矿用锂离子蓄电池电源短路保护试验系统

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。

图1 试验及分析系统组成
Fig.1 Composition of the test and analysis system composition

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LABVIEW 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。

图2 试验主回路示意图
Fig.2 Schematic diagram of test main circuit

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。

图3 定时控制单元结构框图
Fig.3 Structure block diagram of timing control unit

图4 中央处理电路
Fig.4 Central processing circuit

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。

图5 遥控信号接收电路
Fig.5 Remote signal receiving circuit

图6 定时控制单元程序流程图
Fig.6 Flow chart of timing control unit program

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。