李 博

(煤炭科學研究總院，北京 100013)

·機電與自動化·

礦用車載型鋰離子電源管理系統(tǒng)設計

李 博

(煤炭科學研究總院，北京 100013)

針對大容量鋰離子電池電源開始在煤礦推廣和應用的發(fā)展趨勢，設計出一種適于礦用機車電控系統(tǒng)的車載鋰離子電源管理系統(tǒng)。在CAN總線上實現對各單體電源的分布式控制管理和保護，依據相關鋰離子蓄電池電源礦用安全標準暫行規(guī)定及鋰離子電池本身使用需要，進行過流、過載、溫度及過充和過放保護，確保鋰離子電池電源在煤礦井下環(huán)境的安全使用，并通過智能及人工控制實現鋰離子電池的健康充電和快速充電，提高車載電源的實用性。同時，通過采用主動均衡的方式，對電壓較低的單體電池進行均衡充電，使整組鋰離子電池性能一致。試驗和工業(yè)應用結果表明：該系統(tǒng)的應用，可以更好地保障鋰離子電源有效容量并有效延長鋰離子電源的使用壽命。

鋰離子電池 電池管理系統(tǒng) 主動均衡 CAN總線

大容量鋰離子電池于2012年5月開始被正式允許在煤礦井下使用。依據現有的鋰離子電池電源煤礦安全標準暫行規(guī)定，同時也從使用安全性和實用性出發(fā)，20 Ah以上的大容量鋰離子蓄電池電源都需要配置電源管理系統(tǒng)，而礦用電動機車由于動力及儲能的需求，需要配置較大容量的鋰離子電池電源。因此開發(fā)一種安全可靠的礦用車載鋰離子電池電源管理系統(tǒng)是鋰離子電池在煤礦這一特殊環(huán)境下安全使用的關鍵[1]。

1 車載電源管理系統(tǒng)功能及結構

1.1 礦用車載電源管理系統(tǒng)結構

依據現行安全標準的限制，單體電池容量不得超過100 Ah，單箱體內允許最大串聯電池數為16節(jié)的規(guī)定，決定了礦用電動車動力系統(tǒng)必須由多組電源箱共同提供動力，總線式分布控制是實現對多組電源箱同步控制的最好方式。

整個系統(tǒng)采用圖1所示總線式結構，通過CAN總線把各單體電源箱整合在電源管理系統(tǒng)網絡內，統(tǒng)一管理及分布式控制，最后以箱體外串聯的方式提高電壓等級進行動力輸出[2]。

圖1 車載電源管理系統(tǒng)網絡結構Fig.1 Vehicle power management system network structure

單體鋰離子電池電源結構詳見圖2所示，該管理系統(tǒng)主要包括單體電池信息采集系統(tǒng)、自檢系統(tǒng)、SOC估計系統(tǒng)、電池組主動均衡管理系統(tǒng)、數據通訊系統(tǒng)、數據顯示系統(tǒng)和網絡管理系統(tǒng)組成并通過采用大功率MOS管進行開關控制。

圖2 單體鋰離子電源結構Fig.2 Lithium ion power structure

1.2 礦用車載鋰離子電源管理系統(tǒng)功能

電源管理系統(tǒng)一般是利用車上已有的電控網絡裝置，如車身控制模塊(BCM)、發(fā)動機控制模塊(ECM)、儀表相關控制模塊等，通過車載局域網(CAN總線網絡)[3]，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。在煤礦環(huán)境下，鋰離子電源管理系統(tǒng)的主要功能如下。

(1)全面監(jiān)鋰離子電池組各項參數，主要包含電池的充電與放電電流、單體電池電壓、電池組SOC、鋰離子電池實時表面溫度等。

(2)具備低容量監(jiān)測報警，確保車載電源具備能起動發(fā)動機的容量，對用電負荷采取多級放電管理方式，完成直流電源系統(tǒng)的控制保護功能及過流、過壓、欠壓保護功能。

(3)實現快速充電和健康充電及均衡充電相結合，有效保證電池組的一致性，并延長蓄電池使用壽命。

(4)在CAN總線網絡內實現對各電源箱的分布式管理，可以更有效地實現故障診斷和功能保護并時時反饋到車載計算機中。

2 主要功能模塊設計

2.1 信息采集控制通訊摸快

在單體鋰離子電源中，管理系統(tǒng)監(jiān)測參數主要包括設備工作狀態(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，通過相應的傳感器時時采集數據信息并通過A/D轉換為數字信號反饋到CPU中(如圖3所示為溫度采集單元，把8路溫度模擬信號采集到A/D轉換器的ADG609B中，并轉換為數字信號傳輸到CPU)[4]，對信息進行綜合處理，為各種保護動作提供數據支持。

圖3 溫度采集電路Fig.3 Temperature acquisition circuit

同時，管理系統(tǒng)根據各信息采集單元的數據進行保護和輸出控制等操作，主要保護功能包括單體電池過壓充電保護、單體電池過放電壓保護、充電過流保護、放電過流保護、電池溫度保護、對外輸出控制及輸出短路保護和在鋰離子電源處于長期靜置狀態(tài)時對其進行自檢保障電源的可靠性等。其中對電源控制功能，即對整車電力網絡的斷開和接合控制采用大功率MOS管，確保斷電復電的迅速可靠[5]，實測斷電保護相應時間為2～2.5 ms。

2.2 快速充電

由于車載使用環(huán)境的因素，需要鋰離子電源既要具備快速充電能力，又要兼顧在防爆箱體密封腔體中的散熱需求，通過多次模擬實驗在該系統(tǒng)中采用1C充電(1 h完成1次充電)，使箱體溫度平衡在1個鋰離子電池可以安全使用的溫度范圍內測試數據，充電截止電壓3.5 V，確保鋰離子電源的安全充電，充電電路如圖4所示[6]。

2.3 主動均衡充電

由于目前鋰離子電池制作生產工藝的限制，各單體電池不能完全一致，存在電壓、內阻、容量等的差異，從而導致串聯電池組上各單體電池的自放電率不一致。隨著電池組多次循環(huán)不一致性逐步累加，如果長時間處于該狀態(tài)下，會對電池組的的放電效率和使用壽命有較大影響[7]。因此對鋰離子電池組需要進行均衡管理，降低各單體電池間的差異。在該系統(tǒng)中采用主動均衡方式對電池組進行均衡管理，在主充電機或充電樁完成充電后，通過智能判斷對電壓低的單體電池采用均衡充電電路進行小電流主動充電補償，達到串聯的各單體電池性能趨近一致[8]。該種方法均衡效率高，均衡動作可以主動控制，有益于延長電池組的使用壽命、保證電池組的容量[9]。主動均衡電路如圖5所示，通過電壓采集通道對鋰離子電池組進行100 mA小電流充電。

圖4 鋰離子電池充電電路Fig.4 Lithium ion battery charging circuit

圖5 鋰離子電池組主動均衡電路Fig.5 Lithium ion battery active equalization circuit

3 電源管理系統(tǒng)應用

研制的使用該管理系統(tǒng)的礦用隔爆型鋰離子電池電源樣機已經應用于礦用電力機車中，并進行模擬實驗和多次現場測試，驗證了該管理系統(tǒng)設計及參數設定的可行性。如圖6所示為該樣機在環(huán)境溫度為25 ℃下連續(xù)工作中鋰電池表面的溫度曲線，從圖6曲線可以分析出，該管理系統(tǒng)可以很好地保證鋰離子電池在一個相對安全的溫度環(huán)境下正常工作(通常鋰離子電池在超過55 ℃的環(huán)境中工作存在爆炸的風險)。圖7為鋰離子電池組均衡管理過程中的電壓曲線，Y1～Y4為鋰離子電池充電過程中的電壓變化曲線，Y1和Y3～Y4為性能接近一致的鋰離子電池充電曲線，曲線Y2為存在一定差異性的單體電池充電曲線。如放任其差異，該組電池一致性將隨著充放電次數的累加越來越差，嚴重影響鋰離子電池電源的使用壽命，電池容量也會受到較大損失[10]。通過20 h的健康充電及4 h的均衡充電，使該組鋰離子電池性能趨近一致。

圖6 連續(xù)工作下鋰離子電源腔內溫度曲線Fig.6 Continuous temperature curve of lithium ion power cavity

圖7 鋰離子電池組均衡管理過程中的電壓曲線Fig.7 The voltage curve of lithium ion battery equalization management process

4 結 論

(1)根據功能需求及防爆標準中分腔的要求，將系統(tǒng)分為網絡管理控制、單體電源箱管理控制、保護控制及顯示終端4個系統(tǒng)，優(yōu)化了控制結構，提高了整個管理系統(tǒng)的可靠性。

(2)對車載電源的輸出端采用電流開關主動控制及多級保護智能控制，提高了機車的動力性能和在煤礦井下遇到故障后的防爆安全性能。

(3)在對外控制上采用以大功率MOS管為核心的電控開關代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器開關模式，把開關狀態(tài)監(jiān)控，自恢復等功能集于一體，同時消除了開關火花，提高在煤礦井下使用的安全性。

(4)通過主動的均衡充電管理，充分激活各單體電池電解質，最大效率地使用鋰離子電池組的容量并延長了鋰離子電池的壽命。

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(責任編輯 徐志宏)

Design of Mine Vehicle-type Lithium Ion Power Management System

Li Bo

(CoalScientificResearchInstitute，Beijing100013，China)

In view of large-capacity Lithium ion battery being widely applied in coal mine，a power management system with mine vehicle lithium ion battery for mine electric control system was designed.Based on CAN bus，the distributed control management and protection for each single power is realized.According to the interim provisions on mine safety standards for the lithium-ion batteries and the facts that lithium-ion battery itself needs the protections of over-current，overload，extreme temperature and overcharge and over discharge to ensure the safe utilization of the lithium-ion battery power in coal mine environment.It realizes the health charging and fast charging of lithium ion battery by intelligent or manual control to improve the practicability of vehicle power.Meanwhile，the monomer of low voltage battery is charged by the way of active equalization，which made the whole lithium ion battery consistent in performance.The tests and the industrial application showed that this system can better guarantee the effective capacity of lithium-ion power and effectively extend the service life of lithium-ion power supply.

Lithium ion battery，Battery management system，Active equalization，CAN bus

2014-03-01

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAK06B05)。

李 博(1982—)男，工程師，碩士。

TD611

A

1001-1250(2014)-05-134-04