基于MAX17830的礦用電池電源管理系統(tǒng)設計＊

楊 熙，趙永瑞，張 興

（中國石油大學 機電工程學院，山東 青島266555）

我國是一個煤礦事故多發(fā)的國家，為進一步提高煤礦安全防護能力和應急救援水平，借鑒美國、澳大利亞、南非等國家成功的經(jīng)驗和做法，2010年，國家把建設煤礦井下避難硐室應用試點列入了煤礦安全改造項目重點支持方向。

為了滿足井下復雜的運行環(huán)境及井下避難硐室對電池電源運行穩(wěn)定、安全可靠、大電流輸出等關鍵要求，研發(fā)了基于MAX17830的礦用電池電源管理系統(tǒng)。

1 總體技術方案

根據(jù)煤礦井下的環(huán)境及井下避難硐室對電池電源運行穩(wěn)定、安全可靠、大電流輸出等關鍵要求，結合磷酸鐵鋰電池的特性，采用MAX17830作為礦用電池管理系統(tǒng)的采集與保護芯片。

本礦用電池電源管理系統(tǒng)由五部分組成，分別為顯示模塊、管理模塊、執(zhí)行機構、電池組、防爆殼。整個電池電源管理系統(tǒng)共設有4對接線口：24 V直流輸出端口、24 V直流充電端口、485通信端口和CAN通信端口[1-2]。

本礦用電池電源管理系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 礦用電池電源管理系統(tǒng)工作流程圖

2 電池電源管理系統(tǒng)硬件設計

2.1 器件選擇及布局

本礦用電池電源管理系統(tǒng)設計所采用的主要器件如表1所示。

按照器件的功能及電池管理系統(tǒng)的特點，對器件進行布局設計，器件布局情況如圖2所示。

表1 電池電源管理系統(tǒng)主要器件列表

圖2 系統(tǒng)器件布局圖

2.2 核心電路解析

2.2.1 MAX17830介紹

MAX17830芯片由美國的美信半導體公司生產(chǎn)，包含12路電壓檢測通道、12路平衡電路控制引腳及2路NTC溫度傳感器。在本電池電源管理系統(tǒng)中使用了8路電壓檢測通道、8路平衡電路控制引腳和2路NTC溫度傳感器。MAX17830采集8個單體電池的電壓并使用IIC通信協(xié)議與CPU通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU，接受CPU的控制[3-4]。

2.2.2 電池電壓采集與過充保護電路

此電路圍繞著MAX17830而設計，負責整個電池組單體電池的電壓采集、過充保護、平衡管理等，其電路設計的原理圖如3所示。

3 電池電源管理系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件基本功能

為了保證電池電源系統(tǒng)的穩(wěn)定，設計電池電源管理系統(tǒng)軟件的基本功能如下[5]：

（1）動態(tài)信息的采樣，對單體電壓、單體溫度、電池組電流、電池組電壓進行采樣；

（2）電管理，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)對充電過程、放電過程、短路情況進行報警、主動保護多級管理措施；

（3）熱管理，電池單體高于或低于指定界限時電池電源管理系統(tǒng)將采取保護措施并報警；

圖3 電池電壓采集、保護電路圖

（4）均衡管理，充、放電過程中可對單體電池持續(xù)有效地提供高達70 mA的均衡電流，每塊單體電池設有一路均衡電路；

（5）數(shù)據(jù)管理，使用CAN/485通信協(xié)議可實時讀取、調(diào)用系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)及管理系統(tǒng)工作狀態(tài)。詳實記錄過流、過壓、過溫等報警信息，作為系統(tǒng)診斷的依據(jù)；

（6）電量評估，長時間精準剩余電量估計，實驗室SoC估計精度在 97%以上（-40℃～75℃）；

（7）系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)上電時對信息采集、通信、控制等功能進行全面自檢，簡化電池系統(tǒng)維護工作。

3.2 電池電量估算

電池電量的估算方法有很多，如電流積分法、電壓法等，本系統(tǒng)采用能量守恒定律和電池內(nèi)阻的方法來對SoC進行估計[6]。

電池組的初始能量數(shù)學模型：

其中，Kt為電池電量隨溫度變化的修正系數(shù)；Kcycle為電池電量隨循環(huán)次數(shù)增加的修正系數(shù)；KE0為表征電池組結束工作以后，開路電壓是否已經(jīng)穩(wěn)定的修正系數(shù)，根據(jù)設定的時間，如果穩(wěn)定，則取 KE0=1，否則取 KE0=0；E0為電池組在停止工作時的電動勢；E0′為電池組穩(wěn)定后的電動勢。

電池組的動態(tài)電動勢模型：

電池內(nèi)阻實際變化不大，每隔一段時間t計算一次。電池組內(nèi)阻的計算數(shù)學模型：

電池組在工作時所釋放的能量數(shù)學模型：

基于能量守恒定律的SoC估計數(shù)學模型：

3.3 系統(tǒng)軟件設計

由于電池電源管理系統(tǒng)運行環(huán)境復雜，對保護人員安全具有重要的作用，為了保證電池電源管理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)[7-8]，其軟件可以劃分成6個功能模塊：開機自檢與初始化；電池電壓、電流檢測；電池平衡管理與保護；系統(tǒng)充、放電管理；通信、顯示管理；電池剩余電量計算。其軟件工作流程如下圖4所示。

本文利用MAX17830電池管理芯片，并借助飛思卡爾公司生產(chǎn)的Kinetis系列中的K10芯片設計了一種礦用電池電源管理系統(tǒng)，在硬件和軟件調(diào)試成功之后進行了96小時的連續(xù)測試，在測試期間系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地為可以外部用電設備提供大電流輸出，滿足設計需求。但當系統(tǒng)在大電流運行時電池電量估計出現(xiàn)偏差、電量估計不準確，在后續(xù)的工作中還需改進。

圖4 軟件流程圖

[1]駱華敏.嵌入式電動汽車電池管理系統(tǒng)設計[J].煤炭技術，2004，23（4）：79-80.

[2]胡建紅.基于MC9S12DP512與CAN總線的電池管理系統(tǒng)研究與設計[D].上海：上海交通大學，2008：68-72.

[3]湯競南.沈國琴.C語言單片機開發(fā)與實例[M].北京：人民郵電出版社，2008：227-243.

[4]LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng) μC/OS-II（第二版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]韓春立.基于XC164CS單片機的混合動力汽車電池管理系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009：41-44.

[6]潘雙夏.基于能量守恒和四線法的SOC估算策略研究[J].汽車工程，2007，29（5）：415-452.

[7]K10 Sub-Family Reference Manual[Z].飛思卡爾官方數(shù)據(jù)手冊，2011，6.

[8]MAX17830 Data Sheet[Z].美信官方數(shù)據(jù)手冊，2011，2.