衡負載和溫度檢測器，所述控制器通過均衡電路和平衡負載實現對電池的電壓平衡管理，通過溫度檢測器實現對電池組的溫度監測，并根據監測的信號對晶體管開關實現開關管理。均衡電路獲取電池的電位，上傳至控制器；溫度檢測器獲取鋰電池的溫度信號，上傳至控制器；所述控制器可以采取以下方式處理①對過高電位的電池，打開均衡電路子路，實現均衡電路子路與內部負載的串聯連接，對該電池放電以降低其電位，實現對電池的電位均衡；②當存在外部電路電位時，在鋰電池充滿時打開晶體管開關，以隔絕充電，在鋰電池未充滿時關閉晶體管開關，以維持電池動態充電；③當不存在外部電路電位時，對晶體管開關實現關閉，使鋰電池對外部電路放電，當到達鋰電池組截止放電電位時，對晶體管開關實現打開，以保護整體電池不再深度放電；④當電池溫度超過定值時，對晶體管開關實現關斷處理，以防止電池溫度的進一步上升。通過上述四種控制策略，實現對鋰電池的電池均衡、充電、放電和溫度控制處理，促進電池的高安全性應用。設單節鋰電池的電壓為3. 7V，其最大充電電壓允許至4. 2V。則可設置單節電池的過充電壓在3. 8 4. 2V，控制器可在IOms內通過晶體管開關實現斷電，以防止電池組的過充。設單節鋰電池的溫度允許至120度，安全溫度為60度，則設電池溫度保護點為60度，當溫度檢測器監控單節電池溫度達到60度時，控制器在IOms內通過晶體管開關實現斷電，以防止電池的溫升。為防止電池過放，設置過放壓保護電壓，設單節電池的最小允許電壓為2. 0V，則設電池的最小允許電壓為2. 0V,當單節電池達到2. OV時，控制器在IOms內通過MOS管實現斷電，以防止電池組的過放。升壓模塊將電池電壓轉換為12V，由低電壓轉為高電壓。升壓電路使用MAX1771芯片作為主控芯片，此芯片是可以不需要配置任何周圍的零件參數，直接可以將低電壓轉換為12V電壓的芯片，芯片驅動2個MOS管產生12V的電壓，因為芯片驅動MOS時，由于MOS管處于開關狀態，MOS管的開通與關斷過程中會有電壓和電流的疊加，導致MOS管發熱，所以采用2個MOS管并聯的方式進行驅動，這樣可以增大MOS管的耐熱程度，從而可以省略散熱片，減小產品的垂直高度。具體電路圖參見圖2所示。鋰電池的3. 7V電壓輸入Jl端口，Jl端口的一端首先連接保險絲Fl的一端,Fl的另一端連接熱敏電阻RT的一端,RT的另一端連接電感LI的一端，以及電容C1、C2、C3的一端，電容C1、C2、C3的另一端連接Jl的另一端，且接地；LI的另一端連接二極管Dl的正極，Dl的負極連接J2端口的一端；D1的負極同時連接電容C6、C7、C8和電阻R3的一端，C6、C7、C8的另一端連接J2端口的另一端，且接地；R3的另一端連接發光二極管D2的正極，D2的負極連接J2端口的另一端。Ul的V+腳連接J2端口的一端，同時連接電容C4的一端，C4的另一端接地；U1的REF腳連接電容C5的一端，C5的另一端接地；U1的SHDN腳、FB腳、AGND腳接地;U1的GND腳接地，同時連接電阻Rl和R2的一端，電阻Rl和R2的另一端連接Ul的CS腳和以及MOS管Ql和Q2的源極S ；U1的EXT腳接MOS管Ql和Q2的柵極G，Ql和Q2的漏極D連接到電感LI和二極管Dl的中間；J2端口連接到附圖2的Jl端口。產品的具體實施過程如圖2所示鋰電池3. 7V電壓通過圖2的Jl端子經過保險絲F1，熱敏電阻RT，給電阻Cl，C2, C3充電，充電后流過電感LI，Dl后給芯片供電，芯片開始啟動，啟動后打開MOS管，電阻Rl，R2檢測到MOS管開通后的電流，反饋回芯片內部進行比較，從而增大輸出占空比，提高輸出電壓，使輸出電壓達到12V，輸出12V電壓經過C6，C7，CS后經過圖中的J2端子輸出，輸出的12V電壓輸出到二級保護線路模塊的Jl端口。參見圖3，Jl端子連接升壓模塊的輸出電壓，當二級保護線路的輸出電流小于保護電流時，Q13的G極由于受隔直電容C13隔離，Q13的G極電壓低于S極電壓，Q13導通，產生輸出；當輸出過電流時即輸出電流達到1.2A時，R12和R12A上的電壓變為0.05V，Ul 1C, Ul IB, Ul ID將R12和R12A上的電壓進行放大，放大后的電壓經過Ul IB進行輸出，輸出的電壓與Dll 二級管正向導通壓降O. 6V基準電壓進行比較，U12A的正端電壓高于負端電壓，U12A產生一個高電平信號使Qll導通，C12和R120吸收Qll瞬間導通時尖峰電壓，Qll導通后Rl 17和Rl 18產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉，Q13在關閉的時候會產生一個反向尖峰電壓，C14，R122用來吸收尖峰電壓。當輸入電壓超過12. 6V，此時在Rlll和R112上的分壓超過Dll 二級管順向導通電壓O. 6V的基準電壓時，U12B的負端電壓高于正端電壓，U12B的輸出產生一個低電壓，低電壓同時導致，D12的正極產生一個低電壓，會使R117和R118產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉。當線路的正負極做火花短路時，因為有電感LI的抑制電流瞬間變化的功能，所以正負接觸時火花較小，因為電感電流不能突變，就會在電感上產生順向電動勢，Cll和R124用來吸收順向電動勢的尖峰電壓，當正負極接觸后，R12，R12A上的電壓降增加，產生的電壓降經過Ull進行放大，放大后的電壓超過O. 5V基準電壓，產生一個高電平信號使Qll導通，C12和R120吸收Qll瞬間導通時尖峰電壓，Qll導通后R117和R118產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉，Q13在關閉的時候會產生一個反向尖峰電壓，C14，R122用來吸收尖峰電壓。相同的原理作用于另一級電路。此部分舉例說明在使用IA電流進行保護時的工作原理。第二個為二級保護，此二級保護與以往的二級保護的區別在于是將采集信號的電阻放置在電源的負極(或者也稱為地線)上，將采集到的小電壓進行放大，放大的電壓與二極管上的正極電壓進行比較，通過比較器控制I個N-MOS和2個P-MOS的導通與關斷，并增加一個電感，在電感上增加RC電路，用來吸收電感上的尖峰電壓，在PMOS的D極增加一個瞬態抑制二級管，用以吸收輸出端短路過程中在MOS上產生的尖峰電壓。二級保護電路如附圖3所示。Jl端口的2腳串聯連接電阻R122、電容C14、電感LI，LI的另一端連接VCCl ；U11C的正端通過電阻Rll接地，Jl的I腳串聯連接電阻R12和R12A，R12A的另一端連接Voutl，同時通過電阻R13連接到UllD的正端，UlIC和UllD的負端通過電阻R15連接；U11C的輸出端和負端之間通過電阻R14連接；U11D的輸出端和負端之間通過電阻R16連接；U11C的輸出端通過電阻R17連接到UllB的負端；U11D的輸出端通過電阻R18連接到UllB的正端；U11B的輸出端和負端之間通過電阻R19連接；U11B的輸出端連接到U12A的正端；U12A的負端連接到U12B的正端，同時連接到電阻Rl 13和二極管Dll的正極，DlI的負極接地，Rl 13的另一端連接到Jl端口的2腳；U12B的負端連接到Rlll和R112的中間，Rlll的另一端連接到Jl端口的2腳，R112的另一端接地；U121的輸出端通過Rl 14連接到Jl端口的2腳；U12A的輸出端通過Rl 15連接到Jl端口的2腳；U12A的輸出端通過R116連接到MOS管Qll的柵極G，U12A的輸出端同時連接二極管D13的負極，D13的正極連接到MOS管Qll的柵極；U12B的輸出端連接二極管D12的負極，D12的正極連接到MOS管Qll的漏極；Q11的源極接地；Q11的漏極串聯連接電容C12和電阻R120后接地；Q11的漏極串聯連接電阻R118和R117后連接到Jl端口的2腳；R117和R118中間的節點通過電阻Rl 19連接到MOS管Q12的柵極；Q12的源極連接到Jl端口的2腳，漏極連接到MOS管Q13的柵極，同時通過電阻R123接地；Q13的源極連接到Jl端口的2腳，同時連接電容C13的一端，C13的另一端連接電阻R121的一端和齊納二極管ZDll的負極，R權I的另一端連接Q13的漏極，ZDll的正極接地；Q13的漏極連接C14和LI中間的節點，同時串聯連接電阻R124和電容Cll，然后連接到VCCl ;VCC1連接電阻R125的一端和二極管D14的負極，R125的另一端和D14的正極連接到Voutl。二級保護電路的另一部分與上述電路類似，在此不在贅述。按照圖3，當輸出電流小于保護電流時，Q13的G極由于受隔直電容C13隔離，Q13的G極電壓低于S極電壓，Q13導通，產生輸出；當輸出過電流時U11C，U11B，U11D三部分將電壓進行放大，放大后的電壓經過UllB進行輸出，輸出的電壓與Dll 二級管正向導通壓降O. 6V基準電壓進行比較，U12A的正端電壓高于負端電壓，U12A產生一個高電平信號使Qll導通，C12和R120吸收Qll瞬間導通時尖峰電壓，Qll導通后R117和R118產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉，Q13在關閉的時候會產生一個反向尖峰電壓，C14，R122用來吸收尖峰電壓。過電壓保護當輸入電壓在Rlll和R112上的分壓超過Dll 二級管順向導通電壓O. 6V的基準電壓時，U12B的負端電壓高于正端電壓，U12B的輸出產生一個低電壓，低電壓同時導致D12的正極產生一個低電壓，會使Rl 17和Rl 18產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉。當線路的正負極做火花短路時，因為有電感LI的抑制電流瞬間變化的功能，所以正負接觸時火花較小，因為電感電流不能突變，就會在電感上產生順向電動勢，Cll和R124用來吸收順向電動勢的尖峰電壓，當正負極接觸后，R12，R12A上的電壓降增加，產生的電壓降經過U11C，U11B，U11D進行放大，放大后的電壓經過UllB進行輸出，輸出的電壓與Dll 二級管正向導通壓降O. 6V基準電壓進行比較，U12A的正端電壓高于負端電壓，U12A產生一個高電平信號使Qll導通，C12和R120吸收Qll瞬間導通時尖峰電壓，Qll導通后R117和R118產生分壓，將Q12的G極電壓降低，使MOS管Q12導通，導通的Q12促使Q13的G極和S極的電位相同，Q13關閉，Q13在關閉的時候會產生一個反向尖峰電壓，C14，R122用來吸收尖峰電壓。相同的原理作用于另一級電路。這2級電路是相同的，因為是2級電路，第一級的地和第二級的地是分開的，Voutl只是一個標號,所有的Voutl連接到一起。通過該電路圖并繪制成實際的電路板后，通過鋰電池3. 7V電壓成功轉為12V的直流電壓，輸出電流O. 6A;二級保護板可以啟動工作，工作保護電流為1A，過電壓保護為
12.5V，產品經過數萬次的火花實驗，并未出現不良現象。因為煤礦生產的特殊性，要求煤礦下的產品在發生短路時或者當線路上的接觸點發生脫落時，在不切斷外部供電的情況下可以，可以直接將負載產品連接到電源的輸出端，并要求不能產生火花，或者產生的火花不能引爆周圍的氣體；而且煤礦要求產品里面的保護是二級保護，當第一級保護失效后，第二級保護可以繼續起作用，此二級保護可以應用于煤礦等含有甲烷氣體的環境中。雖然已在具體實施方案中描述了本發明的實施方案及其各種功能組件，但是應當理解，可以用硬件、軟件、固件、中間件或它們的組合來實現本發明的實施方案，并且本發明的實施方案可以用在多種系統、子系統、組件或其子組件中。本發明的每個實施例都可以與其它的實施例中的器件相互進行組合，而不是孤立的、單一的實施例，所有實施例之間都可以相互融合而形成新的實施例或者不同的解決方案。雖然本發明已經詳細的示出并描述了一個相關且特定的實施范例參考，但本領域的技術人員應該能夠理解，在不背離本發明的精神和范圍內可以在形式上和細節上作出各種改變。這些改變都將落入本發明的權利要求所要求保護的范圍。
權利要求
1.一種礦用本安鋰電池供電系統，其特征在于，所述礦用本安鋰電池供電系統包括: 鋰電池及其保護模塊，由鋰電池和充放電保護模塊組成，用于保護鋰電池過沖電，保護鋰電池過放電，并且在鋰電池的溫度超過危險溫度時，對鋰電池斷電； 升壓模塊，用于將鋰電池的3.7V電壓轉換為負載所需的12V電壓，并輸出到二級保護線路模塊； 二級保護線路模塊，由兩個相同的部分組成，每一部分包括輸出過電壓保護和輸出過電流保護。
2.如權利要求1中的礦用本安鋰電池供電系統，其特征在于: 在鋰電池及其保護模塊中，通過晶體管開關的關閉和打開，實現鋰電池在過充電、過放電以及溫度過高時，對鋰電池斷電，從而防止鋰電池的過沖、過放以及超過危險溫度。
3.如權利要求1中的礦用本安鋰電池供電系統，其特征在于: 升壓電路使用MAX17 71芯片作為主控芯片，直接將低電壓轉換為12V電壓，驅動2個MOS管產生12V的電壓。
4.如權利要求1中的礦用本安鋰電池供電系統，其特征在于: 采用新的二級保護電路，將過電流保護電阻放置在電源產品的負極端，先將過電流保護電阻上采集的電壓進行放大，放大后的過電流保護電阻電壓和基準電壓進行比較，從而使得電源端到設備端的導線可以使用較長的導線。
全文摘要
為了解決現有技術中電源無法為距離較長的設備提供穩定電力的問題。本發明提出了一種礦用本安鋰電池供電系統，包括鋰電池及其保護模塊，由鋰電池和充放電保護模塊組成，用于保護鋰電池過沖電，保護鋰電池過放電，并且在鋰電池的溫度超過危險溫度時，對鋰電池斷電；升壓模塊，用于將鋰電池的3.7V電壓轉換為負載所需的12V電壓，并輸出到二級保護線路模塊；二級保護線路模塊，由兩個相同的部分組成，每一部分包括輸出過電壓保護和輸出過電流保護。本發明采用新的二級保護電路，將過電流保護電阻放置在電源產品的負極端，先將過電流保護電阻上采集的電壓進行放大，放大后的過電流保護電阻電壓和基準進行比較，因為采用較小的過電流保護電阻，過電流保護電阻一般是毫歐級的電阻，所以線路上電阻的電壓降就小，這樣從電源端到設備端的導線就可以使用較長的導線了。
文檔編號H02H7/18GK103078300SQ20121058775
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者賈華忠, 張經, 張澤忠, 高波 申請人:山西科達自控工程技術有限公司