一種礦用鋰離子電池管理系統檢測設備的設計①

海艦

摘 要：該文以單片機和數據處理為基礎，結合煤礦工業實際應用需求，研究并設計出能滿足礦山鋰離子鋰離子電池電源所用的電池管理系統檢測所需要的設備。能對鋰離子電池管理系統的所有性能進行測試，包括監測一致性、過沖/過放保護功能、保護失效功能分析驗證等方面，保證礦用鋰離子電池電源的安全性能，完善礦用鋰離子電池電源的安全準入手段。

關鍵詞：礦山 鋰離子電池電源 電池管理系統 檢測設備

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0001-02

應用鋰離子蓄電池最多的是汽車工業，隨著煤炭工業發展和礦山裝備技術進步，監測通信系統、緊急避險設施、井下運輸車輛等對防爆電源容量的要求越來越高，同時GB3836.2010《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》中明確禁止“在正常使用時可能釋放電解氣體的電池（如鉛酸蓄電池）”在隔爆外殼內使用，越來越多的生產企業趨于選擇、使用比能量高、無記憶效應的鋰離子蓄電池。實際應用中，煤礦對礦用鋰離子電池電源的需求也越來越大。

大容量鋰離子電池過充電或過放電會產生高溫，誘發不安全因素，其串聯形成電池組使用時，由于單體電池本身的不一致性和使用環境的細微差別，亦會造成單體電池內部性能變化，從而影響整個電池組的性能和安全。鋰離子電池管理系統是電池與用戶之間的紐帶，主要為了能夠提高電池的利用率，均衡電池電量保持電池的一致性，延長電池的使用壽命，對蓄電池過沖、過放等影響安全性能的監控及報警處理等，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件。因此電池管理系統性能的優劣將直接影響到礦用鋰離子電池電源的安全及可靠性。

1 現有檢測方法及其局限性

隨著國家對礦用設備安全要求的力度加大，加之國家新能源戰略的部署，鋰離子電池在礦山安全生產尤其是監控監測系統、礦用電機車動力中的應用將越來越廣，為確保鋰電池的安全性能，必須使用可靠的電池管理系統對電池組進行合理有效的管理和控制。對鋰離子電池管理系統安全可靠性及靈敏度的測試成了安全準入及安全生產必不可少的前置保障為了保證礦用鋰離子電池電源的安全性能，完善礦用鋰離子電池電源的安全準入手段。

安標（2013）6號文明確規定，礦用鋰離子電池電源內必須具備電池管理系統。安標鋰離子電池電源管理規范也規定了鋰離子電池必須具備管理系統。在安全準入階段必須對電池管理系統安全性能進行驗證分析，但目前國內尚無完善的礦用鋰離子電池管理系統檢測設備，對鋰離子電池電源的安全準入造成困擾。

目前暫無完善的電池管理系統檢測手段及設備，目前僅能對管理系統的單一功能采用專門的集成電路來驗證。但集成電路的方案存在以下缺點：只針對管理系統的單一功能特性，驗證項目不全精度和測量范圍不夠，電氣接口和制式不統一，不利于整體驗證管控。

2 基于單片機開發集成的全自動檢測設備方案

該方案是以單片機開發為主，采用多檢測設備及軟件集成方法共同組成一個全自動檢測系統裝備方案，實現對鋰離子電池管理系統的智能化綜合測試，并借鑒了管理系統技術的應用，選用了CAN總線作為測試系統數據通信接口，該方案具有通用、可擴展、易升級等特點。可對鋰離子電池管理系統進行全面的評測，可以模擬電壓、電流、溫度信號及異常事件的產生，可以捕捉管理系統對異常狀態的反應。提高管理系統的安全可靠性、靈敏度，從而保證鋰離子電池在礦山的安全使用。設備總體設計結構如圖1所示。

系統總體網絡結構采用現場總線型實時通訊網絡結構，整個系統在物理上分為：系統管理控制層（上位機）和現場測量控制層。是目前可靠性較高的開放式網絡結構方式，充/放電控制和數據采集測量單元等設備通過CAN通訊與上位機監控系統通信。系統管理控制層主要由上位機、系統管理軟件及通信單元組成，主要用于按照用戶編制的工藝向充放電組件下發各種工藝參數；接收充放電組件、單體電池電壓檢測單元、單體電池溫度檢測單元、電流檢測單元上傳的檢測及控制數據；對接收的數據進行保存及分析處理。現場測量控制層主要由充/放電測控裝置、基于高性能微處理器開發的采集控制單元、 基于IGBT全控變流技術開發的能饋式功率單元以及高精度電池參數采集系統組成。可對礦山電池、電池組管理系統進行在線監測，對電池或電池組的電壓、電流、溫度、容量、短路保護時間等參數進行驗證分析，測試精度可達±（0.1%FS）。

3 結語

該文以單片機和數據處理為基礎，結合煤礦工業實際應用需求，研究并設計出能滿足礦山鋰離子電池管理系統檢測所需要的設備，能對鋰離子電池管理系統的所有性能包括監測一致性、過沖/過放保護功能、保護失效功能分析驗證等方面進行測試，對鋰電池安全管理起到了重要的把關作用，應用前景將十分廣闊。

參考文獻

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