王皓 李國超

摘 要：由于產(chǎn)業(yè)政策原因，礦用UPS采用的大功率鉛酸蓄電池被禁止使用，鎳氫電池由于容量與體積的限制，只能用于短時間的緊急備電；礦用鋰離子蓄電池具有體積小、容量大的特點，能夠滿足大負載系統(tǒng)的不間斷供電。本文介紹了一種8節(jié)串聯(lián)共1024Wh的不間斷電源，采用基于ARM的鋰電池管理系統(tǒng)，使用了充電均衡與管理系統(tǒng)內(nèi)部均衡兩種方式維持各單節(jié)鋰電池的共性，延長使用壽命和可靠性；使用STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)UPS電源的不間斷供電，電源轉(zhuǎn)換時間≤4ms。并提供了RS485接口用于電源及電池狀態(tài)的遠程監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：礦用鋰電；在線式UPS；均衡控制；礦用不間斷電源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.192

1 概述

該電源符合安標國家中心頒布的礦用隔爆（兼本安型）鋰離子蓄電池電源的要求，目前行業(yè)內(nèi)多采用符合該標準的礦用BMS，其安全性能與精度能夠滿足煤礦井下使用；礦用BMS是在車載BMS的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，車載BMS的特點是在充電時不放電，在放電時不充電。但UPS電源的特點是在有外電使用外電供給負載，沒有外電時使用電池放電供給負載；若將車載BMS當做UPS使用，即在有外電時電池的充放電同時進行；這樣最終會達到一種極限，充電保護或放電保護，電源本身及負載會隨著保護動作頻繁重啟，從而破壞電源的可靠性，造成不必要的系統(tǒng)故障；同時也會破壞各單體電池的共性狀態(tài)，拉大單體電池間的差距；降低電池的使用壽命。

本文設(shè)計了一種符合UPS供電模式的采用鋰電池后備的不間斷電源。本電源主要包括礦用BMS模塊，該模塊用于鋰電池的狀態(tài)的監(jiān)測與保護控制；均衡系統(tǒng)模塊，該模塊用于對鋰電池均衡保護；STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊用于實現(xiàn)在線式UPS功能。

2 礦用鋰離子蓄電池BMS的設(shè)計

礦用鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測各個單體電池電壓及溫度，能夠顯示總電源電壓，并且精度控制在0.5%；溫度顯示精度在±2℃；具有過充過放保護功能，即任意一節(jié)單體電壓在達到設(shè)定值后會觸發(fā)系統(tǒng)的保護動作，關(guān)斷充放電接口。具有充電過流放電過流保護，充放電過程的電流達到設(shè)定值后觸發(fā)保護動作，控制MOS管關(guān)斷充放電接口。BMS具有短路保護功能，短路設(shè)定值為額定放電電流的150%，當電流達到該值時觸發(fā)關(guān)斷保護，所有的保護動作均在100ms內(nèi)完成。BMS具有采集線開線保護功能及溫度保護功能；能夠準確定位故障。此類故障保護，不觸發(fā)關(guān)斷。BMS具有顯示及聲光報警功能，任意故障的保護都會有現(xiàn)實并進行聲光報警。

3 均衡保護控制系統(tǒng)設(shè)計

均衡用于對鋰離子電池組的保護，延長使用壽命并保證可靠性，本系統(tǒng)采用兩種均衡保護控制，一是設(shè)計了一種恒流恒壓的大功率鋰電池充電器，其自動檢測電池組電壓，根據(jù)電池組減壓自行調(diào)整充電電流；在低電量時使用大電流充電，快速補充電能；當管理系統(tǒng)檢測到電池組各單體電壓值較大差異時，由BMS系統(tǒng)發(fā)出控制信號，驅(qū)動充電器采用小電流浮充，給電池組均衡留有空間，當各單體電池差異在允許范圍內(nèi)時，充電器繼續(xù)大電流充電；當電池接近充滿時，充電器進入浮充狀態(tài)。避免了快速充電過程拉大單體電池之間的差異。BMS內(nèi)部均衡系統(tǒng)采用了CX系列鋰電池保護芯片與功率電阻組成，當系統(tǒng)檢測到各單體電池間差異時，進行限制高與放電動作，限高指限制對單體電壓高的電池充電，并接通功率電阻對單節(jié)電池電壓高的進行放電；同時對單體電壓低的電池進行單獨充電。系統(tǒng)每個50ms讀取一次電壓值進行比較，各單體電壓差在允許范圍內(nèi)時恢復(fù)正常充電。

4 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)用于電池供電與外電供電的雙路切換；避免電池同時充放所帶來的損壞，也避免逆變器長時間工作所帶來的溫度積聚，在密閉的防爆殼體內(nèi)無法有效的散熱，從而產(chǎn)生危險溫度；或觸發(fā)BMS的溫度保護動作使系統(tǒng)頻繁重啟。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)采用雙路高速可控硅進行控制；在有外電時，直接轉(zhuǎn)接外電進行輸出，同時關(guān)斷逆變器輸出；當外電掉電時，BMS檢測到掉電信號給轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生切換信號，轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷外電轉(zhuǎn)接；同時開啟逆變器輸出；轉(zhuǎn)換時間小于10ms，即小于?正弦波周期；從而保持不間斷供電，由于轉(zhuǎn)換切換外電與逆變器輸出，而非外電與電池直流輸出，因此不需考慮逆變器的逆變時間；逆變器處于待機狀態(tài)對電池產(chǎn)生的消耗，可通過BMS的浮充補償，且有助于電池組的均衡控制。

5 整體設(shè)計

電源包括密閉的防爆外殼，電池組、BMS、、均衡模塊、充電器、逆變器與靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。密閉的防爆外殼應(yīng)能承受1.5Mpa的靜壓試驗；且電池組應(yīng)單獨放置在一個腔體內(nèi)，且不能放置除溫度和電壓檢測元件意外的任何元器件。BMS負責(zé)檢測電池組電池狀態(tài)，負責(zé)電池充放電的保護及報警；負責(zé)檢測外電與靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制；BMS由充電器供電，外電掉電后由電池組供電，BMS檢測到放電保護時，關(guān)斷系統(tǒng)；需重新用外電激活。從而保護電池不因設(shè)備內(nèi)耗產(chǎn)生損壞。

6 結(jié)語

通過對礦用鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)及工業(yè)用UPS系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合；研究了一種能夠替代舊式以鉛酸為后備的礦用UPS電源；符合國家產(chǎn)業(yè)政策及環(huán)保要求，滿足煤礦安全生產(chǎn)及監(jiān)測通信領(lǐng)域?qū)Σ婚g斷電源的要求。

參考文獻：

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[2]徐鈞，蔡欣榮.基于LTC6804-2的鋰電池SOC應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)，2014（06）：28-31.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目：監(jiān)管監(jiān)察信息動態(tài)采集可信保障與分析技術(shù)及裝備 課題編號：2018YFC0808302

作者簡介：王皓（1990-），男，江蘇徐州人，本科，助理工程師，主要從事防爆配電裝置、防爆監(jiān)控通信、信號設(shè)備的設(shè)計、開發(fā)、驗證工作。