矿用大容量磷酸铁锂电池管理系统设计_芮骐骅

出短路保护和温度 保 护 功 能，从 而 实 现 电 池 组 和 单 体电池的全面保护。目前实现电池全面保护的方式 主要有２种：① 以 微 处 理 器 为 核 心，采 用 微 处 理 器 的模数转换器采集 电 池 组 所 有 单 体 电 池 电 压、温 度 和 电 池 组 电 压 。 该 方 式 使 用 灵 活 ，扩 展 性 强 ，但 设 计 较 复 杂，由 于 完 全 靠 软 件 来 控 制，相 对 可 靠 性 低。 ② 采用专门的集成芯片来 实 现 保 护［６］，其 电 路 设 计 简 单 ，可 靠 性 高 ，但 存 在 对 外 电 气 接 口 和 通 信 方 式 不 统一，不利于灵活 控 制 的 缺 点。 本 文 将 以 上 ２ 种 方 式 相 结 合 ，利 用 集 成 芯 片 实 现 电 池 组 的 监 测 ，利 用 微 处理器扩展各种接 口 对 外 通 信，从 而 实 现 对 电 池 的 智 能 化 管 理 ，具 有 可 靠 性 高 、通 用 性 强 的 特 点 。 本 文 采 用 微 处 理 器 配 合 集 成 芯 片 ＬＴＣ６８０３ 设 计电池组管 理 电 路。 单 个 ＬＴＣ６８０３ 无 需 光 耦 隔 离 即 可 同 时 监 测 １２ 节 电 池 电 压 和 温 度 ，并 与 微 处 理 器 实时进行 ＳＰＩ通 信。 当 ＬＴＣ６８０３ 监 测 到 单 体 电 池 过 压 （超 过３．６Ｖ）、欠 压 （低 于２．８Ｖ）或 电 池 温 度 达 到设定 值 （６０°Ｃ）时，微 处 理 器 会 关 断 外 部 充 电 ＭＯＳＦＥＴ 管 或 放 电 ＭＯＳＦＥＴ 管，断 开 充 放 电 回 路 。 同 时 ，微 处 理 器 检 测 充 放 电 过 程 中 电 池 组 电 流 ， 当充放电电流达到 保 护 值 或 供 电 回 路 短 路 时，微 处 理 器 同 样 会 关 断 外 部 充 电 ＭＯＳＦＥＴ 管 或 放 电 ＭＯＳＦＥＴ 管，断 开 充 放 电 回 路，保 护 电 池 组。 ＬＴＣ６８０３应用原理如图２ 所 示。Ｘ１ 为 ＳＰＩ总 线 端 口，ＣＥＬＬ１—ＣＥＬＬ８ 连 接 各 单 体 电 池，ＳＥＬＬ１— ＳＥＬＬ８驱动外置均衡 ＭＯＳＦＥＴ 管。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｎｅ－ｕｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ＬｉＦｅＰＯ４
ＲＵＩ Ｑｉｈｕａ， ＺＨＡＯ Ｌｉａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｌｅｉ， ＬＩ Ｊｉｙｕｎ （Ｔｉａｎｄｉ（Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ）Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１５，Ｃｈｉｎａ）
矿用大容量磷酸铁锂电池管理系统设计
芮 骐 骅 ， 赵 亮 ， 王 磊 ， 李 继 云
（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 ２１３０１５）
摘要：为了保证矿用磷酸铁锂电池的安全性，结合煤矿工业实际需求，设计 了 ８ 节单体 ６０ Ａ·ｈ 磷酸铁 锂电池串联、２４Ｖ 额定电压输出的矿用电池 管 理 系 统。 该 系 统 将 微 处 理 器 配 合 集 成 芯 片 ＬＴＣ６８０３ 组 成 电 池保护模块，利用安时法估算电池组电量，采用电阻分 流型均衡 技术 改善电 池 组 性 能。 现 场 应 用 结 果 表 明， 该 系 统 运 行 稳 定 可 靠 ，保 证 了 矿 用 磷 酸 铁 锂 电 池 的 安 全 高 效 性 。
第４０卷 第２期 ２０１４ 年 ２ 月
工矿自动化
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１４
文 章 编 号 ：１６７１－２５１Ｘ（２０１４）０２－０００５－０３ ＤＯＩ：１０．１３２７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１ｘ．２０１４．０２．００２ 芮 骐 骅 ，赵 亮 ，王 磊 ，等 ．矿 用 大 容 量 磷 酸 铁 锂 电 池 管 理 系 统 设 计 ［Ｊ］．工 矿 自 动 化 ，２０１４，４０（２）：５－７．
关 键 词 ：磷 酸 铁 锂 电 池 ；电 池 管 理 系 统 ；电 池 组 电 量 估 算 ；电 池 组 均 衡 中 图 分 类 号 ：ＴＤ６１１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 网 络 出 版 时 间 ：２０１４－０１－２６ ０９：３７ 网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．１３２７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１ｘ．２０１４．０２．００２．ｈｔｍｌ
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工矿自动化
２０１４ 年 第 ４０ 卷
本文设计了８节单体６０ Ａ·ｈ 磷 酸 铁 锂 电 池 串 联、 ２４Ｖ 额定电 压 输 出 的 矿 用 ＢＭＳ，保 证 了 矿 用 大 容 量串联磷酸铁锂电池组的安全性能。
１ 矿用 ＢＭＳ总体设计
煤矿井下常用的电压 包 括 直 流 ５、９、１２、１５、１８、 ２１、２４、４８、６０ Ｖ，交 流 １ １４０、６６０、３８０、２２０、１２７、 ３６Ｖ［５］，这 与 电 动 汽 车 的 直 流 电 压 （一 般 １００ Ｖ 以 上）区别较大，电 压 等 级 不 同 决 定 了 电 动 汽 车 ＢＭＳ 和矿用 ＢＭＳ 设 计 的 不 同。 矿 用 大 容 量 磷 酸 铁 锂 ＢＭＳ电 气 原 理 如 图 １ 所 示。 当 煤 矿 井 下 有 交 流 １２７、３８０或６６０Ｖ 时，充电器给电池组充电，并给负 载供电；当 交 流 停 电 时，电 池 组 给 负 载 供 电。ＢＭＳ 通过电池 保 护 模 块 开 启 或 关 断 电 池 组 的 充 放 电 回 路 ，实 现 电 池 组 的 保 护 功 能 ，并 通 过 微 处 理 器 采 集 电 池组的各单体电 池 电 压、电 池 组 电 压、充 放 电 电 流， 估算电池组的剩余电量和总电量。当电池组单体电 池电压过高 时，ＢＭＳ 开 启 均 衡 充 电 功 能，平 衡 各 单 体电池电 压。 数 据 通 信 模 块 与 电 池 保 护 模 块 通 过 ＳＭＢｕｓ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｓ）进 行 数 据 交 互， 并在数据显示模块上依次显示所有单体电池电压、 表面 温 度，电 池 组 电 压、电 流、电 池 容 量 等 参 数。 监 测设备或上 位 机 可 与 数 据 通 信 模 块 进 行 ＲＳ４８５ 或 ＣＡＮ 通信，实时获取电池组工作状态参数并控制电 池组充电或放电。
过温保护和剩余电量 估 计 等 功 能 。 ［２］ 目 前，ＢＭＳ 研 究 主 要 集 中 在 电 动 汽 车 行 业 ，参 考 文 献 ［３］介 绍 了 国 外 典 型 的 ＢＭＳ 应 用，包 括 美 国 通 用 ＥＶ１ 系 统、 ＳｍａｒｔＧｕａｒｄ系统、ＢａｔＯｐｔ系 统 等；参 考 文 献 ［４］介 绍了中国 电 动 汽 车 ＢＭＳ 发 展 状 况，国 内 高 校 如 清 华大学、北 京 交 通 大 学 等 均 在 ＢＭＳ 领 域 取 得 一 系 列研究成果和突破。 但 是 针 对 矿 用 ＢＭＳ 研 究 的 文 献 资 料 较 少 ，而 紧 急 避 险 设 施 、监 测 通 信 系 统 和 井 下 运输车辆等煤矿工业应用对大容量磷酸铁锂电池的 需 求 越 来 越 大 。 鉴 此 ，结 合 煤 矿 工 业 实 际 应 用 需 求 ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｍｉｎｅ－ｕｓｅｄ ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｍｉｎｅ－ｕｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｅｉｇｈｔ ｓｉｎｇｌｅ ６０ Ａ爛ｈ ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ２４ Ｖｒａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈｉｐ ＬＴＣ６８０３ａｓ ｂａｔｔｅｒｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｕｓｅｓ ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｅｍｐｌｏｙｓ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｓｈｕｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｓ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ，ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅｓ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ－ｕｓｅｄ ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｙ；ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｃａｐａｃｉｔｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ
０ 引 言
随着 新 型 动 力 电 池 材 料 的 研 制 成 功，磷 酸 铁 锂 电 池 以 其 能 量 高 、电 化 学 性 能 稳 定 、输 出 电 流 大 等 优 点被广泛用作动力电源。串联的磷酸铁锂电池组在 使 用 过 程 中 ，过 充 电 、过 放 电 和 温 度 过 高 都 会 影 响 其 使 用 寿 命 和 性 能，严 重 时 会 导 致 电 池 组 燃 烧、爆 炸［１］，因此，在实际使用过程中需要使用电池管 理 系 统 （Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，ＢＭＳ）保 护 磷 酸 铁 锂 电 池 组 ，实 现 过 充 电 保 护 、过 放 电 保 护 、短 路 保 护 、
芮 骐 骅 等 ：矿 用 大 容 量 磷 酸 铁 锂 电 池 管 理 系 统 设 计
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２．２ 电 池 组 电 量 估 算 电池 组 电 量 的 精 确 估 算 是 关 键 点 也 是 难 点，对
电池剩余 电 量 （Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）估 算 能 预 测 电池组后续工作时 间，而 计 算 出 整 组 电 池 电 量 能 确 认当前电池是否已 老 化、提 示 矿 方 是 否 需 要 更 换 电 池。电动 汽 车 ＢＭＳ 对 电 量 估 算 方 法 已 有 诸 多 研 究 ，主 要 包 括 安 时 法 、开 路 电 压 法 、内 阻 法 、卡 尔 曼 滤 波法［７］、神经网 络 法 等，其 中 安 时 法、开 路 电 压 法 是 最常用的 方 法。 开 路 电 压 法 利 用 开 路 电 压 和 ＳＯＣ 一定的正比关系来估算 ＳＯＣ，但 是 充 放 电 过 程 中 开 路电压无法准确 检 测，因 此 不 能 用 于 动 态 估 算。 本 文采用安时法估算电池组 ＳＯＣ 和总电量，电流对时 间的 积 分 计 算 即 电 池 组 电 量。安 时 法 对 电 池 组 ＳＯＣ 和总电量 的 准 确 估 算 关 键 在 于 回 路 电 流 采 样 的准确性，电流 测 量 不 准 就 会 造 成 计 算 误 差。 电 流 采 集 电 路 如 图 ３ 所 示，采 用 双 向 电 流 检 测 芯 片 ＭＡＸ４０８１来检测电池组充电电流Ｉｃｈａｒｇｅ或放电 电 流 Ｉｌｏａｄ，电流转换成电压信号Ｕｏｕｔ输入 微 处 理 器 模 数 转 换器。 另 外，大 量 试 验 表 明，ＳＯＣ 和 总 电 量 估 算 精 度还受电池温度的 影 响，尤 其 是 低 温 时 电 池 容 量 会 显著变化，采用安时 法 结 合 温 度 补 偿 使 估 算 误 差 控 制 在 ３％ 以 内 ，满 足 应 用 需 求 。