1、第7期 2010年7月工礦自動(dòng)化Industr y and M ine A utomationNo.7 Ju l.2010文章編號(hào):1671-251X(201007-0030-03本安電路中鋰電池的設(shè)計(jì)要求王 琦, 汪 淳(煤炭科學(xué)研究總院上海研究院測試中心,上海 201401摘要:介紹了目前國內(nèi)外關(guān)于鋰電池的安全性能要求、本安電路中電池和電池組的設(shè)計(jì)要求,分析了本安電路電池設(shè)計(jì)中的常見問題及對(duì)策,提出了確保本安電路中鋰電池安全性能的設(shè)計(jì)要求,及電池供電的本安型設(shè)備的使用和維護(hù)要求。關(guān)鍵詞:本安電路;鋰電池;防爆;設(shè)計(jì)要求 中圖分類號(hào):TD60/68 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BDesign Require

2、ment s of Lit hium Batt ery in Intrinsically Safe CircuitWANG Q i, WANG Chun(T esting Center of Shang hai Ltd.o f CCRI.,Shang hai 201401,ChinaAbstract :T he paper introduced safety per for mance requirem ents o f lithium battery and design requirements of battery and battery pack in intrinsically sa

3、fe circuit at ho me and abro ad,analyzed com mon pro blems in designing battery o f intr insically safe circuit and corresponding co unterm easures,and proposed design requirements to insur e safety performance of lithium batter y in intrinsically safe circuit.Besides,it pro posed r equirements of u

4、se and maintenance of intrinsically safe dev ices pow er -supplied by battery.Key words :intrinsically safe circuit,lithium battery,explosio n pro of,design requirem ent 收稿日期:2010-04-06基金項(xiàng)目:/十一五0國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007BAK22B0201-2作者簡介:王 琦(1980-,男,山西大同人,碩士,2007年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué),現(xiàn)主要從事本安型防爆電器的檢驗(yàn)工作。E -mail:w anggqi0 引

5、言危險(xiǎn)的工作環(huán)境可能含有易燃?xì)怏w、煙霧、粉塵或易燃性纖維等,極易發(fā)生爆炸事故,對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全造成極大危害。眾所周知,爆炸必須具備3個(gè)條件:可燃物、氧氣和點(diǎn)燃源。為了有效預(yù)防爆炸事故,需設(shè)法避免以上3個(gè)條件同時(shí)存在,即通過選用不同的防爆技術(shù)措施來保證爆炸性環(huán)境的安全。在爆炸性環(huán)境中使用的電氣設(shè)備有多種防爆型式,如隔爆型、增安型、本質(zhì)安全(簡稱本安型、澆封型、正壓型等1。其中本安防爆型式是通過限制電路能量達(dá)到防爆的目的,其它型式都是采用機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)防爆的目的。本安防爆型式與其它防爆型式相比,具有適用范圍廣(本安防爆型式是惟一可用于0區(qū)危險(xiǎn)場所的防爆型式、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)低、易操作維

6、護(hù)等特點(diǎn)。因此,本安防爆型式已為眾多電氣設(shè)備制造廠及用戶所接受和歡迎。目前大部分便攜式本安設(shè)備都由電池供電,其中鋰電池因其電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長而被自動(dòng)化儀表廠商廣泛采用。但鋰電池的安全問題一直備受關(guān)注。近年來,屢屢發(fā)生鋰電池爆炸傷人事故,存在極大的安全隱患。鑒此,本文將探討本安電路中使用鋰電池的設(shè)計(jì)要求及注意事項(xiàng)。1 鋰電池的安全性能要求由于鋰電池自身結(jié)構(gòu)和原理方面的缺陷,在鋰電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生幾百安培的過大電流。發(fā)生外部短路時(shí),鋰電池瞬間大電流放電,在內(nèi)阻上消耗大量能量,產(chǎn)生巨大熱量,會(huì)引起爆炸;鋰電池過充時(shí),可能會(huì)析

7、出金屬鋰,在殼體破裂的情況下,金屬鋰與空氣直接接觸導(dǎo)致其燃燒,同時(shí)引燃電解液,發(fā)生強(qiáng)烈火焰,氣體急速膨脹,最終導(dǎo)致爆炸發(fā)生。另外,某些鋰電池若使用不當(dāng),如擠壓、沖擊和進(jìn)水等會(huì)導(dǎo)致電池膨脹、變形和開裂,從而導(dǎo)致鋰電池短路,在放電或充電過程放熱引起爆炸事故。對(duì)此,多個(gè)國家職能部門和國際權(quán)威的產(chǎn)品安全測試機(jī)構(gòu)都制定了嚴(yán)格的鋰電池檢驗(yàn)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),如美國安全檢測實(shí)驗(yàn)室公司(Underw riters Laboratories Inc.,U L的5U L1642鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)6等。針對(duì)煤礦安全儀器儀表用鋰電池,我國國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心也制定了5煤礦安全儀器儀表用鋰原電池安全標(biāo)志檢驗(yàn)規(guī)范6和5煤礦安全儀

8、器儀表用鋰離子蓄電池安全標(biāo)志檢驗(yàn)規(guī)范6,該規(guī)范規(guī)定各生產(chǎn)單位選用(生產(chǎn)的鋰電池應(yīng)符合規(guī)范中的相關(guān)安全性能要求,并取得由國家認(rèn)可的檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)依據(jù)該規(guī)范或安全性能不低于該規(guī)范要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出具的檢測檢驗(yàn)合格報(bào)告。2本安電路中電池和電池組的設(shè)計(jì)要求(1使用電池供電的本安設(shè)備(該設(shè)備在危險(xiǎn)區(qū)域使用,并且沒有其它的保護(hù)手段,如隔爆外殼中,電池應(yīng)具有電解質(zhì)不可能溢出的結(jié)構(gòu)或加以密封,以防止電解質(zhì)損壞本安電路。可排放易燃?xì)怏w的電池盒應(yīng)通風(fēng),以防止易燃?xì)怏w濃度累加。同一電池組中所有的電池應(yīng)具有同一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)、同樣的電芯設(shè)計(jì)和額定容量,并由同一個(gè)制造商生產(chǎn)。同一個(gè)電池組不能混合使用原電池和充電電池。在一個(gè)本

9、安設(shè)備內(nèi)部,嚴(yán)禁隨意互換原電池和可充電電池(電池組。原電池不得充電,如該設(shè)備內(nèi)部存在另一個(gè)電壓源可能和原電池互連,應(yīng)采取預(yù)防措施,以防止充電電流通過原電池。在電池組需要使用限流器件保護(hù)其自身安全,且電池組擬在爆炸性環(huán)境使用并更換時(shí),電池組應(yīng)與限流器件通過澆封等方法構(gòu)成一個(gè)可整體替換的組件,該組件應(yīng)能通過GB3836.120002中規(guī)定的跌落試驗(yàn);如不在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境場所更換電池或電池組時(shí),還可以將電池或電池組安置在一個(gè)具有GB3836.12000規(guī)定的特殊緊固件腔體內(nèi),并符合以下要求:¹電池或電池組支架或與設(shè)備連接方式應(yīng)設(shè)計(jì)成在安裝和更換時(shí)不會(huì)降低設(shè)備的本安性能的結(jié)構(gòu);º對(duì)

10、于手持式電氣設(shè)備或處于待機(jī)狀態(tài)的攜帶式電氣設(shè)備,應(yīng)承受GB3836.12000中規(guī)定的跌落試驗(yàn);»設(shè)備應(yīng)具有符合GB3836.1 2000規(guī)定的警告標(biāo)志,如/在爆炸性環(huán)境中不得拆卸電池或電池組0。對(duì)于帶外部充電觸點(diǎn)的可充電電池或電池組,應(yīng)采取措施防止短路或防止單體電池和電池組向觸點(diǎn)釋放足以點(diǎn)燃火花的能量。注意應(yīng)使用規(guī)定的電池組充電器充電,或用適當(dāng)額定值的熔斷器和阻塞用二極管、可靠限流電阻等保護(hù)電路。(2應(yīng)依據(jù)GB3836.420001附錄A中的表A1,限制電池及電池組的能量。在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí),電池電壓可取表1中/對(duì)火花點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定的峰值開路電壓0值。如果電池及電池組的最大短路電流小于

11、GB3836.42000附錄A中的表A1中相應(yīng)防爆等級(jí)1.5倍安全系數(shù)欄中所對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流值,可直接作為電路供電電源使用。如果電池及電池組的最大短路電流大于最小點(diǎn)燃電流值,應(yīng)在電池中串聯(lián)限流器件。需要注意的是,當(dāng)電池和電池組不適用表1時(shí),則應(yīng)按GB3836.42000第10.9條規(guī)定的試驗(yàn)來測定最高開路電壓。表1電池開路電壓IEC型式電池型式對(duì)火花點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定的峰值開路電壓/V對(duì)元件表面溫度評(píng)定的正常電壓/V K鎳-鎘鉛-酸(干式鉛-酸(濕式1.52.352.671.32.22.2L堿-錳 1.65 1.5M汞-鋅 1.37 1.35N汞-二氧化錳-鋅銀-鋅1.61.631.41.55S鋅

12、-空氣 1.55 1.4A鋰-二氧化錳 3.7 3.0C鋅-二氧化錳(鋅-碳鎳-氫化物1.7251.61.51.3根據(jù)IEC60079-11:20064標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如果本安設(shè)備內(nèi)置不允許在爆炸性氣體環(huán)境中更換的電池,當(dāng)滿足下列條件時(shí),可以不要求在電池的端子處進(jìn)行火花點(diǎn)燃放電試驗(yàn):¹單節(jié)電池的峰值開路電壓小于4.5V;º電池端子處的最大電壓和瞬態(tài)電流的乘積不超過33W。上述放寬條件的理由是4.5V的電壓太低,在缺少電感的情況下不能觸發(fā)電弧,并且在考慮1.5倍安全系數(shù)時(shí),IEC60079-11:2006附錄A中ÒC組電阻電路曲線允許的電壓和電流的乘積達(dá)到33W。3本安電

13、路電池設(shè)計(jì)中的常見問題及對(duì)策(1電池保護(hù)元件位置不對(duì)。如對(duì)于需要限制能量元件的電池,限流電阻和保險(xiǎn)絲應(yīng)盡可能靠近#31#2010年第7期王琦等:本安電路中鋰電池的設(shè)計(jì)要求電池終端。這些元件和電池應(yīng)通過封裝或其它方法構(gòu)成一個(gè)可以成套替換的集成保護(hù)單元。(2大多數(shù)電池供應(yīng)商會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)電池拆封套管,但該套管太薄,不能滿足GB3836.42000中表4的相鄰電池間固體絕緣最小距離為0.5m m的要求。使用該種薄套管時(shí),很可能由于間隔不夠造成電池正負(fù)極間直接短路,使得限流元件失效。所以電池設(shè)計(jì)圖紙中應(yīng)明確指定最小厚度為0.25mm的套管,使2個(gè)相鄰電池間套管的絕緣厚度達(dá)到0.5mm。(3在電池正、負(fù)極之

14、間存在環(huán)狀的絕緣體,該絕緣體提供了符合GB3836.42000中規(guī)定的0.5mm隔離厚度的一部分。如果沒有這種絕緣體,那么正負(fù)極上間距就有問題,容易造成電池短路。4本安電路中鋰電池的設(shè)計(jì)要求考慮到鋰電池在某些情況下爆炸的可能性較大,建議對(duì)鋰電池有更嚴(yán)格的本安要求,即取消用戶可替換的鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而設(shè)計(jì)為只能由專業(yè)技術(shù)人員替換的結(jié)構(gòu)。鋰電池應(yīng)焊接或者封裝在PCB板上,或設(shè)置在密封外殼或熱收縮包裝內(nèi),這樣做的目的是防止用戶自己更換鋰電池。同時(shí),在鋰電池上或使用鋰電池供電的設(shè)備貼上標(biāo)牌,警告用戶不得擅自更換電池。用于本安設(shè)備的鋰電池,即使其已經(jīng)通過了一些檢測機(jī)構(gòu)的安全性能測試,仍需要進(jìn)行本安火花試

15、驗(yàn),檢測其是否符合本安要求,例如若本安電路中除了鋰電池,還有另一個(gè)電源供電,該電源產(chǎn)生的電流可能進(jìn)入鋰電池。此時(shí)按GB3836.42000要求,鋰電池應(yīng)該能在1.5倍的最大電路故障電壓和電流下不會(huì)產(chǎn)生爆炸或造成火災(zāi)。為了避免上述可能發(fā)生的爆炸,并建立符合要求的本安輸出,對(duì)鋰電池一般作以下要求(所有的保護(hù)元件應(yīng)與鋰電池封裝為一體或通過其它方法形成一個(gè)防篡改的集成塊:(1在鋰電池的輸出端加合適的限流電阻,以確保鋰電池的輸出具有本安特性;(2使用2個(gè)阻塞二極管加限流電阻,防止回充電電流從其它電源進(jìn)入鋰電池;(3若在本安電路設(shè)計(jì)中存在可以產(chǎn)生輔助電流的倒極性電源,可在限流電阻和阻塞二極管后面的鋰電池輸

16、出端再連接2個(gè)并聯(lián)二極管用來分流。5電池供電的本安型設(shè)備的使用和維護(hù)要求在危險(xiǎn)場所安裝、使用和維護(hù)本安設(shè)備時(shí),必須保持本安電路原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的電氣參數(shù)和保護(hù)性能,不得改變?cè)O(shè)備本安電路和與本安電路有關(guān)的元器件的電氣參數(shù)、規(guī)格和型號(hào)。在電氣設(shè)備的銘牌上和使用說明書中注明該產(chǎn)品僅可使用指定型號(hào)容量的電池等,并增加相應(yīng)的警告用語,如:/警告:僅可適用某種規(guī)格型號(hào)電池!0、/警告:不得在危險(xiǎn)場所充電!0、/警告:嚴(yán)禁在爆炸性環(huán)境更換電池!0等。6結(jié)語依據(jù)本安電路原理,介紹了本安電氣設(shè)備中對(duì)電池或電池組的設(shè)計(jì)要求,指出了本安電路電池設(shè)計(jì)中的一些常見問題,并重點(diǎn)提出了對(duì)鋰電池的一些設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格按照

17、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,采取適當(dāng)有效的保護(hù)措施,保證電氣設(shè)備的本安性能,以確保生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備和人身安全。參考文獻(xiàn):1汪淳,王琦,于超龍.現(xiàn)場總線本安型防爆系統(tǒng)在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性分析J.工礦自動(dòng)化,2010(1:14-16.2GB3836.12000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分:通用要求S.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.3GB3836.42000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分:本質(zhì)安全型/i0S.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004. 4IEC60079-11:2006爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第11部分:本質(zhì)安全型/i0S.BPJ4/5礦用隔爆兼本安型交流變頻器BP J4/5礦用隔爆兼本安型交流變頻器是由天地(常州自動(dòng)化股份有限公司研制推出的新一代礦用變頻器。該變頻器采用矢量控制技術(shù),適用于交流50H z、電壓11