基于ARM的礦用動力電池管理系統(tǒng)研究

張文山，張全柱，鄧永紅

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

基于ARM的礦用動力電池管理系統(tǒng)研究

張文山，張全柱，鄧永紅

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

隨著礦井自動化、信息化、智能化生產(chǎn)的不斷發(fā)展，礦用動力電池組及其管理系統(tǒng)在礦井下的應(yīng)用前景越來越廣泛。通過對動力電池管理系統(tǒng)和井下環(huán)境的分析，確立了電池管理系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計(jì)了一款基于ARM的礦用動力電池管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種管理系統(tǒng)的有較高電壓測量精度和較好的均衡效果。

煤礦井下；動力電池管理系統(tǒng)；電池電壓監(jiān)測；電池組均衡

0 引言

動力電池組管理系統(tǒng)在煤礦井下應(yīng)用前景廣泛且潛力巨大。避難硐室及逃生系統(tǒng)，礦用軌道牽引電機(jī)車、牽引膠輪機(jī)車、單軌吊車、運(yùn)人猴車等設(shè)備，這些都是煤礦重要的運(yùn)輸裝備，其運(yùn)行狀況的可靠性、耗能情況、運(yùn)輸成本等，直接影響著煤礦生產(chǎn)的安全、效率和經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。如今，這些動力的能量提供還主要依靠傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它存在體積能量低、質(zhì)量能量密度低、污染重、設(shè)備自重大、工作效率低，可靠性差、報(bào)廢率高、維護(hù)繁瑣、占場地大等一系列缺點(diǎn)[6]。給傳統(tǒng)的鉛酸電池配備管理系統(tǒng)將極大改善現(xiàn)有鉛酸蓄電池的工作效率低、可靠性差、報(bào)廢率、維護(hù)繁瑣等問題；應(yīng)用磷酸鐵鋰動力電池級其管理系統(tǒng)可以克服鉛酸電池的一系列缺點(diǎn)，一定程度上可以滿足礦井發(fā)展節(jié)能、綠色、環(huán)保發(fā)展要求。因此，在煤礦設(shè)備上推廣鉛酸蓄電池及其管理系統(tǒng)和應(yīng)用磷酸鐵鋰動力電池及其管理系統(tǒng)優(yōu)勢明顯、潛力巨大[7-8]。本文確立了礦用動力電池的基本功能和總體結(jié)構(gòu)圖，對其電壓的精確測量和主動均衡做了重點(diǎn)研究。

1 電池管理系統(tǒng)的基本功能

礦用動力電池主要是可循環(huán)的二次電池，目前礦井下以鉛酸電池為主，鋰離子動力電池的研究和應(yīng)用在逐步發(fā)展。要提高礦用動力電池的供電質(zhì)量、使用效率，克服使用的安全性問題，提高電池電量估算準(zhǔn)確性和延長電池使用壽命，需要給動力電池配備管理系統(tǒng)。礦用動力電池管理系統(tǒng)是由電力電子技術(shù)、微電腦控制技術(shù)、檢測技術(shù)而構(gòu)成的裝置，它與鋰離子動力電池同步而生，同步發(fā)展，它是支撐鋰離子動力電池的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)的礦用動力電池管理系統(tǒng)主要包括對電池狀態(tài)和工作環(huán)境的監(jiān)測、電池狀態(tài)分析、電池安全保護(hù)、能量控制管理、電池信息管理，如圖1所示。

2 電池管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

礦用動力鋰電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如2所示，主要8個部分組成， 以STM32F107為主控CPU的控制器，供電單元、采集單元、均衡單元、執(zhí)行單元、存儲單元、顯示單元、通信單元組成。

圖2 電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 采集單元設(shè)計(jì)

采集單元主要對電池的電壓、電流、溫度和瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行了采樣。

(1) 電壓采集。LTC6804是一款完整的電池監(jiān)測芯片，每片能夠監(jiān)測由多達(dá)12節(jié)電池串聯(lián)的電池組，電池的電壓測量誤差小于1.2 mV,在0～30℃的范圍內(nèi)，電壓的測量精度可以控制在1 mV以內(nèi),12節(jié)電池的測量在290 μs以內(nèi)完成,單個電壓的測量范圍為0～5 V,能夠?qū)崿F(xiàn)對每節(jié)電池的欠壓和過壓條件監(jiān)控,是電池管理系統(tǒng)中單體電池電壓測量最優(yōu)的芯片，LTC6804芯片如圖3。

LTC6804監(jiān)測12塊串聯(lián)的動力鋰電池電壓，C0、C1分別第1塊電池負(fù)極和正極，C1、C2第2塊電池負(fù)極和正極，以此類推檢測12塊動力電池的電壓。

(2) 電流采集，采用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流的監(jiān)測，首先電流經(jīng)過直流霍爾傳感器，輸出的電流信號，經(jīng)過一個采樣電阻轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓信號，電壓信號經(jīng)阻容濾波后，在經(jīng)過比例放大，送入IC芯片的轉(zhuǎn)換器(A/D)口。經(jīng)放大器反向后在零與3.3 V之間浮動，D3、D4為鉗位二極管嚴(yán)格保證輸入給ARM的電壓信號在零與3.3 V之間，達(dá)到ARM的IC芯片的轉(zhuǎn)換器接口對輸入信號的要求。如圖4所示。

圖3 LTC6804芯片

圖4 直流電流采樣

(3) 溫度采集。NTC溫度傳感器因?yàn)闇y溫精度高、響應(yīng)速度快且成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)中的溫度檢測中，負(fù)溫度系數(shù)FM51-103F343NTC5型熱敏電阻探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測電池表面溫度變化，并且黑色漆包線水滴塑封10K1%B值3435溫度傳感器可對動力鋰電池表面和MOS管溫度進(jìn)行了多點(diǎn)測溫,NTC溫度傳感器信號傳給ARM，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度值采集[10]，電路如圖5所示。

圖5 溫度采樣電路

(4) 瓦斯檢測。采用MC113型催化元件，與其他敏感元件相比其具有以下特點(diǎn)：橋路輸出電壓呈線性；響應(yīng)速度塊；具有良好的重復(fù)性、選擇性；元器件穩(wěn)定、可靠。測試電路如圖6 所示。

圖6 瓦斯采樣電路

2.2 均衡電路設(shè)計(jì)

因生產(chǎn)過程和工作環(huán)境等因素使得串聯(lián)在一起的單體電池并不能達(dá)到較好的一致性，從而降低了電池組的整體有效容量和縮短了使用費(fèi)壽命。因此，均衡電路對鋰電池的安全、高效的工作有重要意義[12]。采用基于相鄰電池能量轉(zhuǎn)移的均衡控制電路進(jìn)行均衡電路設(shè)計(jì)，控制了5個動力電池進(jìn)行說明，如圖7所示。

圖7 采用基于相鄰電池能量轉(zhuǎn)移的均衡控制電路

某時(shí)刻，如果MCU得到信號需要由B1的電荷向B2轉(zhuǎn)移，則MCU-A1產(chǎn)生以下控制時(shí)序，以0.1 ms時(shí)長進(jìn)行高低電平交換，Q1則通過電容的高頻控制信號的影響有規(guī)律的開關(guān)，由于MCU與MOS管之間有電容分割，故Q2維持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)Q1導(dǎo)通，則L1處于充電狀態(tài)；當(dāng)Q1斷開，由于電感特性，經(jīng)過L1的電流不能突變，則電流沿著L1、D2、B2，對B2進(jìn)行充電。由于設(shè)計(jì)是對稱的，MUC可以控制相鄰兩個電池的相互充放電。

2.4 執(zhí)行單元設(shè)計(jì)

執(zhí)行單元主要來執(zhí)行CPU給出的操作命令，包括充電或放電的選擇、主電路的斷開及閉合、電路保護(hù)等。

2.5 通信單元設(shè)計(jì)

由CAN總線實(shí)現(xiàn)各模塊之間的信息交互，包括主控芯片和采集單元，主控芯片和通信模塊(無線傳輸模塊)等[13]。通過歷史數(shù)據(jù)的分析處理來評估電池的狀態(tài)，將信息傳給主控芯片如圖8所示。

圖8 通信流程圖

3 礦用動力電池管理系統(tǒng)軟件控制

電池管理系統(tǒng)啟動后對各模塊初始化，判斷環(huán)境瓦斯有無超限，進(jìn)行選擇充電還是放電模式，假設(shè)檢測到放電狀態(tài)，判斷是否有人為的緊急處置，如果沒有緊急指令則采集單元開始巡檢電池狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)傳給主控芯片進(jìn)行存儲、傳輸、顯示各參數(shù)并進(jìn)行SOC估值，判斷單體電池是否有過壓從而進(jìn)行均衡控制；判斷電流、溫度等有無超限和單體電池有無過放，有其中任何一種情況則報(bào)警提示及上報(bào)情況繼而中斷放電，如果沒有則繼續(xù)巡檢。充電情況于放電控制類似，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

靜態(tài)情況下，應(yīng)用FLUKE萬用表(三位半)分別對12塊單體電池進(jìn)行測量，檢驗(yàn)電池管理系統(tǒng)的測量精度，具體情況如表1管理系統(tǒng)電壓測量精度檢驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該電池管理系統(tǒng)可以較為精準(zhǔn)的對單體電池電壓進(jìn)行采集，采樣誤差控制在0.1%(3 mV)以內(nèi),可以滿足電池的容量估測。

表1 管理系統(tǒng)電壓測量精度檢驗(yàn)

應(yīng)用均衡系統(tǒng)和不應(yīng)用均衡系統(tǒng)兩種模式下，電池組進(jìn)行0.15C倍率放電得出的放電曲線進(jìn)行對比，得出應(yīng)用設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)可以使得電池組很好地均衡放電，如圖10所示。

圖10 兩種模式下的放電曲線

5 結(jié)語

通過對電池組進(jìn)行系統(tǒng)的分析得出了其管理系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能，并且為實(shí)現(xiàn)這些功能進(jìn)行了芯片選擇和硬件電路模塊的搭建，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件流程，為更加高效、環(huán)保、節(jié)能的煤礦裝備的發(fā)展研究提供了支持。

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ResearchoncoalminepowerbatteryandmanagementsystembasedonARM

ZHANG Wen-shan, ZHANG Quan-zhu, DENG Yong-hong

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

With the development of the automation, information and intelligence of mine production, power battery and its management system in the coal mine has more and more extensive application prospect. Through the analysis of power battery management system and underground environment, the basic functions of battery management system is established，an mine power battery management system based on ARM is designed. Experimental results show that this management system has a higher voltage measurement accuracy and a better balance effect.

coal mine; power battery management system; battery voltage monitoring; balanced battery pack

2017-07-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017045, 3142013101)；河北省科技支撐項(xiàng)目(16274603，16214408)

張文山(1991-)，男，河北邢臺人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：安全生產(chǎn)自動化和信息化。E-mail：570488964@qq.com

TM912

A

1672-7169(2017)05-0040-06