一種礦用鋰離子電池管理系統(tǒng)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)①

海艦

摘 要：該文以單片機(jī)和數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，研究并設(shè)計(jì)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(tǒng)檢測所需要的設(shè)備。能對鋰離子電池管理系統(tǒng)的所有性能進(jìn)行測試，包括監(jiān)測一致性、過沖/過放保護(hù)功能、保護(hù)失效功能分析驗(yàn)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(zhǔn)入手段。

關(guān)鍵詞：礦山 鋰離子電池電源 電池管理系統(tǒng) 檢測設(shè)備

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

應(yīng)用鋰離子蓄電池最多的是汽車工業(yè)，隨著煤炭工業(yè)發(fā)展和礦山裝備技術(shù)進(jìn)步，監(jiān)測通信系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)設(shè)施、井下運(yùn)輸車輛等對防爆電源容量的要求越來越高，同時(shí)GB3836.2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》中明確禁止“在正常使用時(shí)可能釋放電解氣體的電池（如鉛酸蓄電池）”在隔爆外殼內(nèi)使用，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)趨于選擇、使用比能量高、無記憶效應(yīng)的鋰離子蓄電池。實(shí)際應(yīng)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(chǎn)生高溫，誘發(fā)不安全因素，其串聯(lián)形成電池組使用時(shí)，由于單體電池本身的不一致性和使用環(huán)境的細(xì)微差別，亦會造成單體電池內(nèi)部性能變化，從而影響整個(gè)電池組的性能和安全。鋰離子電池管理系統(tǒng)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(jiān)控及報(bào)警處理等，是動(dòng)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(tǒng)性能的優(yōu)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(xiàn)有檢測方法及其局限性

隨著國家對礦用設(shè)備安全要求的力度加大，加之國家新能源戰(zhàn)略的部署，鋰離子電池在礦山安全生產(chǎn)尤其是監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)、礦用電機(jī)車動(dòng)力中的應(yīng)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(tǒng)對電池組進(jìn)行合理有效的管理和控制。對鋰離子電池管理系統(tǒng)安全可靠性及靈敏度的測試成了安全準(zhǔn)入及安全生產(chǎn)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(zhǔn)入手段。

安標(biāo)（2013）6號文明確規(guī)定，礦用鋰離子電池電源內(nèi)必須具備電池管理系統(tǒng)。安標(biāo)鋰離子電池電源管理規(guī)范也規(guī)定了鋰離子電池必須具備管理系統(tǒng)。在安全準(zhǔn)入階段必須對電池管理系統(tǒng)安全性能進(jìn)行驗(yàn)證分析，但目前國內(nèi)尚無完善的礦用鋰離子電池管理系統(tǒng)檢測設(shè)備，對鋰離子電池電源的安全準(zhǔn)入造成困擾。

目前暫無完善的電池管理系統(tǒng)檢測手段及設(shè)備，目前僅能對管理系統(tǒng)的單一功能采用專門的集成電路來驗(yàn)證。但集成電路的方案存在以下缺點(diǎn)：只針對管理系統(tǒng)的單一功能特性，驗(yàn)證項(xiàng)目不全精度和測量范圍不夠，電氣接口和制式不統(tǒng)一，不利于整體驗(yàn)證管控。

2 基于單片機(jī)開發(fā)集成的全自動(dòng)檢測設(shè)備方案

該方案是以單片機(jī)開發(fā)為主，采用多檢測設(shè)備及軟件集成方法共同組成一個(gè)全自動(dòng)檢測系統(tǒng)裝備方案，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池管理系統(tǒng)的智能化綜合測試，并借鑒了管理系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，選用了CAN總線作為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口，該方案具有通用、可擴(kuò)展、易升級等特點(diǎn)?？蓪︿囯x子電池管理系統(tǒng)進(jìn)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(chǎn)生，可以捕捉管理系統(tǒng)對異常狀態(tài)的反應(yīng)。提高管理系統(tǒng)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(shè)備總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場總線型實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)在物理上分為：系統(tǒng)管理控制層（上位機(jī)）和現(xiàn)場測量控制層。是目前可靠性較高的開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式，充/放電控制和數(shù)據(jù)采集測量單元等設(shè)備通過CAN通訊與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信。系統(tǒng)管理控制層主要由上位機(jī)、系統(tǒng)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(fā)各種工藝參數(shù)；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(shù)據(jù)；對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及分析處理。現(xiàn)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(fā)的采集控制單元、 基于IGBT全控變流技術(shù)開發(fā)的能饋式功率單元以及高精度電池參數(shù)采集系統(tǒng)組成。可對礦山電池、電池組管理系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測，對電池或電池組的電壓、電流、溫度、容量、短路保護(hù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，測試精度可達(dá)±（0.1%FS）。

3 結(jié)語

該文以單片機(jī)和數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，研究并設(shè)計(jì)出能滿足礦山鋰離子電池管理系統(tǒng)檢測所需要的設(shè)備，能對鋰離子電池管理系統(tǒng)的所有性能包括監(jiān)測一致性、過沖/過放保護(hù)功能、保護(hù)失效功能分析驗(yàn)證等方面進(jìn)行測試，對鋰電池安全管理起到了重要的把關(guān)作用，應(yīng)用前景將十分廣闊。

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