多功能本安型矿用电源的制作方法

1.本发明涉及矿井设备供电设备技术和矿井智能化领域，尤其涉及到一种多功能本安型矿用电源。


背景技术：

2.随着煤矿开采技术的发展，煤矿井下作业环境中使用传感器等自动化设备的程度越来越高，出现了各种矿用仪器仪表，致使本安电源在矿井中的使用越来越多,同时对其参数要求和使用要求也在提高。目前矿用本安电源在煤矿井下已经是一个不可替代的安全供电设备，因为在通常情况下，煤矿井下存在瓦斯等爆炸性气体，各种仪表都要求本安设计，在供电过程中，也需要本安电源来供电，以达到安全要求。这就要求本安电源在设计过程中一定要考虑到电路中电压、电流以及功率等情况，作好充分的保护工作，以防止过压或过流以及保护不及时而产生井下瓦斯气体爆炸等情况，造成不必要的人员和财产损失。
3.然而目前常用的矿用本安电源，由于煤矿局部环境内仪器所的供电不太稳定，故容易导致经常间断性的停电，往往在停电的情况下，不能为仪器仪表提供持续性的电压，致使仪器仪表无法正常运行，进而无法保证各类仪器仪表对设备运行的稳定性与抗干扰性。此外，现有一般的矿用本安电源没有管理功能，有的管理功能不全，在一些复杂矿井环境下无法得到有效利用。
4.例如，专利cn113572374a公开了一种具有can通信功能的矿用电源,包括交流输入模块、整流滤波电路模块、本安电路模块、can隔离耦合通信功能模块；这种电源在煤矿作业面供电电源不太稳定，则依靠本电源供电的仪器设备将无法稳定运行，影响煤矿的安全生产，同时该设备只有can一种通讯方式，若煤矿现场有其它通讯方式而无can通讯方式，则用户无法有效监控该电源的运行状态，整体而言该电源只起到了一个小变压器的功能，离当前智能化矿井的需求甚远。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种多功能本安型矿用电源，能够解决现有的本安型矿用电源功能性单一，无法适用于复杂矿井环境的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种多功能本安型矿用电源，包括：交流电源输入模块、ac-dc转换电路模块、稳压电路模块、充电保护电路模块、蓄电池、电流转换控制模块、过压过流保护模块、本安电源输出模块、mcu控制模块；
7.所述交流电源输入模块和两路ac-dc转换电路模块连接，所述两路ac-dc转换电路模块分别和两路稳压电路模块的第一端连接，其中，一路稳压电路模块的第二端和充电保护电路模块连接，另一路稳压电路模块的第二端分别与电流转换控制模块和mcu控制模块连接，所述充电保护电路模块和所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述电流转换控制模块连接，所述电流转换控制模块分别与所述过压过流保护模块和所述mcu控制模块连接，所述本安电源输出模块和所述过压过流保护模块连接；
8.所述mcu控制模块用于通过所述稳压电路模块和所述过压过流保护模块的电压与电流信号控制对所述电流转换控制模块的切换和对所述过压过流保护模块的开启或关闭。
9.可选地，所述交流电源输入模块输入的交流电压为ac127v～ac660v。
10.可选地，所述多功能本安型矿用电源输出dc12v和dc24v两类本安电压。
11.可选地，所述电流转换控制模块用于控制所述交流电源输入模块和所述蓄电池的通道输出切换。
12.可选地，所述过压过流保护模块包括晶体管和场效应管，所述过压过流保护模块用于通过所述晶体管和所述场效应管实现对电源信号的开启和关断控制。
13.可选地，所述本安电源输出模块输出至少两路dc12v和至少两路dc24v电压。
14.可选地，所述多功能本安型矿用电源还包括：can通信模块、rs485通信模块、wifi无线模块、以太网模块和5g通讯模块；
15.所述can通信模块、所述rs485通信模块、所述wifi无线模块、所述以太网模块和所述5g通讯模块分别通过通讯接口和所述mcu控制模块连接，所述mcu控制模块用于控制单独开启或全部开启各个通讯接口。
16.可选地，所述can通信模块、所述rs485通信模块、所述wifi无线模块和所述5g通讯模块分别各有至少两路信号通道，所述至少两路信号通道支持单开一路或同时开启，当任一路发生故障时，其他路用于替换投入使用。
17.可选地，所述wifi无线模块集成有可控制开启的蓝牙功能。
18.本发明提供的一种多功能本安型矿用电源，相比现有技术能够达到以下有益效果：
19.(1)本发明提供的多功能本安型矿用电源，所包含的交流电源输入模块、ac-dc转换电路模块、稳压电路模块、充电保护电路模块、蓄电池，可以联合实现电源的ups功能，保证配接的仪器仪表在交流供电不正常的情况下继续可靠工作。
20.(2)本发明提供的多功能本安型矿用电源，其充电保护电路模块含有电池管理功能，设计的电池组检测单元，可提高电池的采样精度和系统的可靠性；采用基于开关电容的主动均衡电路设计电池组的均衡单元，提高了均衡效率并降低了能量损耗；还对电池的内阻进行辨识，提出通过两级判定方法来实现在线检测电池内阻增大性失效故障。
21.(3)本发明提供的多功能本安型矿用电源，其连接的通讯接口支持了目前行业主流的有线与无线通讯总线形式，特别是支持5g无线网络接口，能够满足当前智能化矿井建设与运营的需要。
22.(4)本发明提供的多功能本安型矿用电源，其连接的电源供电渠道包含两路ac-dc转换电路模块和两路稳压电路模块，其连接的通讯接口分别有两路，可以同时或单独开启，可支持多功能本安型矿用电源实现关键部件或功能备份功能，保证电源在运行过程中的绝对安全。
23.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1示出了本发明实施例提供的一种多功能本安型矿用电源的电路结构示意图；
26.图2示出了本发明实施例提供的一种过压过流保护控制电路示意图；
27.图3本发明实施例提供的一种5g控制模块电路结构示意图；
28.图中：1-交流电源输入模块、2-ac-dc转换电路模块、3-稳压电路模块、4-充电保护电路模块、5-蓄电池、6-电流转换控制模块、7-过压过流保护模块、8-本安电源输出模块、9-mcu控制模块、10-can通信模块、11-rs485通信模块、12-wifi无线模块、13-以太网模块、14-5g通讯模块、15-网络层控制芯片、16-5g通信芯片。
具体实施方式
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面结合图1～图3描述根据本发明一些实施例的多功能本安型矿用电源。
34.近年来，随着矿井智能化的发展，各类仪器仪表对设备运行的稳定性与抗干扰性能要求也越来越高，由于煤矿局部环境内的仪器所的供电并不太稳定，经常间断性的停电，致使仪器仪表无法正常运行，这就需要提供能像ups电源一样类似的电源，保证设备在停电的情况能够安全运行，而提供ups电源的器件是蓄电池，通常蓄电池是有多节电池组组成，若在使用过程中有一节蓄电池出现质量问题将影响整个电源的ups性能，为此需要对该电源内的蓄电池进行充放电管理，减少使用过程中的对其伤害。此外，若要加强管理矿用本安电源，能够及时了解矿用本安电源的性能状态，就需要和电源进行通讯，获取电源的性能参数等数据，及时纠正矿用本安电源的使用参数，现在一般的矿用本安电源没有管理功能，有的管理功能不全，在一些复杂矿井环境下无法得到有效利用。
35.有鉴于此，本发明提供了一种具有多个管理功能且能够应用于复杂矿井环境下的
多功能本安型矿用电源，如图1所示，该多功能本安型矿用电源，包括：交流电源输入模块1、ac-dc转换电路模块2、稳压电路模块3、充电保护电路模块4、蓄电池5、电流转换控制模块6、过压过流保护模块7、本安电源输出模块8、mcu控制模块9、can通信模块10、rs485通信模块11、wifi无线模块12、以太网模块13和5g通讯模块14；交流电源输入模块1和两路ac-dc转换电路模块2连接，两路ac-dc转换电路模块2分别和两路稳压电路模块3的第一端连接，其中，一路稳压电路模块3的第二端和充电保护电路模块4连接，另一路稳压电路模块3的第二端分别与电流转换控制模块6和mcu控制模块9连接，充电保护电路模块4和蓄电池5连接，蓄电池5与电流转换控制模块6连接，电流转换控制模块6分别与过压过流保护模块7和mcu控制模块9连接，本安电源输出模块8和过压过流保护模块7连接、mcu控制模块9通过通信总线分别与can通信模块10、rs485通信模块11、wifi无线模块12、以太网模块13和5g通讯模块14连接；多功能本安型矿用电源通过mcu控制模块9监控本安电源的转换与输出，实现对蓄电池的智能充放电管理，并通过多种总线接口与其它设备或人机接口传输电源系统的实时状态。
36.在具体的应用场景中，交流电源输入模块1输入的交流电压为ac127v～ac660v。本安电源输出模块8输出至少两路dc12v和至少两路dc24v电压，进而使多功能本安型矿用电源输出dc12v和dc24v两类本安电压，具体可通过拨码开关来选择所输出本安电压的输出类型。
37.在具体的应用场景中，电流转换控制模块6能够控制实现蓄电池和交流电源之间的通道输出切换，当交流电源正常供电时，电源的本安电压通过电流转换控制模块6控制切换为交流电源输入模块1的通道输出，当交流电源没有电源输入时，电源的本安电压通过电流转换控制模块6控制切换为蓄电池5的通道输出。其中，蓄电池可为锂离子型可充电电池。
38.在具体的应用场景中，如图2所示，过压过流保护模块7包括晶体管q8、场效应管q9，q10，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7，晶体管q8和电阻r1、r2、r3、q9连接，场效应管q9和电阻r1、r3、q8连接，场效应管q10和电阻r4、r5、r6、r7连接。过压过流保护模块7可通过晶体管和场效应管实现对电源信号的快速开启和关断控制，具体的，过压过流保护模块7使用一个晶体管q8和两个场效应管q9和q10，当电源的输出电压或电流超出允许范围之后，通过电源的比较电路发出o-vi-p信号切断电源的out输出，当电源的输入电压超出允许范围则通过内部比较电路输出k1-on/off信号切断电源输出，实现矿用本安电源安全运行。
39.在具体的应用场景中，can通信模块10、rs485通信模块11、wifi无线模块12、以太网模块13和5g通讯模块14分别通过通讯接口和mcu控制模块9连接，mcu控制模块9能够根据实际工作需要控制单独开启或全部开启各个通讯接口。其中，can通信模块10对应can接口单元的can控制器集成于单片机中，can驱动器可选用82c250，该驱动器具备瞬间抗干扰、降低射频干扰(rfi)以及实现热防护的能力。为了增加系统的抗干扰性能，在can驱动器和控制器之间可增加隔离芯片6n137，隔离芯片6n137的传输延迟时间短，典型值仅为48ns，已接近ttl电路传输延迟时间的水平；rs485通信模块11对应的rs485接口单元选用max3485作为接口芯片，其具有工作电流小，数据传输速率高的特点。为了方便控制，本发明可用2只max3485芯片完成信号的收发任务，一只max3485作为接受器使用，控制端接低电平，另一只max3485作为发送器使用，其控制端接高电平；wifi无线模块12对应的wifi接口单元可通过集成传统蓝牙及低功耗蓝牙，具备可控制开启的蓝牙功能，wi-fi支持极大范围的通信连
接，也支持通过路由器直接连接以太网；蓝牙接口可以让用户连接本安手机通信连接；以太网模块13支持10m/100m/1000m/10000m自动建立连接；5g通讯模块14对应的5g接口单元选用sim8200-m2系列通讯模块，sim8200-m2系列模块支持5gnr/lte-fdd/lte-tdd/hspa 等无线通信制式，支持最高4gbps下载速率和r15 5g nsa/sa的组网方式。
40.相应的，如图3所示，5g通讯模块14包括网络层控制芯片15和5g通信芯片16，5g信号经过5g通信芯片16进入包括网络层控制芯片15，然后再进入mcu控制单元9。所述5g接口单元通过网络层控制芯片15和mcu控制单元9进行数据通讯，网络层控制芯片15选用dp83848芯片，该芯片支持rmi和mii接口形式，数据流为10m/100/自适应，满足电源的数据通信使用。
41.在具体的应用场景中，mcu控制模块9通过稳压电路模块3和过压过流保护模块7的电压与电流信号实现对电流转换控制模块6的切换和对过压过流保护模块7的开启或关闭。对于本实施例，mcu控制模块9可选用stm32f407芯片，stm32f407提供了工作频率为168mhz的cortex-m4内核(具有浮点单元)的性能，在168mhz频率下，从flash存储器执行时，stm32f407能够提供210dmips/566coremark性能，并且利用意法半导体的art加速器实现了flash零等待状态，此外，还具有dsp指令和浮点单元功能。
42.为有效保证多功能本安型矿用电源的正常运行，避免模块故障导致无法正常实现电源功能，在具体的应用场景中，can通信模块10、rs485通信模块11、wifi无线模块12和5g通讯模块14可分别配置有至少两路信号通道，至少两路信号通道支持单开一路或同时开启，当任一路发生故障时，其他路用于替换投入使用。
43.在本实施例中，所述的多功能本安型矿用电源的mcu控制模块通过通讯接口中的一种或多种发送电源的性能参数，同时电源接收指令，调整电源的状态，使电源发挥最佳性能。
44.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。