陈吉， 邹志任

(1.常州铁道高等职业技术学校，江苏　常州　213011; 2. PGI (常州)仪表元器件有限公司 ，江苏　常州　213002)



压差式电池充电器在天然气管线中的应用分析

陈吉1， 邹志任2

(1.常州铁道高等职业技术学校，江苏常州213011; 2. PGI (常州)仪表元器件有限公司 ，江苏常州213002)

在天然气管线在线检测领域，压差式电池充电器是传统的太阳能电池系统的有效且可靠的替代产品，利用输气管道压差发电，将所产生的电能储存到蓄电池。压差充电系统几乎可以安装在任何工况下，不受阴、雨、雪、冰等气候条件以及表面污染物的影响，可以实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。同时可以消除太阳能充电系统中，因为电池的经常性深度放电带来的电池维护成本。

压差式电池充电器;工作原理;充电系统;技术参数;安装方式;系统监控

0　引　言

传统天然气管线的在线检测多采用太阳能电源系统，将太阳能电池板产生的电除去杂波及稳压，并控制其电流，电压充入电池储存起来[1]。太阳能电源系统由于盗贼、野生动物、天气、各种破坏行为导致了供电电源系统的不安全或者供电不充分。美国PGI公司针对太阳能充电系统的缺陷联合中国常州分公司一起研发了太阳能电池充电器的替代产品-压差式电池充电器，有效地解决了上述问题，压差式电池充电器利用输气管道压差发电，将所产生的电能储存到蓄电池。压差式充电系统不受阳光、雨雪等复杂气象条件以及表面污染物的影响，可以实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。同时可以消除太阳能充电系统中，因为电池的经常性深度放电带来的电池维护成本。压差式电池充电器环境友好，不消耗气体，气体最终流回主管路，没有非正常排放。坚固紧凑型设计可以防止盗贼和故意破坏者的注意。安装容易，免维护。在65 psig压差下可持续产生10 W的供电，在85 psig压差下可持续产生20 W的供电，在125 psig 压差下可持续产生50 W的供电，产生的电用于蓄电池的充电，储存在蓄电池中，提供于蓄电池的接口为12 V或24 V电压。

1　基本工作原理

压差式电池充电器安装在天然气管路的旁路上，发电过程中，马达控制阀控制少量的气体流经压差控制系统 。系统装备了超小型的管道叶轮发电机构，通过旁通管线中气体，利用气体压差的动力驱动叶轮，叶轮带动发电机，发电机利用线圈切割磁力线产生电能[2]，将所产生的电能储存蓄电池。压差式电池充电器可以进行无人照管操作，连续不断地监测电池的状态，当电压低于下限，开始充电，当电压高于上限，停止充电(如图1所示)。

图1　 压差式电池充电器外形图及基本工作原理框图

图2　 三大核心部件内部电路连接图

2　压差式电池充电器系统主电路图

2.1系统主要部件电路连接图

压差式电池充电器主要有三大部件，发电机、控制器和蓄电池接口模块，发电机通常安装在管线附近，而控制器和蓄电池接口安装在蓄电池附近的安全区域。图2显示了发电机、控制器和蓄电池接口模块的系统接线图[3]。

发电机电路板是发电机电能输出的接口，同时是电机控制阀的控制信号输入接口；控制器负责检测信号的处理，控制充电器充电状态以及指示信号等；蓄电池接口板提供12/24 V充电接口，实现蓄电池与发电机以及控制器的连接。发电机电路和控制器电路分别有一个微处理器[3]。由于使用单独的处理器，发电机电路可以实现自身监控、与控制器通信，并在必要时使用发电机的电能关闭控制阀。发电机电路将会监控转速，充电电流，控制阀位置以及输出电压。所有的其他参数(蓄电池电压，蓄电池温度，ESD输入，警报输出，工作状态LED)由控制部分的微处理器监控和管理。压差式电池充电器可以在不拆除发电机防护罩的情况下实现监控。蓄电池温度传感器，电池接口螺丝端子，以及过流保护集成在蓄电池接口模块，尽可能地安装在靠近电池的位置。

2.2充电电路图

图3　充电电路图

系统充电部分电路图如图3所示，发电机发出的电能经BR1整流后，经过熔断器F1，再由电容C1，C2滤波后，得到稳定的直流电，经电阻R2后充到蓄电池中。电阻R4连接测压电路，检测发电机输出电压，微处理器根据电机输出电压，控制进口调节阀的动作[4]。当电压超过规定数值时，微处理器给出信号，电机驱动电路驱动阀门电机减小开度，从而使流过马达控制阀的气体减少，发电机转速下降，输出电压下降；反之，当电压低于规定数值时，微处理器给出信号，电机驱动电路驱动阀门电机增大开度，从而使流过马达控制阀的气体增加，发电机转速上升，输出电压上升，使输出电压稳定在额定值[5]。R2两端连接到电流检测电路上，检测充电电流大小。

3　产品特性及技术参数

压差式电池充电器配备了具有功能强大的微处理器，启动及诊断方便快捷，集成充电的温度补偿功能[6]，充电状态远程监控警告。产品符合Class1, Division 1, Group D Areas防爆要求，并取得了CSA证书。该系统发电可用的最大天然气压差为1 440 psi，可直接安装在管线上或用2″支撑杆安装。

技术参数：

充电电压：12/24 V(带温度补偿)用于胶体铅酸电池

输出功率： 环境温度68 ℉(20 ℃) 充电时提供 10 W、20 W或50 W输出

电池远程温度传感器：硅二极管

报警状态及注意事项：LED和NPN最大电压30 V，最大电流200 mA

瞬态保护：双向TVS 1 500 W峰值脉冲功率

电池短路保护：10 A PTC 过电流保护

进口供气压力：最大1 440 PSI

电气连接：1/2NPT 管(防爆)

充电循环气体流量

30 SCFM @ 10 W

40 SCFM @ 20 W

65 SCFM @ 50 W

供气连接：进口 (3/8)″ 外径不锈钢管，出口(3/4)″ FNPT

工作温度范围：-40 ℃(-40 ℉) 到60 ℃(140 ℉)

重量：6.8 kg

4　压差式电池充电器的现场安装方式(如图4、图5所示)

图5　 压差式电池充电器在新疆某西气东输站点安装图

5　压差式电池充电器系统监控功能

PGI公司自行设计的监控软件可以随时显示系统的工作状态，遇到异常时警示灯会闪烁。所有的问题处理都会被记录图6～图8所示。

图6　电池充电器工作状态显示图

6　结束语

PGI公司研发的压差式电池充电器系统环境友好，不消耗气体，气体最终流回主管路，没有非正常排放，它利用气体通过压力调节阀产生的压差驱动叶轮发电，使我们享受到了清洁安全且免费的电源。压差式电池充电器不受阳光、雨雪等复杂气象条件以及表面污染物的影响，可以在-40 ℃～60 ℃的工作环境下实现24小时不间断充电，保证了供电的稳定性和可靠性。压差式电池充电器安装简单，免维护，可以为天然气检测线路提供接口为12 V或24 V电压，目前已经在欧美发达国家得到了广泛的应用，深受用户好评，我国目前还处于小批量试用期，2013年已经应用于新疆地区的部分天然气管线，随着中国天然气线路的日益增长，相信压差式电池充电器会在中国地区运用越来越广泛！

[1] 王雪文,王洋,阎军锋,等.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[J].西北大学报,2004,34(2):163-164.

[2] 李斌勤,邓振利.电工技术[M]. 北京：中国电力出版社，2012.

[3] 闫艳霞,姜利英,姜素霞. 基于单片机的智能充电器硬件设计[J].微计算机信息, 2012,28(10):207-208.

[4] 孙肖子, 谢松云. 模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5] 赵同贺,刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[6] 杨彦兵.电动助力车用新型智能充电器控制算法研究及系统实现[D].四川：电子科技大学，2013.

An Analysis on the Application of the Differential Pressure Type Battery Charger in Natural Gas Pipelines

CHEN Ji1，ZOU Zhi-ren2

(1.Changzhou Railway Higher Vocational and Technical School, Changzhou Jiangsu 213011, China;2.PGI (Changzhou) Instrument Components Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213002, China)

The differential pressure type battery charger is an efficient and reliable substitute product for the traditional solar cell system in the field of online detection of natural gas pipelines. Power is generated through the differential pressure of the gas pipeline and stored in the accumulator. The differential pressure type charging system can be installed under almost any working condition and will not be affected by such climatic conditions as shade, rain, snow and ice, or surface pollutants, and uninterrupted charging can be realized around the clock. Thus, stable and reliable power supply is insured, and battery maintenance cost caused by frequent deep discharge in the solar charging system can be saved.

differential pressure type battery charger; operating principle; charging system; technical parameter; installation method; system monitoring

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.030

TM912

A

1000-3886(2016)01-0094-03

陈吉(1979-)，女，江苏南通人，工程硕士生，讲师，主要研究领域为电工电子技术、智能控制等。邹志任(1978-)，男，江苏丹阳人，高级工程师，主要研究领域为仪表阀门的研发。

定稿日期: 2015-05-25