矿用锂离子蓄电池电源短路保护试验系统_郭长娜.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 矿用锂离子蓄电池电源短路保护试验系统 郭长娜 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 设计了矿用锂离子蓄电池电源短路保护试验系统。系统主要由定时控制单元与数据分 析单元组成， 定时控制单元由 AVR 单片机控制主回路的闭合， 并可实现自动定时及试验回路的 断开， 数据分析单元包括数据采集卡及 LabVIEW 数据分析软件 2 部分， 数据采集卡可自动采集 主回路的电流、 短路保护元件的端电压及线圈信号， 并通过 LabVIEW 进行试验数据的分析与计 算， 最终将测试结果进行直观显示。 关键词 锂离子蓄电池； 短路保护试验系统； 定时控制； AVR 单片机； LabVIEW 中图分类号 TD685文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0136-04 Test System for Short Circuit Protection of Lithium Ion Storage Battery for Mine GUO Changna1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In this paper, the test system for short circuit protection of lithium ion storage battery is designed. The system is mainly composed of timing control unit and data analysis unit. The timing control unit is controlled by AVR MCU to close the main circuit, and can realize automatic timing and disconnect the test circuit. The data analysis unit includes the data acquisition card and LabVIEW data analysis software. The data acquisition card automatically collects the circuit current, the terminal voltage and coil signals of the short circuit protection element. The test data is analyzed and calculated through LabVIEW, and the test results are displayed visually. Key words lithium ion storage battery; short circuit protection test system; timing control; AVR MCU; LabVIEW 目前越来越多的企业选择锂离子蓄电池作为井 下机车用电源、启动电源、监控系统等产品的备用 电源等[1]， 矿用机器人项目中动力电源大多为锂离 子蓄电池电源[2]， 因此矿用锂离子蓄电池电源试验 方法的研究具有重要意义。矿用锂离子蓄电池电源 安全标志检测检验依据文件 矿用隔爆 （兼本安） 型 锂离子蓄电池电源安全技术要求 （试行） 中明确要 求锂离子电源应具有短路保护功能，短路保护时间 不超过 50 ms， 并在 10 s 内具有报警显示， 且此试验 要求短路负载电阻不超过 5 mΩ。大容量多节锂离 子电池电源短路瞬间电流很大，最大可达到几千安 培[3]， 而井下复杂环境下一旦出现短路故障若不能 在极短时间内实现保护，电池极易产生爆炸，从而 引发一系列井下安全问题[4]。因此， 此项保护功能的 检测检验至关重要。 目前国内并没有安全可靠的矿用锂离子蓄电池 电源短路保护试验设备，早期只是根据企业短路保 护功能原理通过给定大电流模拟短路，实际上真正 的短路会产生非常大的能量，其危害及不确定因素 远远大于早期所采取的模拟短路方法[5]。后期对试 验方法进行了改进，采用了小内阻直流继电器实现 主回路的短路，控制端使用手动控制开关，但此测 试方法如被检样机一旦达不到标准要求，继电器便 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.029 郭长娜. 矿用锂离子蓄电池电源短路保护试验系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 136-139. GUO Changna. Test System for Short Circuit Protection of Lithium Ion Storage Battery for Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 136-139. 移动扫码阅读 基金项目国家级安全生产监管监察技术支撑能力建设资助项目 （发改投资 〔2018〕 1371） ； 煤科集团沈阳研究院有限公司科技创新 基金资助项目 （ZC- 18- 07） 136 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 2试验主回路示意图 Fig.2Schematic diagram of test main circuit 会点燃损坏， 造成财产损失， 更对实验室设施、 检测 人员人身安全等具有很大的潜在危险。因此，研究 新的短路保护试验设备十分必要。 1总体设计 1.1试验系统设计方案 系统组成框图如图 1，系统主要包括定时控制 单元、 数据分析单元。 当定时控制单元接收到遥控触发信号发出合闸 信号至直流断路器，控制直流断路器动作，因断路 器操作机构动作具有延时[6]， 因此， 本定时控制单元 设计了信号反馈接收部分， 当以 AVR 单片机为核心 的中央处理单元采集到直流断路器动作的反馈信号 开始定时，定时时间可在试验开始前进行设置， 当 定时时间到达后，会强制断路器分闸，实现后备保 护功能。 在定时控制单元向直流断路器发出合闸、分闸 信号的同时，也将信号发送给数据分析单元。主回 路中电流、电压检测传感器检测试验过程中主回路 的电流及短路保护用元件的端电压，经数据分析单 元中的数据采集卡 AD 转换处理后传输至 LAB－ VIEW 数据分析软件， LABVIEW 经对直流断路器操 作机构动作延时时间、主回路通断时间、短路保护 动作时间准确计算，形成波形显示并自动生成数据 报表。 1.2主回路 主回路的结构框图如图 2。 建立低阻抗回路， 短 路负载电阻为 μΩ 级[7]， 远远小于 5 mΩ。用大容量 高压直流断路器连通电池组的正、 负极， 在直流断路 器有效合闸瞬间， 构成电源短路。发生短路后， 电池 组的短路保护动作， 并应在 50 ms 内切断电路电流。 实际检验过程中电源的短路保护可能存在问 题， 造成短路保护时间过长或者不保护情况， 一旦出 现这种异常， 将会对电池造成巨大损伤， 严重时甚至 发生爆炸及火灾[8]。为了在试验中避免这一异常情 况出现，本试验及分析系统将采用高压直流断路器 根据设定好的时间强制断开电路的方法实现安全的 后备保护，无论在试验前设置好的定时时间内电源 的短路保护是否动作， 都可以可靠的保证电路断开。 2定时控制单元 定时控制单元主要实现对高压直流断路器的通 断进行精确的定时控制。在进行短路试验时，巨大 的电流冲击对电池组是一个损伤的过程[9]， 为了尽 量避免短路对电池造成的过热效应，应在满足试验 的条件下， 尽量减小短路时间， 从而此试验需要一个 能够在触发短路时， 可以精确定时的控制系统。 由于电源短路保护的动作时间非常短（通常小 于 50 ms） ，而采用高压直流断路器触发短路时， 其 电磁操动机构的动作延时时间也不可忽视[10]（通常 合闸在 20 ms 左右， 分闸在 10 ms 左右） 。如若在直 流断路器合闸后， 延时很短时间就进行分闸， 可能造 成电源的短路保护不能正常触发；反之若延时很长 时间才进行分闸， 极有可能在短路保护失效后， 无法 及时切断电路电流， 造成电池损坏这一严重后果。 定时控制单元结构框图如图 3。定时触发控制 核心采用 AVR 单片机实现。中央处理电路如图 4。 考虑到安全问题，短路试验的触发信号通过远 程遥控的方式实现，在定时控制单元上设置遥控信 号接收模块， 遥控信号接收电路图如图 5， 一旦收到 远程发来的触发信号，单片机输出口输出高压直流 断路器的合闸信号，高压直流断路器电磁操动机构 图 1试验及分析系统组成 Fig.1Composition of the test and analysis system composition 137 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 立即动作，当主触点完成合闸后，其辅助触点输出 一个合闸完成信号到单片机。当单片机接收到直流 断路器的合闸完成信号后，立即启动定时器，延时 预先设定的时间后，再发出分闸信号，实现强制切 断电路电流的功能。单片机将合闸及分闸信号输出 给直流断路器的同时， 也将信号通过 IO 口传输至数 据分析单元。 延时时间和动作时序可以通过液晶显示触摸屏 界面直观地设定。触摸屏与单片机之间采用 RS232 接口进行数据通讯。 控制单元的电源为 AC220 V， 通过 AC/DC 开关 电源电路，实现多路相互隔离的不同电压输出， 其 中中央处理电路、线圈电压驱动电路及遥控信号接 收电路的电源电压为 5 V，触摸屏电源电压为 24 V。CPU 核心系统与外围电气实现了光电隔离， 极大 地提高了抗电磁干扰性能[11]， 使得定时、 动作更为可 靠。定时控制单元的控制流程图如图 6。 3数据分析单元 3.1数据分析单元设计方案 设计了数据分析单元，主要包括数据采集卡及 LabVIEW 数据分析软件 2 部分。 数据采集卡通过电流、电压检测传感器采集主 回路电流、 短路保护用元件两端电压， 经处理后通过 USB 接口将数据传输至 LabVIEW 数据分析软件。 同 时，数据采集卡接收定时控制单元发送的直流断路 器线圈合闸、 分闸信号， 并传输至 LabVIEW 数据分 析软件。以上信号均为实时真值采集，可以真实反 映系统的工作参数。 LabVIEW 数据分析软件安装在工控机上， 主要 图 6定时控制单元程序流程图 Fig.6Flow chart of timing control unit program 图 4中央处理电路 Fig.4Central processing circuit 图 5遥控信号接收电路 Fig.5Remote signal receiving circuit 图 3定时控制单元结构框图 Fig.3Structure block diagram of timing control unit 138 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 有数据显示、 量化分析、 曲线记录、 数据存储、 结果 判定等功能。所有采集通道均有数字显示和曲线显 示，采样精度可调，每通道最高采样速率可达 500 kbps。 界面曲线显示窗口长度可调， 可充分显示波形 特征。 本系统数据分析界面包括操作模式、 参数设置、 波形显示及数据报表部分。操作模式部分设计了手 动及自动合、 分闸两种模式可供选择， 包括合闸、 分 闸、报警等状态的指示。参数设置部分包括合闸定 时时间、采样速率及采样点数等设置，其中为了对 系统运行进一步保护，设计了电压、电流范围设置 栏，一旦系统运行过程中采集到的电压及电流超出 了设置范围，数据分析单元将进行报警，并将信号 及时反馈至定时控制单元， 实现故障分闸。 LabVIEW 数据分析软件经对数据采集卡传送的数据分析处理 后将线圈信号、短路保护用元件端电压、主回路电 流绘制成波形进行实时显示，另外，通过精准计算 将断路器操动机构延时时间、主回路通断时间、 短 路保护动作时间直观显示。分析软件将合闸时刻、 分闸时刻、断路器操动机构延时时间、主回路通断 时间、短路保护动作时间及故障报警等最终形成数 据报表， 可进行导出打印。 3.2测试结果分析 在短路试验过程中，由于高压直流断路器的电 磁操动机构动作需要一定时间，在电磁线圈通电 后， 不能立即使主触点闭合， 实现短路效应， 而是延 时一段时间后，主触点才闭合，回路电流以极高的 速率增加造成短路效应，可通过高压直流断路器的 线圈信号、主回路的电流测试曲线分析出线圈有信 号至回路电流极速上升的这段时间即为电磁操动机 构合闸的延时时间。 当短路发生后， 开始计时， 短路电流持续一段时 间， 短路保护开始动作， 保护成功后， 回路电流降至 零，此时高压直流断路器的线圈仍然通电，当计时 到达设定时间后，单片机发出分闸信号，经过操动 机构分闸动作延时完成分闸，线圈失电。回路电流 极速上升后又下降为 0 的这段时间即为短路保护动 作时间，此段时间应与短路保护用元件的端电压波 动时间一致。短路电流上升至线圈信号消失的时间 即为主回路通断时间（即试验开始前设置的定时控 制时间） ，从线圈信号消失至线圈失电这段时间即 为断路器操动机构分闸延时时间。 综上所述， 数据分析单元可以准确， 详细地记录 试验过程中的各关键电信号，并可以对电源短路保 护功能进行分析与判断， 另一方面， 也可以通过定时 控制对此项试验进行后备保护，可靠保障了试验的 安全性。 4结语 针对大容量锂离子蓄电池电源短路保护功能， 设计了短路保护的试验与分析系统。该系统可实现 如下功能 ①对电源短路后的主回路电流、 短路保护 用元件的端电压、 线圈信号进行精确采集与记录； ② 对试验过程中的断路器、 定时器、 触发记录等时序精 准控制；③对短路试验过程中的断路器操动机构延 时时间、 主回路通断时间、 短路保护动作时间进行准 确计算； ④对试验过程中的电压、 电流变化进行实时 记录与波形显示。 参考文献 ［1］ 黄凯.锂离子电池成组应用技术及性能状态参数估计 策略研究 ［D］ .天津 河北工业大学， 2015. ［2］ 孙继平.煤矿机器人电气安全技术研究 ［J］ .煤炭科学 技术， 2019， 47 （4） 1-6. ［3］ 韩旭.受限空间锂离子电池燃爆特性研究 ［D］ .广汉 中国民用航空飞行学院， 2019. ［4］ 赵春明， 王青松， 余彦， 等.密闭空间中锂离子电池的 热爆炸危险性 ［J］ .储能科学与技术， 2018， 7 （3） 424. ［5］ 胡志明. 锂离子电池保护元件子控制保险丝分析 ［J］ . 日用电器， 2018 （12） 65-68. ［6］ 曾南薰， 方春恩， 李伟， 等.高压直流断路器用快速机 械开关电磁缓冲研究 ［J］ .高压电器， 2020， 56 （3） 9. ［7］ 杨忠亮， 杨卫， 於崇干， 等.直流断路器用于锂电池组 保护的选择性配合 ［J］ .电器与能效管理技术， 2016 （3） 68-71. ［8］ 曲成树.安防机器人磷酸铁锂电池管理系统研制 ［D］ . 成都 电子科技大学， 2019. ［9］ 张兴.矿用锂电池电源管理系统设计与安全评价 ［D］ . 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2015. ［10］ 何俊佳.高压直流断路器关键技术研究 ［J］ .高电压技 术， 2019， 45 （8） 2353-2361. ［11］ 黄国兵， 刘小芳， 李宁， 等.嵌入式系统抗电磁干扰体 系研究与实践 ［J］ .计算机测量与控制， 2016， 24 （7） 208-211. 作者简介 郭长娜 （1986） ， 女， 天津人， 工程师， 硕士， 2012 年毕业于辽宁工程技术大学， 从事煤矿安全仪器仪表 检测检验及技术研究工作。 （收稿日期 2020-04-02； 责任编辑 李力欣） 139 ChaoXing