1、第7期 2010年7月工礦自動化Industr y and M ine A utomationNo.7 Ju l.2010文章編號:1671-251X(201007-0030-03本安電路中鋰電池的設(shè)計要求王 琦, 汪 淳(煤炭科學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)計要求,分析了本安電路電池設(shè)計中的常見問題及對策,提出了確保本安電路中鋰電池安全性能的設(shè)計要求,及電池供電的本安型設(shè)備的使用和維護要求。關(guān)鍵詞:本安電路;鋰電池;防爆;設(shè)計要求 中圖分類號:TD60/68 文獻標識碼: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基金項目:/十一五0國家科技支撐計劃重點項目(2007BAK22B0201-2作者簡介:王 琦(1980-,男,山西大同人,碩士,2007年畢業(yè)于同濟大學,現(xiàn)主要從事本安型防爆電器的檢驗工作。E -mail:w anggqi0 引

5、言危險的工作環(huán)境可能含有易燃氣體、煙霧、粉塵或易燃性纖維等,極易發(fā)生爆炸事故,對人身和財產(chǎn)安全造成極大危害。眾所周知,爆炸必須具備3個條件:可燃物、氧氣和點燃源。為了有效預防爆炸事故,需設(shè)法避免以上3個條件同時存在,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到防爆的目的,其它型式都是采用機械手段實現(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)危險場所的防爆型式、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價低、易操作維

6、護等特點。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、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長而被自動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)計要求及注意事項。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,可能會產(chǎn)生幾百安培的過大電流。發(fā)生外部短路時,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,會引起爆炸;鋰電池過充時,可能會析

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致其燃燒,同時引燃電解液,發(fā)生強烈火焰,氣體急速膨脹,最終導致爆炸發(fā)生。另外,某些鋰電池若使用不當,如擠壓、沖擊和進水等會導致電池膨脹、變形和開裂,從而導致鋰電池短路,在放電或充電過程放熱引起爆炸事故。對此,多個國家職能部門和國際權(quán)威的產(chǎn)品安全測試機構(gòu)都制定了嚴格的鋰電池檢驗規(guī)范或標準,如美國安全檢測實驗室公司(Underw riters Laboratories Inc.,U L的5U L1642鋰電池安全標準6等。針對煤礦安全儀器儀表用鋰電池,我國國家礦用產(chǎn)品安全標志中心也制定了5煤礦安全儀器儀表用鋰原電池安全標志檢驗規(guī)范6和5煤礦安全儀

8、器儀表用鋰離子蓄電池安全標志檢驗規(guī)范6,該規(guī)范規(guī)定各生產(chǎn)單位選用(生產(chǎn)的鋰電池應符合規(guī)范中的相關(guān)安全性能要求,并取得由國家認可的檢測檢驗機構(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)標準出具的檢測檢驗合格報告。2本安電路中電池和電池組的設(shè)計要求(1使用電池供電的本安設(shè)備(該設(shè)備在危險區(qū)域使用,并且沒有其它的保護手段,如隔爆外殼中,電池應具有電解質(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。可排放易燃氣體的電池盒應通風,以防止易燃氣體濃度累加。同一電池組中所有的電池應具有同一個電化學系統(tǒng)、同樣的電芯設(shè)計和額定容量,并由同一個制造商生產(chǎn)。同一個電池組不能混合使用原電池和充電電池。在一個本

9、安設(shè)備內(nèi)部,嚴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)部存在另一個電壓源可能和原電池互連,應采取預防措施,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其自身安全,且電池組擬在爆炸性環(huán)境使用并更換時,電池組應與限流器件通過澆封等方法構(gòu)成一個可整體替換的組件,該組件應能通過GB3836.120002中規(guī)定的跌落試驗;如不在爆炸性危險環(huán)境場所更換電池或電池組時,還可以將電池或電池組安置在一個具有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)備連接方式應設(shè)計成在安裝和更換時不會降低設(shè)備的本安性能的結(jié)構(gòu);º對

10、于手持式電氣設(shè)備或處于待機狀態(tài)的攜帶式電氣設(shè)備,應承受GB3836.12000中規(guī)定的跌落試驗;»設(shè)備應具有符合GB3836.1 2000規(guī)定的警告標志,如/在爆炸性環(huán)境中不得拆卸電池或電池組0。對于帶外部充電觸點的可充電電池或電池組,應采取措施防止短路或防止單體電池和電池組向觸點釋放足以點燃火花的能量。注意應使用規(guī)定的電池組充電器充電,或用適當額定值的熔斷器和阻塞用二極管、可靠限流電阻等保護電路。(2應依據(jù)GB3836.420001附錄A中的表A1,限制電池及電池組的能量。在設(shè)計電路參數(shù)時,電池電壓可取表1中/對火花點燃危險評定的峰值開路電壓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中相應防爆等級1.5倍安全系數(shù)欄中所對應的最小點燃電流值,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燃電流值,應在電池中串聯(lián)限流器件。需要注意的是,當電池和電池組不適用表1時,則應按GB3836.42000第10.9條規(guī)定的試驗來測定最高開路電壓。表1電池開路電壓IEC型式電池型式對火花點燃危險評定的峰值開路電壓/V對元件表面溫度評定的正常電壓/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標準規(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,當滿足下列條件時,可以不要求在電池的端子處進行火花點燃放電試驗: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,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到33W。3本安電

13、路電池設(shè)計中的常見問題及對策(1電池保護元件位置不對。如對于需要限制能量元件的電池,限流電阻和保險絲應盡可能靠近#31#2010年第7期王琦等:本安電路中鋰電池的設(shè)計要求電池終端。這些元件和電池應通過封裝或其它方法構(gòu)成一個可以成套替換的集成保護單元。(2大多數(shù)電池供應商會提供標準電池拆封套管,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,很可能由于間隔不夠造成電池正負極間直接短路,使得限流元件失效。所以電池設(shè)計圖紙中應明確指定最小厚度為0.25mm的套管,使2個相鄰電池間套管的絕緣厚度達到0.5mm。(3在電池正、負極之

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,建議對鋰電池有更嚴格的本安要求,即取消用戶可替換的鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,而設(shè)計為只能由專業(yè)技術(shù)人員替換的結(jié)構(gòu)。鋰電池應焊接或者封裝在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,在鋰電池上或使用鋰電池供電的設(shè)備貼上標牌,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)通過了一些檢測機構(gòu)的安全性能測試,仍需要進行本安火花試

15、驗,檢測其是否符合本安要求,例如若本安電路中除了鋰電池,還有另一個電源供電,該電源產(chǎn)生的電流可能進入鋰電池。此時按GB3836.42000要求,鋰電池應該能在1.5倍的最大電路故障電壓和電流下不會產(chǎn)生爆炸或造成火災。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,對鋰電池一般作以下要求(所有的保護元件應與鋰電池封裝為一體或通過其它方法形成一個防篡改的集成塊:(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個阻塞二極管加限流電阻,防止回充電電流從其它電源進入鋰電池;(3若在本安電路設(shè)計中存在可以產(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)備的使用和維護要求在危險場所安裝、使用和維護本安設(shè)備時,必須保持本安電路原設(shè)計狀態(tài)下的電氣參數(shù)和保護性能,不得改變設(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。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容量的電池等,并增加相應的警告用語,如:/警告:僅可適用某種規(guī)格型號電池!0、/警告:不得在危險場所充電!0、/警告:嚴禁在爆炸性環(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)備中對電池或電池組的設(shè)計要求,指出了本安電路電池設(shè)計中的一些常見問題,并重點提出了對鋰電池的一些設(shè)計要求。設(shè)計人員應嚴格按照

17、有關(guān)標準的要求,采取適當有效的保護措施,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:1汪淳,王琦,于超龍.現(xiàn)場總線本安型防爆系統(tǒng)在煤礦自動化系統(tǒng)中應用的可行性分析J.工礦自動化,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:中國標準出版社,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:中國標準出版社,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