АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ВНУТРЕННЕЙ САМОЗАЩИТОЙ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
BATTERY POWER SUPPLY SYSTEM WITH INTERNAL PROTECTION USED IN UNDERGROUND MINING

Изобретение относится к аккумуляторной системе электропитания с внутренней самозащитой для электрического оборудования при подземных горных работах и в других взрывоопасных или насыщенных рудничным газом областях, содержащей по меньшей мере один перезаряжаемый аккумуляторный элемент, расположенный в корпусе батареи.
При подземных горных работах, а также при работах в других взрывоопасных или насыщенных рудничным газом областях возникает необходимость обеспечения электрического оборудования независимо от распределительной электросети достаточным самозащищенным напряжением. Например, при подземных горных работах в системах дистанционного управления, в измерительных приборах в труднодоступных местах и для другого электрооборудования применяются аккумуляторные системы электропитания, которые используют никель-кадмиевые аккумуляторные элементы (NiCd-аккумуляторы). NiCd-аккумуляторы обладают незначительной зарядной емкостью и плохими характеристиками перезарядки, которые проявляются в случае, если NiCd-аккумуляторы перед перезарядкой не были полностью разряжены, и проявляются в так называемом «эффекте памяти», то есть в понижении зарядной емкости. Из-за пониженной зарядной емкости NiCd-аккумуляторов при подземных горных работах требуется большое количество запасных аккумуляторов, которые необходимо доставлять под землю и там складировать. Перезарядка NiCd-аккумуляторов происходит исключительно на поверхности, при этом транспортировка заряженных и разряженных аккумуляторов представляет проблему для материально-технического снабжения.
При подземных горных работах разрешено использовать исключительно источники электропитания, которые допущены для применения во взрывоопасных областях и которые соответствуют действующим положениям по типу взрывозащиты (например, ATEX, IEC, Eex и т.д). Каждое освидетельствование также связано со значительными расходами. Поэтому по причине высокой стоимости нецелесообразно повторное использование аккумуляторов во взрывоопасных областях.
Поэтому при подземных горных работах зачастую используются аккумуляторные системы электропитания с внутренней самозащитой, которые технологически не отвечают новейшим стандартам и по своей конструкции соответствуют системам, известным из документа DE 30 50 751 C2, опубл. в 1980 г. Системы аккумуляторного электропитания включают в себя NiCd-аккумуляторные элементы, которые располагаются в корпусе батареи, а также электронику без внутренней самозащиты, которая залита силиконкаучуком в корпусе для электроники. Оба корпуса вставлены вместе во внешний корпус. В качестве альтернативного варианта аккумуляторные элементы могут быть залиты вместе с необходимым блоком защитной схемы, тем самым будут соблюдены действующие нормативы по типу взрывозащиты. Ремонт подобных систем аккумуляторного электропитания, в особенности замена аккумуляторов, невозможны без ощутимых затрат.
Литиевые аккумуляторы все чаще вытесняют ранее применявшиеся свинцовые батареи и NiCd-аккумуляторы не только в подземных горных работах, но и в области коммуникаций и индустрии развлечений. Поэтому возникают стремления использовать литиевые аккумуляторы и для других областей техники, что следует из документа DE 695 18 147 T2. Это касается водных литий-ионных батарей. Однако при эксплуатации литиевых аккумуляторных элементов, как следует из DE 695 18 147 T2, возникают значительные проблемы в области безопасности относительно возможных взрывов аккумуляторных элементов. Поэтому применение литиевых аккумуляторных элементов при подземных горных работах и в других взрывоопасных областях до сегодняшнего дня не наблюдалось.
Задачей настоящего изобретения является создание аккумуляторной системы электропитания с внутренней самозащитой, которая нашла бы применение при подземных горных работах и в других взрывоопасных областях и в которой бы использовались аккумуляторные элементы, отвечающие современному состоянию технического развития, выдерживающие освидетельствование на соответствие существующим на данный момент типам взрывозащиты при минимальных дополнительных затратах.
Согласно изобретению указанная задача решается посредством того, что как минимум один аккумуляторный элемент выполнен в виде перезаряжаемого литиевого аккумуляторного элемента, а корпус батареи имеет прочную конструкцию, которая обеспечивает взрывозащищенность всех аккумуляторных элементов. Согласно данному изобретению аккумуляторная система электропитания с внутренней самозащитой помещается в корпусе батареи, которая сконструирована таким образом, что находящиеся в ней литиевые аккумуляторные элементы не представляют опасности для окружающей среды в случае взрыва.
В аккумуляторной системе электропитания согласно изобретению используется устойчивый к давлению корпус батареи, имеющий разрешение на допуск к эксплуатации по типу взрывозащиты, поскольку корпус имеет предписанное сопротивление к внутреннему давлению, которое может быть вызвано взрывом литиевого аккумуляторного элемента. Даже замена литиевых аккумуляторных элементов фактически внутри устойчивого к давлению и прошедшего освидетельствование корпуса батареи не приводит к прекращению действия разрешения на эксплуатацию аккумуляторной системы электропитания.
Благодаря прочной конструкции корпуса батареи литий-ионные аккумуляторные элементы можно использовать при подземных горных работах. У этих аккумуляторов отсутствует заметный «эффект памяти», они имеют значительно более долгий срок службы и одновременно делают возможным более длительный срок эксплуатации под землей при существенно более высокой зарядной емкости.
В предпочтительном исполнении корпус батареи является газонепроницаемым и устойчивым к давлению. Еще более предпочтительным является выполнение корпуса батареи устойчивым к действию электролита. Вышеназванные меры призваны служить тому, чтобы в конструкции литиевых аккумуляторов можно было применять различные аккумуляторные технологии, не получая заново разрешение на допуск к эксплуатации по типу взрывозащиты. Особое преимущество заключается в том, что мелкие изменения в конструкции элементов, в фактической структуре литиевых аккумуляторных элементов и в корпусе батареи не требуют нового разрешения на допуск к эксплуатации по типу взрывозащиты. Поэтому новые технологии могут незамедлительно быть интегрированы согласно данному изобретению в аккумуляторную систему электропитания с внутренней самозащитой.
В литиевых аккумуляторных элементах могут использоваться любые возможные аккумуляторные технологии. В предпочтительном варианте речь идет о литий-ионных, литий-полимерных аккумуляторах или литиевых аккумуляторах с жидким электролитом. В качестве примера можно сослаться на документ DE 695 18 147 T2.
Чтобы обеспечить электрически стабильную работу литиевых аккумуляторов, встроенных в устойчивый к сжатию корпус батареи, независимо от их технологического устройства, предпочтительно расположить в корпусе батареи вместе с литиевыми аккумуляторами схему с внутренней самозащитой для ограничения перенапряжения и/или ограничения максимального тока. С помощью этой схемы можно ограничивать назначенное напряжение и назначенный ток на клеммах или контактах непроницаемого корпуса батареи всегда со стороны аккумулятора и до определенного электрического максимального параметра, независимо от применяемого типа аккумулятора.
В другом возможном варианте осуществления изобретения к аккумуляторам в корпусе батареи дополнительно подключается зарядная схема, при этом литиевые аккумуляторы могут заряжаться через зарядный штепсель, который соединен с подземной защищенной электросетью. В предпочтительном исполнении корпус батареи помещается во внешний корпус или снабжается дополнительным корпусом для того, чтобы аккумуляторная система электропитания была по существу построена по типу блочной конструкции, при которой в устойчивом к давлению корпусе батареи расположены размещенные в капсуле литиевые аккумуляторные элементы, которые можно сочетать со всеми необходимыми или желательными схемами, находящимися во внешнем корпусе. Кроме того, при таком исполнении корпус батареи может состоять из легковесного, устойчивого к возникающему при давлении напряжению материала, такого как легкий металл, в особенности алюминиевый лист, в то время как внешний корпус выполнен из подходящего синтетического материала.
Аккумуляторная система электропитания может содержать зарядную схему, в особенности снабженную внутренней защитой, которая находится внутри внешнего корпуса вне корпуса батареи. Преимущественной является конструкция, в которой зарядная схема содержит электронную аппаратуру регулирования для регулировки зарядного тока и зарядного напряжения для литиевых аккумуляторных элементов. Что касается конструкции с внешним корпусом, то особенно выгодным является исполнение внешнего корпуса с зарядным гнездом, к которому подключается зарядный штепсель от подземной электросети. На внешнем корпусе могут быть также установлены гнезда для подачи зарядного тока и отбора тока и/или переключатель, и/или выключатель. Предпочтительной при таком исполнении является установка внутри внешнего корпуса и вне батарейного корпуса необходимой для эксплуатации защитной схемы. Целесообразно также промежуточное включение зарядной и защитной схемы между электроконтактами или соединительными проводами на корпусе батареи и зарядным гнездом, а также гнездом для отбора тока.
В особо предпочтительном варианте исполнения литиевые аккумуляторы выдают в корпусе батареи внутреннее рабочее напряжение, которое выше, чем внешнее рабочее напряжение, подаваемое на электрооборудование. Чтобы получить достаточно высокий потенциал напряжения, можно установить несколько включенных последовательно литиевых аккумуляторных элементов. Чтобы обеспечить зарядку от подземной электросети, несмотря на высокий внутренний потенциал напряжения и, кроме того, не вызвать перенапряжения на конечном потребителе, целесообразно оснастить зарядную схему и/или схему ограничения тока трансформатором постоянного тока для преобразования напряжения до соответственно более низкого внутреннего рабочего напряжения. Для преобразования можно применять DC/DC-трансформаторы.
Дальнейшие преимущества и варианты исполнения данного изобретения представлены графически.
На фиг.1 в позиции 10 показана батарейная система электропитания для подземных горных работ. На показанном примере батарейная система электропитания включает в себя корпус 1 батареи, устойчивый к давлению, а также внешний или дополнительный корпус 2. Корпус 1 батареи включает аккумуляторный ящик 3, в камере 4 которого находится литий-ионный аккумулятор 5, который, в свою очередь, состоит из нескольких литий-ионных аккумуляторных элементов. Аккумуляторный ящик 3 плотно закрыт крышкой 6 аккумуляторного ящика 3, через которую можно смонтировать литий-ионные аккумуляторные элементы во внутренней камере 4. Крышка 6 аккумуляторного ящика крепится при помощи множества резьбовых соединений 7. Толщина стенок аккумуляторного ящика 3 и крышки 6, а также резьбовые соединения выполнены таким образом, чтобы корпус 1 батареи оставался закрытым, газонепроницаемым и устойчивым к давлению, если во внутренней камере 4 произойдет взрыв с определенным, максимальным давлением взрыва. Предел прочности корпуса 1 батареи подбирается в соответствии с максимально ожидаемым давлением при разрыве литий-ионных аккумуляторных элементов. Материал для аккумуляторного ящика 3, крышки 6, а также для расположенных между ними уплотнений выбирается таким образом, чтобы корпус 1 батареи был газонепроницаемым и устойчивым к электролитам, которые применяются в литиевых аккумуляторах 5 для создания подвижности ионов. Это необходимо для обеспечения электропитанием электрооборудования при подземных горных работах с помощью одного или нескольких аккумуляторных элементов 5.
'
'
На показанном примере внешний корпус 2 на лицевой стороне аккумуляторного ящика 3 напротив крышки 6 привинчивается с помощью резьбового соединения 8. Данный пример служит только для схематического разъяснения конструкции, при этом в другом предпочтительном исполнении аккумуляторный ящик 3 и его крышка 6 изготавливаются из легкого металла, например из алюминия, внешний же корпус 2 состоит из подходящего синтетического материала и полностью охватывает аккумуляторный ящик и крышку 6. Таким образом, у системы 10 электропитания отсутствуют металлические поверхности. На изображенном примере поверхность 3аккумуляторного ящика 3 и поверхность 6 крышки 6, состоящие из алюминия, также оснащены покрытием из синтетического материала для обеспечения подобного эффекта.
Во внешнем корпусе 2 расположена схема 9 с печатной платой, оснащенная несколькими функциями. Все цепи на плате обладают внутренней защитой. Схема 9 соединена через электрические соединения 11, 12 или электрические линии, а также минимум через одну линию 13 для температурного датчика с соответствующими контактами на литиевом аккумуляторе 5. В дне аккумуляторного ящика 3 имеется отверстие 14 для линий 11-13, причем в отверстии 14 расположен проходной изолятор 15, устойчивый к давлению, который полностью закрывает отверстие и проходит через встроенные детали, заливочные массы и/или опоры устойчивости. На монтажной плате схемы 9 к одному выводу подключается зарядная схема с внутренней защитой, а к другому - защитная схема. Защитная схема включена в промежуток между линиями 11-13 и применяемым при подземных горных работах, показанным схематически гнездом 16 для отбора тока, к которому может подключаться потребитель электроэнергии. Дополнительно к гнезду 16 для отбора тока во внешнем корпусе 2 располагается зарядное гнездо 17. На монтажной плате схемы 9 находится также зарядная схема, которая включена в промежуток между зарядным гнездом 17 и соединительными линиями 11, 12 для литиевых аккумуляторных элементов. Это сделано для того, чтобы была возможность зарядки литиевых аккумуляторов или аккумулятора через зарядный штекер, который подключается к подземной сети электроснабжения и который не показан на чертеже.
В предпочтительном исполнении на соединительных клеммах 11 и 12 литиевых аккумуляторных элементов 5 создается напряжение, которое выше напряжения, используемого для работы устройств управления, измерительных приборов и других нестационарных электроприборов, которые не могут быть подключены к подземной электросети. Как зарядная схема, так и защитная схема 9 на монтажной плате включают в себя трансформатор постоянного тока (DC/DC-трансформатор). Он служит для преобразования внутреннего рабочего напряжения аккумуляторных элементов 5 в необходимое внешнее напряжение в гнезде 16 для отбора тока. Соответствующим образом осуществляется преобразование рабочего напряжения в зарядном гнезде 17 в необходимое более высокое рабочее напряжение.
На фиг.2 изображено, что во внутренней камере 4 может быть дополнительно расположена схема для ограничения максимального тока и/или ограничения перенапряжения, которые ограничивают максимальное значение выходного напряжения литиевых аккумуляторных элементов. Кроме того, зарядная схема может включать в себя электронную аппаратуру регулирования для регулировки зарядного тока и зарядного напряжения.
Для специалиста очевидны различные модификации, которые попадают в объем охраны, определяемый патентной формулой. Приведенный пример является схематичным и не должен ограничивать сферу применения изобретения.