基于鋰電池的礦用在線式不間斷電源技術(shù)研究

華堯++趙康

摘要：該不間斷電源系統(tǒng)采用主控箱和電池箱分離的方式，實(shí)現(xiàn)分機(jī)的級(jí)聯(lián)，可以通過(guò)更改電池箱數(shù)目來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的使用需求。研制組通過(guò)對(duì)不間斷電源的關(guān)鍵、重要技術(shù)、市場(chǎng)等方面進(jìn)行了深入的技術(shù)論證與研究攻關(guān)工作，樣機(jī)已經(jīng)過(guò)有效的驗(yàn)證。本文對(duì)具體的研究過(guò)程及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，為相關(guān)電池、電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞： BMS，SOC，均衡，CAN，級(jí)聯(lián)

1引言

傳統(tǒng)礦用鋰電池箱和鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)集成在一個(gè)隔爆箱中，額定功率和電池容量已經(jīng)固定，對(duì)于避難硐室和機(jī)車(chē)電源等系統(tǒng)，要求電池電源具有大容量和大功率輸出能力，實(shí)現(xiàn)將主控箱和電池箱分離，通過(guò)更改電池箱數(shù)目來(lái)滿足不同場(chǎng)合的使用。

2系統(tǒng)功能和性能

該系統(tǒng)的基本功能為保證對(duì)用戶(hù)供電的不間斷，當(dāng)外部輸入660V、127V交流電時(shí)，UPS主板將輸入交流電整流為直流給逆變器供電，然后經(jīng)逆變、濾波輸出AC127V，同時(shí)輸出 DC24V及18V本安，當(dāng)外部供電斷電時(shí)，通過(guò)外部的鋰電池箱向主控制箱供電，從而保證電源的不間斷。

為了讓鋰離子電池一直工作于正常狀態(tài)，系統(tǒng)需要對(duì)電池組定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)充、放電循環(huán)，保持電池組活性。用戶(hù)可以根據(jù)負(fù)載大小及后備供電時(shí)間的需求，選擇礦用防爆型鋰離子蓄電池電源的級(jí)聯(lián)數(shù)量。

3總體設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際需求，研制組將主控箱與電池箱分離，系統(tǒng)連接如圖1所示。

如圖1所示，電池箱并聯(lián)接進(jìn)主控箱，主控箱通過(guò)CAN與電池箱進(jìn)行通信來(lái)管理電池箱。整套系統(tǒng)基本功能即為保證對(duì)用戶(hù)供電的不間斷，當(dāng)外部輸入660V、127V交流電時(shí)，UPS主板將輸入交流電整流為直流給逆變器供電，然后經(jīng)逆變、濾波輸出AC127V，同時(shí)輸出 DC24V，當(dāng)外部供電斷電時(shí)，通過(guò)電池箱內(nèi)鋰離子蓄電池電源向控制箱供電，從而保證AC127V、 DC24V電壓輸出的不間斷。

4主控箱設(shè)計(jì)

4.1 主控箱原理

主控箱組成原理框圖如圖2所示。

工作原理如下：輸入變壓器將外部交流供電（AC660V、127V之一）變換為AC127V，AC127V一路輸入U(xiǎn)PS主板，然后經(jīng)整流、濾波、逆變輸出交流127V； 127V另一路接到充電器的輸入端，充電器的啟動(dòng)由主控板控制。主控板通過(guò)CAN總線選擇一臺(tái)級(jí)聯(lián)的鋰離子蓄電池電源（圖2下部虛線框圖）充電；AC127V還有一路接入到AC/DC模塊，輸出24VDC，用于主控板、18V本安電源及24VDC的輸出。

ARM顯示控制板通過(guò)CAN總線選擇相應(yīng)的鋰離子蓄電池電源箱，其電池組輸出端經(jīng)強(qiáng)電盒開(kāi)關(guān)接入到24VDC/DC模塊和UPS電源主板，DC/DC模塊將電池組輸出電壓轉(zhuǎn)換為24VDC，與AC/DC模塊輸出的24VDC在顯控板上通過(guò)二極管并接，用于電源交流輸入異常時(shí)的24VDC供電。

UPS主板將電池組的輸出電壓升壓作為逆變器的備用電源，在外部供電斷電時(shí)將電池組電壓逆變?yōu)榻涣?27V輸出，從而保證輸出不間斷供電。

當(dāng)電池組電壓跌落到放電截止電壓時(shí)，主控板通過(guò)CAN總線斷開(kāi)放電開(kāi)關(guān)，選擇另一臺(tái)鋰離子蓄電池電源箱繼續(xù)給主控箱供電。直到所有級(jí)聯(lián)的鋰離子蓄電池電源箱放電完畢，整個(gè)UPS電源停止工作。當(dāng)外部交流供電恢復(fù)，UPS主板又切換回由輸入交流供電。

在UPS電源正常運(yùn)行時(shí)，主控板通過(guò)CAN總線選擇一臺(tái)鋰離子蓄電池電源箱進(jìn)行自放電。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將系統(tǒng)信息傳送到地面控制室，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放電控制。

4.2 ARM顯示控制板

ARM顯示控制板通過(guò)CAN口與電池內(nèi)的BMS電池管理系統(tǒng)板進(jìn)行通信，并將UPS主板、各電池模塊的信息通過(guò)電控箱上的LCD液晶屏顯示。同時(shí)ARM顯示控制板通過(guò)以太網(wǎng)口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與控制。CPU采用意法半導(dǎo)體的公司的STM32F103RE處理器，屬于ARM Cortex-M3架構(gòu)。

5電池箱設(shè)計(jì)

5.1 電池箱原理

電池箱組成原理框圖如圖3所示。

工作原理如下：BMS12電池管理系統(tǒng)板主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理鋰離子電池，并通過(guò)CAN與主控箱進(jìn)行通訊，向電控箱發(fā)送電池狀態(tài)信息，同時(shí)接收電控箱指令，控制充放電開(kāi)關(guān)對(duì)電池組進(jìn)行充放電控制。電池箱內(nèi)部安裝有放電電阻，UPS電源正常運(yùn)行時(shí)，ARM顯控板通過(guò)CAN總線選擇一臺(tái)鋰離子蓄電池電源箱進(jìn)行自放電以維護(hù)鋰離子蓄電池的活性。

5.2 BMS12電池管理系統(tǒng)板

BMS12電池管理系統(tǒng)板同樣采用STM32處理器作為主控，采用24V直流供電，電池管理系統(tǒng)板通過(guò)PTC熱敏電阻對(duì)每節(jié)單體電池的溫度進(jìn)行測(cè)量；采用LTC6803電池監(jiān)視芯片對(duì)單體電池電壓進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行均衡處理；通過(guò)霍爾傳感器獲取充放電電流，并對(duì)充、放電進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制；具有異常保護(hù)、報(bào)警等功能，通過(guò)RS232串口與主控箱內(nèi)的ARM顯控板通信。

6關(guān)鍵技術(shù)分析

a）鋰離子電池組管理（BMS）技術(shù)研究

針對(duì)礦用鋰電池不間斷電源研制需求，研究礦用鋰電池組高精度SOC預(yù)測(cè)與均衡策略的電池管理技術(shù)、高精度和高抗干擾數(shù)據(jù)采集技術(shù)，開(kāi)發(fā)出基于鋰電池的高性能電池管理系統(tǒng)，并整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，方便以后升級(jí)和擴(kuò)展。自主編制BMS上位機(jī)軟件界面，通過(guò)串行接口監(jiān)測(cè)與設(shè)置板卡運(yùn)行參數(shù)。

a）基于總線方式的電池?zé)徇B接擴(kuò)容技術(shù)

采用了基于總線的主控箱與電池箱分離的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以根據(jù)需求靈活增減電池容量，一臺(tái)主控箱可以連接多達(dá)32臺(tái)電池箱。本產(chǎn)品除完成單體電源的全部功能外，還需對(duì)多臺(tái)電池箱的進(jìn)行監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)其投切及充放電等控制，主控箱內(nèi)的ARM顯示板對(duì)電池箱內(nèi)的BMS電池管理系統(tǒng)具有熱連接的管理能力，電源系統(tǒng)能夠像USB設(shè)備一樣將外部電池箱隨時(shí)接入或脫離系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)市電、電池工作模式之間的零延時(shí)切換、實(shí)現(xiàn)電池箱之間的無(wú)縫投切。

b）磷酸鐵鋰離子電池的在線SOC估算

磷酸鐵鋰離子電池的性能出眾，但其化學(xué)特性讓SOC電池容量估算變得較為復(fù)雜。項(xiàng)目組對(duì)單體磷酸鐵鋰離子電池建立了等效電路模型，根據(jù)等效電路模型列出了系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。通過(guò)調(diào)試確定電池等效電路模型的參數(shù)，包括SOC曲線函數(shù)的獲取，相應(yīng)電阻、電容值的確定。在確定電阻值時(shí)，考慮到電流的影響，擬制出電流的函數(shù)，提高了模型的精度，根據(jù)安時(shí)法由系統(tǒng)狀態(tài)空間方程得出SOC估算公式。在實(shí)際環(huán)境中結(jié)合電池充放電，進(jìn)行在線式SOC估算，達(dá)到較高的估算準(zhǔn)確性。

c）基于LTC6803芯片的被動(dòng)均衡技術(shù)

傳統(tǒng)的均衡使用了繼電器放電的方式，電池?cái)?shù)量多時(shí)檢測(cè)復(fù)雜，可靠性低。項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)分析論證選擇采用了LTC6803電池管理芯片，結(jié)合MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管與功率電阻，實(shí)現(xiàn)放電回路，由處理器控制MOSFET導(dǎo)通對(duì)單體電池進(jìn)行放電均衡。

7結(jié)束語(yǔ)

本研究研在技術(shù)上有很大自主創(chuàng)新，內(nèi)部關(guān)鍵部件ARM主控板、BMS電池管理系統(tǒng)硬件及其嵌入式軟件均為自研，完成BMS上位機(jī)軟件、上位機(jī)遠(yuǎn)程通信軟件，擁有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該電源應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)中，配置靈活，可以保證礦下設(shè)備工作的不間斷，為安全方面提供有效保障，具備很好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：華堯（1982-），男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。endprint