一种煤矿巡检机器人电池组井下安全充电方法与流程

1.本发明属于电子电路领域，涉及一种煤矿巡检机器人电池组井下安全充电方法。


背景技术：

2.煤矿井下机器人是减少煤矿井下作业人员的有效措施，对煤矿企业减员增效和提高安全性都具有重要意义。随着人工智能技术及机器人技术的日益发展，巡检机器人在各种领域中被广泛应用，可替代或辅助人类进行重复性强、耗时费力、劳动密集型巡检工作。
3.煤矿井下皮带轨道巡检机器人应用越来越广泛，按行走方式分类主要有钢丝绳牵引式及自驱式。自驱式巡检机器人采用电池组供电，输出电源供机器人行走电机使用，具有沿轨道或轮式自主行走、自主充电、长时定点驻足、安装成本低等优点。电池组采用锂电池或镍氢电池，具有能量密度大、寿命长的优点。电池组电量不足时，巡检机器人需进行充电以补充能量。
4.由于煤矿的安全防爆要求，目前研究较多的煤矿巡检机器人充电方式包括地面充电、井下无线充电、井下防爆接口充电、井下机电转换充电等。
5.1)地面充电对充电装置和充电接口无防爆要求，可大电流充电，充电效率高。煤矿井下巡检机器人电池电量不足时，如果巡检机器人距离地面较近，可从井下行走返回地面充电，或者巡检机器人电池组为可拆卸设计，由人工将电池组拆卸后带至地面进行充电，地面充电方式较为灵活，可为无线或有线充电，充电完成后再由人工带至井下更换电量不足的电池组。
6.2)井下无线充电功率小、充电慢，由于无线发射的电磁波可能导致天线附近金属类管、线、设备产生感应电流，受井下防爆环境限制，容许的充电容量较地面更小，连续发射射频源的阈功率不应超过6w，无法满足巡检机器人快速充电需求；这种方式适用于全本安化设计的小型巡检机器人。
7.3)井下防爆接口充电是目前最主要的充电方式，充电时在专用充电硐室或充电舱内进行。充电装置及蓄电池采用隔爆型设计，采用隔爆腔对接和隔爆球阀等防爆结构实现电气与机械的充电闭锁保护，隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池在对接状态、充电状态和分离状态均应保证形成独立的隔爆腔；在对接状态、充电状态和分离状态均有独立的安全闭锁机构，确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前，机器人及其充电装置的充电接口不带电，避免产生电弧、电火花和危险温度，引爆瓦斯。充电装置。
8.4)井下机电转换充电主要有机械旋转发电、风力发电、水力发电等充电方式。采用隔爆型电动机旋转、风力、水力等机械能带动隔爆型发电机进行发电，经专用充电装置对机器人搭载的电池组进行充电。
9.几种充电方法优劣对比如表1所示。
10.表1煤矿巡检机器人充电方法比较
[0011][0012]
1)地面充电对充电装置和充电接口无防爆要求，但巡检机器人需从井下行走一定路程返回地面充电，额外消耗电池组能量且往返时间较长，不适用于离地面较远的机器人；如果采用人工更换电池组的方式，又额外增加了人力消耗，降低了巡检机器人的自动化程度。
[0013]
2)井下无线充电功率小、充电慢，由于无线发射的电磁波可能导致天线附近金属类管、线、设备产生感应电流，受井下防爆环境限制，容许的充电容量较地面更小，无法满足巡检机器人快速充电需求；
[0014]
3)井下防爆接口充电对防爆外壳结构结合面的平整度、间隙等要求十分严格，因而对接过程中对运动控制的精度要求也很高。煤矿井下环境恶劣、隔爆设备又相对笨重，粉尘、机械撞击、巷道形变等都会对对接精度产生影响，难以保证隔爆面能够长期保持高精度以便达到安全要求。
[0015]
4)井下机电转换充电存在机械能-电能转换效率问题，充电装置整体充电效率一般。巡检机器人自身搭载防爆型发电机，正常巡检时发电机无法工作，而隔爆型发电机重量及体积在机器人中占据一定的比例，造成一定的能量损耗，消弱了电池组的续航能力。
[0016]
综上，巡检机器人充电方法各有利弊，都存在一定的局限性，无法满足巡检机器人自主、智能、快速充电的应用需求。


技术实现要素：

[0017]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿巡检机器人电池组井下安全充电方法，采用煤矿井下允许使用的小功率本安电源隔离串联后得到高电压从而达到大功率安全快速充电的目的。
[0018]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0019]
一种煤矿巡检机器人电池组井下安全充电方法，该方法包括以下步骤：
[0020]
将固定式充电站和移动式巡检机器人搭载的本安充电电路连接；
[0021]
所述固定式充电站由多个本安电源及单片机控制器组成，输出4路本安电源供移动巡检机器人使用，多路本安电源输出汇集在充电端，供移动巡检机器人受电端进行对接；巡检机器人需要充电时，自主向固定式充电站附近移动，巡检机器人自身受电端与充电站充电端进行对接，充电站单片机控制器检测到对接成功后接通开关s1～s4输出4路本安电源，巡检机器人充电电路进行工作对自身电池组进行充电；充电站通过无线接收到巡检机器人充电完成信号后，关断s1～s4切断4路本安电源输出，充电过程完成；
[0022]
移动式巡检机器人搭载的本安充电电路由隔离电路和充电电路构成，隔离电路对每路输入的本安电源进行隔离，隔离后进行串联，通过电源变换电源对电池组进行充电；
[0023]
移动巡检机器人电池组充电电路实现4路本安电源隔离变换及电池充电功能；本安电源通过隔离变换实现本安电路与非本安电路的电气隔离；4路隔离后的电源输出进行串联提高输出电压从而得到大功率电源，通过单片机进行buck电源变换，同时采集电池组充电电压、充电电流、温度信息，实现电池组充电过程控制及管理；
[0024]
移动巡检机器人搭载的充电电路包括上电缓冲电路、原边推挽变换电路、整流电路、电压反馈环路、电流反馈环路和顺序启动控制电路；电路采用浇封方式，以满足《gb3836-2021爆炸性环境》对电容、电感的安全要求。
[0025]
可选的，所述原边推挽变换电路、电压反馈环路和整流电路构成隔离开关电源变换电路；
[0026]
u1为推挽开关电源控制芯片，输出两路pwm信号控制q2、q3完成推挽式开关电源变换；op3a、d8构成电压反馈电路，使开关电源输出稳定电压；d6、d7、l1、c6构成整流电路，将隔离变换后的脉动电压整流为直流电压；u1芯片fb引脚为误差放大反相输入端，当此引脚电位为高时，u1芯片停止工作从而关闭开关电源电压输出，此引脚用作开关电源是否工作的使能控制端。
[0027]
可选的，所述电流反馈环路包括电流检测及电流比较电路，电流反馈环路检测组合电源正极的输出电流，同时输出4个反馈信号送入4路开关电源变换电路中，以便4路隔离开关电源的输出电流总是保持一致；当组合电源输出电流小于最大输出电流imax时，无反馈信号输出，每个开关电源工作在电压模式，确保输出电压稳定在某个范围内；imax＝0.7/r23；当组合电源输出电流达到输出电流imax后，输出反馈信号送入4路开关电源变换控制芯片comp控制脚，控制芯片使组合电源输出电流稳定在imax。
[0028]
可选的，所述顺序启动控制电路为输出电压检测电路；
[0029]
当第1路开关电源输出电压即pwr1+/pwr1-间的电压值大于一定值时光耦op3导通，输出解锁信号，解锁信号输入到下一级的开关电源工作使能控制端进行解锁，则此路开关电源正常启动；依次类推，实现4路隔离推挽开关电源的自上而下的顺序启动，以在pwr1+与pwr4-之间逐渐建立输出电压。
[0030]
可选的，所述移动巡检机器人搭载的充电电路由buck电源变换电路、电流检测、电压检测和单片机组成；
[0031]
q6、q7及外围驱动电路构成buck电源变换电路，u4为同步驱动芯片，使q7工作在同步开关状态，减小buck电源的开关损耗；r15为检流电阻，u3为电流放大芯片，输出信号供单片机监视充电电流；r17、r18为分压电阻，供单片机监视实时充电电压；单片机通过采集电压、电流信号，输出pwm信号实时控制q6进行buck电源变换，完成电池组充电控制。
[0032]
本发明的有益效果在于：
[0033]
1)采用井下允许使用的本安电源作为电能来源，电路安全可靠；
[0034]
2)采用多路本安电源进行隔离后串联提高输出电压达到增大功率的目的，可灵活配置本安电源的路数以达到不同的功率；
[0035]
3)具有顺序启动功能，防止多路电源启动时间不同导致的电压反充现象；
[0036]
4)电路具有电压及电流控制模式，使电源输出不超过设计电压及电流。
[0037]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0039]
图1为本安充电方法功能图；
[0040]
图2为本安充电方法功能图；
[0041]
图3为典型上电缓冲电路；
[0042]
图4为隔离开关电源变换电路；
[0043]
图5为电流检测及电流比较电路；
[0044]
图6为顺序启动控制电路电路；
[0045]
图7为电池充电电路。
具体实施方式
[0046]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0047]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0048]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
[0049]
本发明属于开关电源、电力电子技术领域，提出一种采用多路小功率本安电源隔离串联的巡检机器人电池组井下大功率安全快速充电方法。本安电源属煤矿井下允许的安全性较高的电源设备，但单个本安电源输出功率较小，其输出电压甚至小于电池组的标称电压，无法对电池组进行大功率充电。采用多个小功率本安电源隔离串联的方式，将小功率电源进行功率叠加，达到对电池组大功率充电的目的。
[0050]
巡检机器人电池组本安充电方法由固定式充电站和移动式巡检机器人搭载的本安充电电路构成。功能图如图1所示。
[0051]
固定式充电站由多个本安电源及单片机控制器组成，可输出多路本安电源(4路)
供移动巡检机器人使用，多路本安电源输出汇集在充电端，供移动巡检机器人受电端进行对接。巡检机器人需要充电时，自主向固定式充电站附近移动，巡检机器人自身受电端与充电站充电端进行对接，充电站单片机控制器检测到对接成功后接通开关s1～s4输出4路本安电源，巡检机器人充电电路进行工作对自身电池组进行充电。充电站通过无线接收到巡检机器人充电完成信号后，关断s1～s4切断4路本安电源输出，充电过程完成。
[0052]
移动式巡检机器人搭载的本安充电电路由隔离电路和充电电路构成，隔离电路对每路输入的本安电源进行隔离，隔离后进行串联，通过电源变换电源对电池组进行充电。
[0053]
移动巡检机器人电池组充电电路实现4路本安电源隔离变换及电池充电功能。本安电源通过隔离变换实现本安电路与非本安电路的电气隔离。4路隔离后的电源输出进行串联提高输出电压从而得到大功率电源，通过单片机进行buck电源变换，同时采集电池组充电电压、充电电流、温度等信息，实现电池组充电过程控制及管理。
[0054]
移动巡检机器人搭载的充电电路包括上电缓冲电路、原边推挽变换电路、整流电路、电压反馈环路、电流反馈环路、顺序启动控制电路等。为加强本安与非本安电路间的安全隔离及绝缘等级，整个电路采用浇封方式，以满足《gb3836-2021爆炸性环境》对电容、电感的安全要求。具体功能框图如图2所示。
[0055]
(1)上电缓冲电路
[0056]
原边推挽开关电源变换电路的输入端需要提供相对稳定的输入电压，因此需要在本安电源输入端串接大电容以稳定输入电压。矿用本安电源具有过流过压保护功能，因此上电时需加入上电缓冲电路，避免本安电源因上电时由于存在大电容导致的大电流冲击而进入保护状态。上电缓冲电路采用常用典型电路构成，如图3所示。
[0057]
(2)原边推挽变换电路、电压反馈、整流电路
[0058]
由于输入的本安电源功率较小，为达到电源的最大利用效率，采用推挽式开关电源拓扑结构。原边推挽变换电路、电压反馈、整流电路三个电路构成隔离开关电源变换电路。如图4所示。
[0059]
u1为推挽开关电源控制芯片，可输出两路pwm信号控制q2、q3完成推挽式开关电源变换；op3a、d8构成电压反馈电路，使开关电源输出稳定电压；d6、d7、l1、c6构成整流电路，将隔离变换后的脉动电压整流为直流电压；u1芯片fb引脚为误差放大反相输入端，当此引脚电位为高时，u1芯片停止工作从而关闭开关电源电压输出，此引脚可用作开关电源是否工作的使能控制端。
[0060]
(3)电流检测及电流比较电路
[0061]
如图5所示，电流检测及电流比较电路构成电流反馈环路，电流反馈环路检测组合电源正极的输出电流，同时输出4个反馈信号送入4路开关电源变换电路中，以便4路隔离开关电源的输出电流总是保持一致。当组合电源输出电流小于最大输出电流imax(imax＝0.7/r23)时，无反馈信号输出，每个开关电源工作在电压模式，确保输出电压稳定在某个范围内；当组合电源输出电流达到输出电流imax后，输出反馈信号送入4路开关电源变换控制芯片comp控制脚，控制芯片使组合电源输出电流稳定在imax。
[0062]
(4)顺序启动控制电路
[0063]
顺序启动控制电路实质为输出电压检测电路，如图6所示。
[0064]
当第1路开关电源输出电压即pwr1+/pwr1-间的电压值大于一定值时光耦op3导
通，输出解锁信号，此信号输入到下一级的开关电源工作使能控制端进行解锁，则此路开关电源可正常启动。依次类推，可实现4路隔离推挽开关电源的自上而下的顺序启动，以便在pwr1+与pwr4-之间逐渐建立输出电压。
[0065]
(5)电池充电电路
[0066]
电池充电电路由buck电源变换电路、电流检测、电压检测、单片机等组成。如图7所示。
[0067]
q6、q7及外围驱动电路构成buck电源变换电路，u4为同步驱动芯片，使q7工作在同步开关状态，减小buck电源的开关损耗。r15为检流电阻，u3为电流放大芯片，输出信号供单片机监视充电电流。r17、r18为分压电阻，供单片机监视实时充电电压。单片机通过采集电压、电流信号，输出pwm信号实时控制q6进行buck电源变换，完成电池组充电控制。
[0068]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。