某型搬运车防爆电气系统的研究与应用

2018-08-17赵厚宽黄海波

机电产品开发与创新 2018年4期

郭奎，赵厚宽，黄海波

（92942部队，北京 100161）

0 引言

随着大型船舶的服役，补给物资数量和种类越来越多，因此配套的补给船也趋于大型化，所携带的补给物资种类和数量也逐步增加，根据大型船舶的要求，所携带的部分特定货物也越来越多。因补给船所携带的干货和液货种类繁多，甲板和仓库环境要求复杂，其中部分甲板因补给液货会造成油气环境，特定货物的存放也对环境有较高的要求，根据补给船的设计要求，将油气环境区域、存放仓库区域划分为Ⅱ类防爆区域。因此，根据船上运输特定货物设计了某型防爆搬运车，要求能够满足存在ⅡA、ⅡB类爆炸性气体的1、2区危险场所的使用要求。

因此，根据防爆区域及搬运车防爆要求，主要是针对该车电气系统进行防爆设计。由于船上通道相对狭窄，对输转设备的尺寸和重量也有严格的限制。针对电气系统及防爆区域要求，采用了重量相对较轻、能量密度大的磷酸铁锂电池组提供电力，并对锂电池组进行了隔爆设计，采用电源管理系统进行安全有效的管理。

锂电池具有比能量高、储能效率高、循环寿命长、使用成本低等优势，还具有输入输出功率大、工作温度范围宽、无记忆效应、免维护、拥有2000次以上的充放电使用寿命、安全以及绿色环保等特点，随着新材料的出现和电池设计技术的改进，锂电池的应用范围不断被拓展。

1 设计要求

电气系统在搬运车上的作用至关重要，搬运车要求正常情况下，能够工作4小时以上（根据实际应用情况，可分为满载2小时，空载2小时），所需载重量及自身重量约为4.2吨。电气系统能够满足补给船Ⅱ类防爆区域，所用电机、动力源等部件均应符合补给船Ⅱ类防爆区域要求。

因此，防爆搬运车的动力源是采用磷酸铁锂离子电池组，电池组可为防爆电机提供电能，防爆直流电机带动油泵为液压系统提供动力。通过操作面板上调速手柄对防爆直流电机转速的调控来控制防爆输转车的行走和装卸速度。

防爆搬运车选用锂离子电池组。锂电池组通过电源管理系统提供完善的保护，实现对电池组及单体电池的电压、电流、温度等多种电池参数的在线监测，对各种故障实时报警并采取应急处理，动态计算电池组的剩余容量，还可对充电状况进行监测。

2 方案设计

2.1 电气系统组成

电气系统主要包括动力电池组、电池组管理系统、防爆显示器、防爆电机控制器、防爆交流电机、防爆防腐操作柱及线束。电气原理如图1所示。

图1 电气系统原理图Fig.1 The electrical system principle diagram

2.2 电池组及管理系统

锂电池组管理系统依据搬运车锂电池组的用电需求进行设计。可以对搬运车上的两组电池组进行管理，可以检测每组电池组总电压，电池组充、放电的电流，以及检测单体电池电压、温度。为保证电池组及搬运车工作安全可靠，管理系统对电池组充、放电进行管理和控制，并根据电池状态进行分级的电池保护，还具有对电池组中电池进行均衡充电控制功能，在充电结束后保证各单体电池电压偏差不大于1%。管理系统能够精确计算电池组剩余电量，并且用液晶屏显示电池组和单节电池状态信息和故障告警。此外还应具备应急转移功能，保证电池组因电量过低关闭放电时，能继续支持搬运车开回家或移动到更适合的位置。

电池组管理系统由管理单元、检测均衡单元、显示单元、输出功率器件、电流传感器、辅助DC/DC等组成。管理单元负责对电池组电压电流和单体电压温度数据进行分析处理，进行告警保护并控制，显示电池数据状态。检测均衡单元对应每一电池组，可对电池组每一节单体电池电压、温度进行检测。管理单元与检测均衡单元之间采用内部485总线通讯。电池组管理系统原理如图2所示。

电池组管理系统的工作电源由电池母线通过DC/DC提供。当合上上电开关后，DC/DC模块通电给电池组管理系统供电，电池组管理系统上电后自动合上K5延续给DC/DC供电，当电池组管理系统再次检测到下电开关被按下时，释放K5，电池组管理系统下电。

2.3 设计计算

根据设计要求，搬运车满载总重约4.2吨，空载总重约2.7吨，防爆电机额定功率为3kW，搬运车空载功率为电机额定功率的60%，按工作4小时，满载工作2小时，空载工作2小时计算。

电机所需电池组容量为：

所选锂电池单体规格为：额定电压3.2V，额定容量100AH（25℃）。

电池组选取32块锂电池单体，分为2组，每组16块。

电池组容量为：

设计时选用的电池组容量大于电机在规定工作状态下所需电池组容量。

根据搬运车的设计要求，分为2个电池组，每组16块电池，电池组A供电，则电池组B待机，A供电消耗到临界点时由电池组B继续供电，直至结束。

图2 电池组管理系统原理功能图Fig.2 The battery management system principle functional diagram

2.4 防爆设计

2.4.1 防爆措施

电气放电：优化电源装置的设计，并在电源装置接线和组装过程中加强工艺控制，避免电气火花的产生。将电池和电池管理系统通过隔爆外壳进行保护，在非正常状况时即使出现电气放电，也可将点燃源限制在隔爆箱中，无法成为有效点燃源。

静电放电：通过优化设计和对非金属材料的要求和选择，使静电电荷无法聚集产生静电放电。

机械摩擦碰撞火花：通过对可能出现碰撞部位的材料选择和采取保护措施，避免产生机械火花。

热表面：通过电池管理系统对电池的保护和管理，使其在正常工作中温度可控，不会形成危险热表面；在出现非正常情况时通过报警和自动切断电源防止产生危险的热表面。

电池泄放：通过电池管理系统对电池的保护、监控和管理防止电池损坏，出现泄放。

2.4.2 隔爆外壳设计

隔爆外壳是电源系统出现异常成为点燃源后的最后一道防线，隔爆外壳性能的好坏直接影响着电源装置的防爆性能。因此在设计时，进行更为全面的考虑和防护，同时提高隔爆外壳的安全系数，使隔爆外壳能经受更为严酷的条件。

在结构上将隔爆外壳的电池腔、电池管理系统腔、接线腔三个隔爆腔体分开设置，方便使用的同时，可以减少点燃源存在，减少使用和维护过程因安装、拆卸引起的风险，提高电源长期使用的安全系数。

在设计选材上，提高安全系数，选用屈服强度更高的优质材料，隔爆面加宽，箱体和法兰加厚，增强隔爆外壳承压和不传爆能力。显示窗口也采用能够承受较大冲击，耐受热剧变的透明件。

电源装置内的电池、电池管理系统及其电气连接及固定，均有防松动和防晃动的措施，腔体内电气的连接选用安全可靠的接线端子，增加绝缘措施，增大电气间隙和爬电距离，避免出现危险高温、电弧、火花。

其他零部件都要求由性能优良，耐盐雾腐蚀的材料制成，以适应海上恶劣的工作环境。电缆引入装置选用密封性能更好，防护等级更高的填料函，即使在使用中操作不当，也能保证可靠性能。

2.4.3 隔爆外壳内电池的选择及连接

影响锂电池爆炸的因素很多，比如，从设计选材方面，锂电池壳体材料、正极材料、隔膜材料、电池结构、安全阀设计；从生产制造方面，浆料均匀度控制、涂布质量控制、叠片对齐度控制、水分控制、粉尘控制、封口质量控制、化成工艺等工艺控制；从最终使用方面，使用过程中的过充、过放、外部短路、挤压、针刺等等，这些方面的不当考虑都会增加锂电池爆炸的可能性。

但归根结底电池内部的高温、高压都与产热因素有直接的关系。电池内部的产热因素众多，如果锂电池内部的热生成速率大于热散失速率，则体系内的反应温度就会不断上升。其结果可能造成两种极端情况：①反应物质的温度达到其着火温度而发生火灾；②由于锂电池是一个封闭体系，随体系内部温度升高，反应速度加快，反应物蒸气压急剧上升。同时活性物质的分解、活性物质与电解液的反应都会产生一定量的气体，其结果，在缺少安全阀保护或安全阀失效的情况下，电池内压便会急剧上升而引起电池爆炸。

本项目中电池只能采用串联的方式，仅可以使用电解液是无水有机盐的锂电池，并且不能使用有通气孔或开启式的电池，密封阀控单体电池只能用于放电的目的。电池的泄压装置必须能够可靠地开启。

根据搬运车防爆电机的功率，可知锂电池组应分为2组，每组16块，安装在隔爆壳的电池腔内，串联连接，由电源管理系统控制及保护，管理系统安装于防爆箱内，通过电压传感器、电流传感器、温度传感器等对蓄电池组进行过压、欠压、过载、短路、过温等保护，同时通过液晶显示器将电源状态及报警提示实时显示。

2.4.4 零部件防爆等级要求

根据搬运车使用环境防爆要求，防爆等级要求为Ⅱ区ExdⅡBT4，充电作业在非防爆区。

搬运车蓄电池组、电源管理系统、液晶显示屏及电机控制器采用Q235材质防爆壳进行隔离防爆，动力选用3KW三相交流防爆电机，搬运车启动及急停操作柱选用防爆操作柱，上述各主要设备防爆等级要求均需满足Ⅱ区ExdⅡBT4。搬运车接线采用矿用防爆电缆，电缆符合矿用煤安等级。各设备间连线采用防爆锁紧螺母，蓄电池和电机均设有温度传感器，达到保护温度自动停机。