基于鋰電池的礦用在線式不間斷電源技術研究

華堯++趙康

摘要：該不間斷電源系統采用主控箱和電池箱分離的方式，實現分機的級聯，可以通過更改電池箱數目來滿足不同應用場合的使用需求。研制組通過對不間斷電源的關鍵、重要技術、市場等方面進行了深入的技術論證與研究攻關工作，樣機已經過有效的驗證。本文對具體的研究過程及關鍵技術進行了總結，為相關電池、電源產品的設計提供了參考。

關鍵詞： BMS，SOC，均衡，CAN，級聯

1引言

傳統礦用鋰電池箱和鋰電池監控系統集成在一個隔爆箱中，額定功率和電池容量已經固定，對于避難硐室和機車電源等系統，要求電池電源具有大容量和大功率輸出能力，實現將主控箱和電池箱分離，通過更改電池箱數目來滿足不同場合的使用。

2系統功能和性能

該系統的基本功能為保證對用戶供電的不間斷，當外部輸入660V、127V交流電時，UPS主板將輸入交流電整流為直流給逆變器供電，然后經逆變、濾波輸出AC127V，同時輸出 DC24V及18V本安，當外部供電斷電時，通過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，系統需要對電池組定時進行自動充、放電循環，保持電池組活性。用戶可以根據負載大小及后備供電時間的需求，選擇礦用防爆型鋰離子蓄電池電源的級聯數量。

3總體設計

依據實際需求，研制組將主控箱與電池箱分離，系統連接如圖1所示。

如圖1所示，電池箱并聯接進主控箱，主控箱通過CAN與電池箱進行通信來管理電池箱。整套系統基本功能即為保證對用戶供電的不間斷，當外部輸入660V、127V交流電時，UPS主板將輸入交流電整流為直流給逆變器供電，然后經逆變、濾波輸出AC127V，同時輸出 DC24V，當外部供電斷電時，通過電池箱內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主控箱設計

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UPS主板，然后經整流、濾波、逆變輸出交流127V； 127V另一路接到充電器的輸入端，充電器的啟動由主控板控制。主控板通過CAN總線選擇一臺級聯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CAN總線選擇相應的鋰離子蓄電池電源箱，其電池組輸出端經強電盒開關接入到24VDC/DC模塊和UPS電源主板，DC/DC模塊將電池組輸出電壓轉換為24VDC，與AC/DC模塊輸出的24VDC在顯控板上通過二極管并接，用于電源交流輸入異常時的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，在外部供電斷電時將電池組電壓逆變為交流127V輸出，從而保證輸出不間斷供電。

當電池組電壓跌落到放電截止電壓時，主控板通過CAN總線斷開放電開關，選擇另一臺鋰離子蓄電池電源箱繼續給主控箱供電。直到所有級聯的鋰離子蓄電池電源箱放電完畢，整個UPS電源停止工作。當外部交流供電恢復，UPS主板又切換回由輸入交流供電。

在UPS電源正常運行時，主控板通過CAN總線選擇一臺鋰離子蓄電池電源箱進行自放電。通過網絡接口將系統信息傳送到地面控制室，并實現遠程放電控制。

4.2 ARM顯示控制板

ARM顯示控制板通過CAN口與電池內的BMS電池管理系統板進行通信，并將UPS主板、各電池模塊的信息通過電控箱上的LCD液晶屏顯示。同時ARM顯示控制板通過以太網口與上位計算機進行通信，實現遠程通信與控制。CPU采用意法半導體的公司的STM32F103RE處理器，屬于ARM Cortex-M3架構。

5電池箱設計

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電池管理系統板主要用于實時監控、管理鋰離子電池，并通過CAN與主控箱進行通訊，向電控箱發送電池狀態信息，同時接收電控箱指令，控制充放電開關對電池組進行充放電控制。電池箱內部安裝有放電電阻，UPS電源正常運行時，ARM顯控板通過CAN總線選擇一臺鋰離子蓄電池電源箱進行自放電以維護鋰離子蓄電池的活性。

5.2 BMS12電池管理系統板

BMS12電池管理系統板同樣采用STM32處理器作為主控，采用24V直流供電，電池管理系統板通過PTC熱敏電阻對每節單體電池的溫度進行測量；采用LTC6803電池監視芯片對單體電池電壓進行檢測并進行均衡處理；通過霍爾傳感器獲取充放電電流，并對充、放電進行開關控制；具有異常保護、報警等功能，通過RS232串口與主控箱內的ARM顯控板通信。

6關鍵技術分析

a）鋰離子電池組管理（BMS）技術研究

針對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預測與均衡策略的電池管理技術、高精度和高抗干擾數據采集技術，開發出基于鋰電池的高性能電池管理系統，并整個系統采用模塊化設計思想，方便以后升級和擴展。自主編制BMS上位機軟件界面，通過串行接口監測與設置板卡運行參數。

a）基于總線方式的電池熱連接擴容技術

采用了基于總線的主控箱與電池箱分離的系統設計，用戶可以根據需求靈活增減電池容量，一臺主控箱可以連接多達32臺電池箱。本產品除完成單體電源的全部功能外，還需對多臺電池箱的進行監測、協調其投切及充放電等控制，主控箱內的ARM顯示板對電池箱內的BMS電池管理系統具有熱連接的管理能力，電源系統能夠像USB設備一樣將外部電池箱隨時接入或脫離系統。該系統能夠實現市電、電池工作模式之間的零延時切換、實現電池箱之間的無縫投切。

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，但其化學特性讓SOC電池容量估算變得較為復雜。項目組對單體磷酸鐵鋰離子電池建立了等效電路模型，根據等效電路模型列出了系統的狀態空間方程。通過調試確定電池等效電路模型的參數，包括SOC曲線函數的獲取，相應電阻、電容值的確定。在確定電阻值時，考慮到電流的影響，擬制出電流的函數，提高了模型的精度，根據安時法由系統狀態空間方程得出SOC估算公式。在實際環境中結合電池充放電，進行在線式SOC估算，達到較高的估算準確性。

c）基于LTC6803芯片的被動均衡技術

傳統的均衡使用了繼電器放電的方式，電池數量多時檢測復雜，可靠性低。項目組經過分析論證選擇采用了LTC6803電池管理芯片，結合MOSFET場效應管與功率電阻，實現放電回路，由處理器控制MOSFET導通對單體電池進行放電均衡。

7結束語

本研究研在技術上有很大自主創新，內部關鍵部件ARM主控板、BMS電池管理系統硬件及其嵌入式軟件均為自研，完成BMS上位機軟件、上位機遠程通信軟件，擁有完整的自主知識產權。該電源應用于礦業生產中，配置靈活，可以保證礦下設備工作的不間斷，為安全方面提供有效保障，具備很好的社會與經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：華堯（1982-），男，本科，工程師，研究方向為電子技術。endprint