礦用車載型鋰離子電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 博

(煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

礦用車載型鋰離子電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 博

(煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

針對(duì)大容量鋰離子電池電源開始在煤礦推廣和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種適于礦用機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)各單體電源的分布式控制管理和保護(hù)，依據(jù)相關(guān)鋰離子蓄電池電源礦用安全標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定及鋰離子電池本身使用需要，進(jìn)行過流、過載、溫度及過充和過放保護(hù)，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(shí)現(xiàn)鋰離子電池的健康充電和快速充電，提高車載電源的實(shí)用性。同時(shí)，通過采用主動(dòng)均衡的方式，對(duì)電壓較低的單體電池進(jìn)行均衡充電，使整組鋰離子電池性能一致。試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以更好地保障鋰離子電源有效容量并有效延長(zhǎng)鋰離子電源的使用壽命。

鋰離子電池 電池管理系統(tǒng) 主動(dòng)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(jù)現(xiàn)有的鋰離子電池電源煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定，同時(shí)也從使用安全性和實(shí)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(dòng)機(jī)車由于動(dòng)力及儲(chǔ)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(guān)鍵[1]。

1 車載電源管理系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

1.1 礦用車載電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)的限制，單體電池容量不得超過100 Ah，單箱體內(nèi)允許最大串聯(lián)電池?cái)?shù)為16節(jié)的規(guī)定，決定了礦用電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)必須由多組電源箱共同提供動(dòng)力，總線式分布控制是實(shí)現(xiàn)對(duì)多組電源箱同步控制的最好方式。

整個(gè)系統(tǒng)采用圖1所示總線式結(jié)構(gòu)，通過CAN總線把各單體電源箱整合在電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，統(tǒng)一管理及分布式控制，最后以箱體外串聯(lián)的方式提高電壓等級(jí)進(jìn)行動(dòng)力輸出[2]。

圖1 車載電源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Vehicle power management system network structure

單體鋰離子電池電源結(jié)構(gòu)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(jì)系統(tǒng)、電池組主動(dòng)均衡管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成并通過采用大功率MOS管進(jìn)行開關(guān)控制。

圖2 單體鋰離子電源結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)裝置，如車身控制模塊(BCM)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)、儀表相關(guān)控制模塊等，通過車載局域網(wǎng)(CAN總線網(wǎng)絡(luò))[3]，形成一個(gè)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(xiàng)參數(shù)，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(shí)時(shí)表面溫度等。

(2)具備低容量監(jiān)測(cè)報(bào)警，確保車載電源具備能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的容量，對(duì)用電負(fù)荷采取多級(jí)放電管理方式，完成直流電源系統(tǒng)的控制保護(hù)功能及過流、過壓、欠壓保護(hù)功能。

(3)實(shí)現(xiàn)快速充電和健康充電及均衡充電相結(jié)合，有效保證電池組的一致性，并延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

(4)在CAN總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電源箱的分布式管理，可以更有效地實(shí)現(xiàn)故障診斷和功能保護(hù)并時(shí)時(shí)反饋到車載計(jì)算機(jī)中。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

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(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，通過相應(yīng)的傳感器時(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息并通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)采集到A/D轉(zhuǎn)換器的ADG609B中，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紺PU)[4]，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，為各種保護(hù)動(dòng)作提供數(shù)據(jù)支持。

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

同時(shí)，管理系統(tǒng)根據(jù)各信息采集單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和輸出控制等操作，主要保護(hù)功能包括單體電池過壓充電保護(hù)、單體電池過放電壓保護(hù)、充電過流保護(hù)、放電過流保護(hù)、電池溫度保護(hù)、對(duì)外輸出控制及輸出短路保護(hù)和在鋰離子電源處于長(zhǎng)期靜置狀態(tài)時(shí)對(duì)其進(jìn)行自檢保障電源的可靠性等。其中對(duì)電源控制功能，即對(duì)整車電力網(wǎng)絡(luò)的斷開和接合控制采用大功率MOS管，確保斷電復(fù)電的迅速可靠[5]，實(shí)測(cè)斷電保護(hù)相應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)鋰離子電池可以安全使用的溫度范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)，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(dòng)均衡充電

由于目前鋰離子電池制作生產(chǎn)工藝的限制，各單體電池不能完全一致，存在電壓、內(nèi)阻、容量等的差異，從而導(dǎo)致串聯(lián)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(zhǎng)時(shí)間處于該狀態(tài)下，會(huì)對(duì)電池組的的放電效率和使用壽命有較大影響[7]。因此對(duì)鋰離子電池組需要進(jìn)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(dòng)均衡方式對(duì)電池組進(jìn)行均衡管理，在主充電機(jī)或充電樁完成充電后，通過智能判斷對(duì)電壓低的單體電池采用均衡充電電路進(jìn)行小電流主動(dòng)充電補(bǔ)償，達(dá)到串聯(lián)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(dòng)作可以主動(dòng)控制，有益于延長(zhǎng)電池組的使用壽命、保證電池組的容量[9]。主動(dòng)均衡電路如圖5所示，通過電壓采集通道對(duì)鋰離子電池組進(jìn)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(dòng)均衡電路Fig.5 Lithium ion battery active equalization circuit

3 電源管理系統(tǒng)應(yīng)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(jī)已經(jīng)應(yīng)用于礦用電力機(jī)車中，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了該管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定的可行性。如圖6所示為該樣機(jī)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(gè)相對(duì)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(fēng)險(xiǎn))。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(shù)的累加越來越差，嚴(yán)重影響鋰離子電池電源的使用壽命，電池容量也會(huì)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(nèi)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(jié) 論

(1)根據(jù)功能需求及防爆標(biāo)準(zhǔn)中分腔的要求，將系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)管理控制、單體電源箱管理控制、保護(hù)控制及顯示終端4個(gè)系統(tǒng)，優(yōu)化了控制結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)管理系統(tǒng)的可靠性。

(2)對(duì)車載電源的輸出端采用電流開關(guān)主動(dòng)控制及多級(jí)保護(hù)智能控制，提高了機(jī)車的動(dòng)力性能和在煤礦井下遇到故障后的防爆安全性能。

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

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

[1] 王紅檢，劉鵬飛.煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備的蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010,38(9):87-90. Wang Hongjian,Liu Pengfei.Design on battery charging system of mine auxiliary transportation equipment[J].Coal Science and Technology，2010,38(9)：87-90.

[2] 張承宇，朱 正，張彩萍，等.電傳動(dòng)車輛動(dòng)力電池組分布式管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào)，2007(4)：396-402. Zhang Chengyu,Zhu Zheng,Zhang Caiping,et al.Design on dispersed managemnet system for traction battery pack in electric transmission vehicle[J].Acta Armamentarii，2007(4)：396-402.

[3] 王衛(wèi)星，崔 冰，趙 芳.金屬礦山數(shù)字化[J].金屬礦山,2005(增):353-355. Wang Weixing，Cui Bing，Zhao Fang.Digitalization of metal mines[J].Metal Mine，2005(S):353-355.

[4] 劉成海.AVR單片機(jī)原理及測(cè)控工程應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:59-66. Liu Chenghai.Principle of AVR and Control Engineering Application[M].Beijing:Beihang University Press，2008:59-66.

[5] 張新豐，楊殿閣，薛 雯，等.車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(5)：209-213. Zhang Xinfeng,Yang Diange,Xue Wen，et al.Automotive electrical power management system design[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009(5)：209-213.

[6] 李玲玲，顧訓(xùn)華，馬東娟，等.一種礦用大功率應(yīng)急電源及充其充電電路設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2012(3)：87-91. Li Lingling,Gu Xunhua,Ma Dongjuan,et al.High-power emergency power supply in mine and its charging circuit design[J].Safety in Coal Mines,2012(3)：87-91.

[7] 王震坡，孫封春，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. Wang Zhenpo,Sun Fengchun,Lin Cheng.Analysis on the influence of inconsistencies upon the service life of power battery packs[J].Transaction of Beijing Institute of Technology，2006,26(7)：577-580.

[8] 韓廣欣，韓金東，張秀軍，等.鋰離子電池組均衡充電的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2009，14(1)：65-68. Han Guangxin,Han Jindong,Zhang Xiujun,et al.Research progress on equalization charging of Li-ion battery pack[J].Chinese Battery Industry，2009，14(1)：65-68.

[9] 李和明，張麗霞，顏湘武，等．動(dòng)力蓄電池組測(cè)試系統(tǒng)中雙向直流濾波器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(9)：1-7． Li Heming,Zhang Lixia,Yan Xiangwu,et al.Design of bilateral DC filter in power accumulator battery testing system[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(9)：1-7．

[10] 石 晶，李運(yùn)杰，程 浩.動(dòng)力電池組均衡充電的研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013(4)：96-99. Shi Jing,Li Yunjie,Cheng Hao.Research on the equalizing charge of the power battery pack[J].Journal of Liaoning University of Technology：Natural Science Edition，2013(4)：96-99.

(責(zé)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013BAK06B05)。

李 博(1982—)男，工程師，碩士。

TD611

A

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