李博

（煤炭科學(xué)研究總院）

0 前言

煤礦井下 UPS電源是煤礦發(fā)生臨時(shí)斷電或安全事故后確保相關(guān)安全監(jiān)控和生命保障裝置運(yùn)行的重要設(shè)備，生命保障設(shè)備能否持續(xù)、可靠運(yùn)行，是遇險(xiǎn)井下工作人員的重要生存依仗。所以，研制一套符合煤礦安全規(guī)程要求、適合災(zāi)變環(huán)境使用的動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 礦用電池管理系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

鋰電池的電池管理技術(shù)主要開(kāi)始于本世紀(jì)初期，現(xiàn)處于剛起步階段。早期電池管理系統(tǒng)一般只具有監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度、電流以及保護(hù)等簡(jiǎn)單功能。隨著電池在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使用環(huán)境的復(fù)雜多樣和使用技術(shù)要求的不斷提高，使得電池管理技術(shù)得到了極大的發(fā)展。而根據(jù)煤礦井下的實(shí)際需求和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，礦用大容量電池的管理系統(tǒng)主要具備以下幾個(gè)功能：電池外部環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電池容量估計(jì)系統(tǒng)、電池組性能自檢系統(tǒng)、電池均衡系統(tǒng)等。目前煤礦井下的電池管理的大部分技術(shù)都相對(duì)比較成熟，其技術(shù)核心在于：

1) 電池組充、放電均衡的技術(shù)；

2) 電池組中單體電池性能變化的快速識(shí)別技術(shù)；

3) 電池組整體容量、性能衰減判定技術(shù)；

4) 電量管理由于受煤礦井下電源箱體的限制，不具備散熱條件，電源箱體內(nèi)的溫度需要精確控制；

5) SOC的估計(jì)算法；

6) 網(wǎng)絡(luò)化智能管理技術(shù)的突破。

2 系統(tǒng)組成與功能

煤礦井下 UPS電源電池管理系統(tǒng)主要由：?jiǎn)误w電池監(jiān)測(cè)、保護(hù)系統(tǒng)、充放電控制系統(tǒng)、SOC估計(jì)系統(tǒng)、電池均衡管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用圖1所示總線式結(jié)構(gòu)。

2.1 充放電控制系統(tǒng)

由于鋰電池本身安全性及維護(hù)需要，鋰電池的充電電壓要控制在3.5 V～3.6 V，如果充電電壓過(guò)高會(huì)產(chǎn)生安全隱患；同時(shí)鋰電池放電電壓也不能過(guò)低，如果過(guò)放，對(duì)鋰電池性能有嚴(yán)重影響。該系統(tǒng)可精確進(jìn)行充放電控制，確保鋰離子電池組使用的安全、可靠[1]。

2.2 單體電源監(jiān)測(cè)、保護(hù)系統(tǒng)

單體電源管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括：設(shè)備工作狀態(tài)、電池組電壓、單體電池電壓、充電電流、輸出電流、電池組環(huán)境溫度等，實(shí)時(shí)采集并顯示即時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及故障報(bào)警信息[2]。

保護(hù)功能主要包括：輸出短路保護(hù)、環(huán)境溫度保護(hù)（圖2為隔爆箱內(nèi)充電時(shí)箱體內(nèi)部溫度曲線）、信息采集線開(kāi)路保護(hù)，以應(yīng)對(duì)各種非正常使用狀態(tài)下對(duì)UPS電源本身及負(fù)載的保護(hù)，并定期對(duì)UPS電源進(jìn)行自檢，檢測(cè)電池的電量以及電源整體的性能[3]。

圖2 單體UPS電源箱內(nèi)溫度變化曲線

2.3 均衡管理系統(tǒng)

由于鋰離子電池制作工藝限制，單體電池之間存在電壓、內(nèi)阻、容量等差異，從而導(dǎo)致單體電池的自放電率不一致。隨著電池組多次循環(huán)不一致性的逐步累積，將嚴(yán)重影響電池組的放電效率和使用壽命。因此需要對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行均衡管理，降低各單體電池間的差異。目前鋰離子電池均衡管理的方法主要為被動(dòng)均衡型和主動(dòng)補(bǔ)償型[4]。

被動(dòng)均衡型是將電池組中電壓高于平均電壓的電池釋放部分能量，使其電壓接近平均值，即整個(gè)電池組之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的能量交換，將電池組中電壓高的單體電池多余的能量釋放，使電池組均衡。該方法雖然簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，但存在能量損耗和散熱問(wèn)題[5]。

主動(dòng)補(bǔ)償型是在充電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)均衡充電電路，在主充電機(jī)完成充電后，通過(guò)智能判斷對(duì)電壓低的單體電池通過(guò)均衡充電電路進(jìn)行小電流主動(dòng)充電補(bǔ)償，達(dá)到電池組均衡的目的。這種方法均衡效率高，均衡動(dòng)作可以控制、可增加電池組的使用壽命，保證電池組的容量，但控制電路相對(duì)復(fù)雜。該系統(tǒng)中采用主動(dòng)補(bǔ)償方式進(jìn)行均衡管理。

2.4 SOC估計(jì)系統(tǒng)

SOC估算時(shí)，充分考慮到由于內(nèi)阻因素造成的電量損失和庫(kù)倫效率，并采用目前電動(dòng)汽車常用的SOC估計(jì)方法—安時(shí)計(jì)算法為原理，見(jiàn)式（1），通過(guò)負(fù)載電流的積分估計(jì)SOC，并結(jié)合在各種溫度工況條件下鋰離子電池的活性進(jìn)行溫度補(bǔ)償并根據(jù)庫(kù)倫效率因素進(jìn)行非線性處理，擬合SOC變化的真實(shí)曲線[6]。

式中：η表示庫(kù)倫效率；CA為電池可用容量；SOC0為初始SOC。

2.5 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的核心就是把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下UPS電源管理系統(tǒng)中，在CAN總線上實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單體 UPS電源的智能管理和電量的網(wǎng)絡(luò)分配。在總線網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)工況自動(dòng)生成主機(jī)或根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定主機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)每個(gè)單體 UPS電源進(jìn)行巡檢。在 UPS電源系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)每個(gè)電源箱電量的消耗和輸出功率的大小，進(jìn)行智能切換，一方面確保生命保障設(shè)備的不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)；另一方面避免對(duì)單個(gè)UPS電源箱過(guò)載輸出和儲(chǔ)存電量最大限度使用。同時(shí)由于電源管理系統(tǒng)采用總線環(huán)網(wǎng)式控制，任一單體電源箱損壞都不影響整個(gè) UPS電源系統(tǒng)使用和電源管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的智能控制。并且在輸出穩(wěn)壓電路中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了由儲(chǔ)能到電源輸出的轉(zhuǎn)換效率，使整體UPS電源使用率達(dá)99%以上[7]。

通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)上傳UPS電源的數(shù)據(jù)到地面上位機(jī)中，使調(diào)度中心人員能及時(shí)了解每個(gè)單體 UPS電源箱的剩余電量、輸出電流、充電電流、電極溫度、電池組平衡情況、設(shè)備工況等信息，以及整個(gè) UPS電源網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，便于維護(hù)、故障及時(shí)檢修。同時(shí)在遇險(xiǎn)情況下，使地面對(duì)煤礦井下避難硐室或其他避險(xiǎn)設(shè)備的可持續(xù)生命保障能力有更詳細(xì)地了解。

3 結(jié)語(yǔ)

電池管理系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)控制方式在整個(gè)UPS電源網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)智能管理，有效提高了 UPS電源的使用效率，由于通過(guò)紅外的方式進(jìn)行人機(jī)交互，相對(duì)于隔爆按鍵方式既豐富了系統(tǒng)的功能，同時(shí)也增加了對(duì)系統(tǒng)的可操作性，解決了煤礦井下受防爆標(biāo)準(zhǔn)限制人機(jī)互動(dòng)的難題。同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任意主備機(jī)的主從互換，增加了 UPS電源系統(tǒng)供電的可靠性，并通過(guò)對(duì)鋰離子電池組的有效管理，保障了鋰離子電池組的安全、可靠使用，為鋰離子電池進(jìn)入煤礦領(lǐng)域提供了技術(shù)儲(chǔ)備和安全保障。

[1] 麻又良,陳全世,齊占寧.電動(dòng)汽車用電池SOC定義與監(jiān)測(cè)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2001,41(11):95-97,105.

[2] 蔣新華,馮毅,解晶瑩.電壓檢測(cè)電路對(duì)鋰離子電池組的影響[J].電池,2005,35(2):135-136.

[3] 李樹(shù)靖,林凌,李剛.串聯(lián)電池組電池電壓測(cè)量方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2003,24(增1):212-215.

[4] 王震坡,孫逢春,林程.不一致性對(duì)動(dòng)力電池組使用壽命影響的分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(7):577-580.

[5] 胡銀全,劉和平,張毅,等.磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組容量損耗分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(9):130-134.

[6] 史忠科.最優(yōu)估計(jì)的計(jì)算方法[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[7] 吳又宇,尹葉丹.基于CAN總線的分布式動(dòng)力電池管理系統(tǒng)[J].汽車工程,2004,26(5):530-533.