陳宏利

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315)

0 引言

后備電源是保證安全高效生產(chǎn)及通訊的重要設(shè)備，對確保煤礦安全生產(chǎn)起著關(guān)鍵作用[1-5]。研制、生產(chǎn)和推廣可用于監(jiān)控系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、緊急避險(xiǎn)和礦井救災(zāi)等系統(tǒng)和設(shè)備的煤礦后備電源，在交流電網(wǎng)斷電后，為這些系統(tǒng)和設(shè)備提供持久的電力供應(yīng)，并且可通過數(shù)字總線對后備電源進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和管理[6-10]，不僅提高工作效率，而且降低人力成本，十分符合煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需要。目前應(yīng)用于煤礦井下的后備電源大多為8串或者16串，無論從容量還是功率都無法滿足井下檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、緊急避險(xiǎn)等系統(tǒng)的應(yīng)用。

針對煤礦井下大功率設(shè)備的應(yīng)用較多，依據(jù)國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出了一種大容量鋰離子后備電源(以下簡稱后備電源)，該后備電源采用24串60AH磷酸鐵鋰電池串聯(lián)，具備電池信息的采集、電池電壓的均衡、電池放電電流及充電電流的采集、電池電量的計(jì)算、交直流無縫切換及報(bào)警等功能。

1 電池連接方式、隔爆箱體及電氣設(shè)計(jì)

1.1 鋰離子電池連接方式

磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢：磷酸鐵鋰電池是一種正極材料為磷酸鐵鋰的鋰離子電池，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，具有的優(yōu)勢見表1[11-15]。

表1 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的對比

具體連接方式：按照相關(guān)規(guī)定，腔體內(nèi)鋰離子蓄電池應(yīng)采用串聯(lián)方式連接進(jìn)行成組，同時(shí)鋰離子蓄電池不允許在防爆腔體內(nèi)以任何形式的并聯(lián)連接[16-20]。電池串聯(lián)：也就是電池采用首和尾相聯(lián)，即第1支電池的正極與第2支電池的負(fù)極相連接，第2支電池的正極與第3支電池的負(fù)極相連接，第3支、第4支等順次連接。電池串聯(lián)時(shí)，電流處處相等，即I0=Ia=Ib=Ic=…；電壓是各個(gè)蓄電池電壓之和，即U0=Ua+Ub+Uc+…。串聯(lián)電池組能夠在電流恒定的基礎(chǔ)上，增大電池組電壓進(jìn)而提高輸出功率，增加負(fù)載能力。后備電源電池連接示意圖,如圖1所示。

圖1 電池連接示意圖

1.2 隔爆箱體設(shè)計(jì)

依據(jù)相關(guān)安全技術(shù)要求及GB 3836.1～4—2010的規(guī)定，后備電源的鋰離子電池組應(yīng)該單獨(dú)放置在隔爆腔體內(nèi)，同時(shí)隔爆腔體可以通過1.5 MPa的靜壓試驗(yàn)。后備電源隔爆箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，后備電源隔爆箱體包括接線腔、電氣控制腔、電池腔，3個(gè)腔體相互獨(dú)立，并通過腔體間的隔板上隔爆型接線端子進(jìn)行腔體間的電氣連接，其中后備電源電池放置于電池腔體內(nèi)。

接線腔電氣控制腔電池腔

圖2 后備電源隔爆箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 后備電源電氣設(shè)計(jì)

后備電源主要是由鋰離子電池組、交流變壓器、充電機(jī)、逆變器及電池管理系統(tǒng)等部分組成，如圖3所示。交流變壓器將不同等級(jí)的交流輸入電壓轉(zhuǎn)換成后備電源所需要的交流電壓，送入逆變器，在有交流輸入存在的情況下，優(yōu)先使用交流對外輸出，交流電源斷電時(shí)，將自動(dòng)切換為鋰離子電池組對外供電，同時(shí)提供電池供電狀態(tài)信號(hào)，通過液晶顯示屏顯示供電狀態(tài)、電池信息及故障信息。

圖3 后備電源系統(tǒng)框

2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電池管理系統(tǒng)概述

電池管理系統(tǒng)功能：電池管理系統(tǒng)是對電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，一般具有檢測電池電壓及電池溫度數(shù)據(jù)的功能，可以有效防止或避免電池充電過壓和放電欠壓等異常狀況出現(xiàn)。本后備電源主要有電池電壓的采集、電池溫度的采集、電池電壓的均衡、放電電流的采集、充電電流的采集、報(bào)警數(shù)據(jù)處理、充放電動(dòng)作的管理、電池信息及報(bào)警數(shù)據(jù)的顯示以及通信功能等功能。通過對電池電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)，判斷是否存在過充過放過流等報(bào)警情況，并及時(shí)對后備電源的充放電進(jìn)行均衡，防止后備電源電池單體或電池組受損壞，提高續(xù)航能力及使用壽命。

電池管理系統(tǒng)組成：后備電源電池管理系統(tǒng)主要有主控制器、電池電壓采集及均衡、電池溫度采集、充放電控制、電流采集、通信、顯示及交流檢測等單元組成，如圖4所示。

圖4 后備電源電池管理系統(tǒng)組成

電池管理系統(tǒng)作用方式：后備電源電池管理系統(tǒng)的工作由主控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)。電池電壓采集及均衡控制單元由主控制器通過SPI總線進(jìn)行電池電壓數(shù)據(jù)的采集及均衡的控制；電流采集單元及電池溫度采集單元通過采集電路把模擬數(shù)據(jù)送到主控制器的模擬電壓采集管腳，模擬電壓采樣管腳把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成主控制器可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)數(shù)字信號(hào)計(jì)算出電池組的電流及電池的溫度。交流檢測單元對交流是否存在、交流的電壓及電流進(jìn)行采集，通過總線RS485及信號(hào)量把信息上傳給主控制器單元。主控制器根據(jù)電壓、溫度、電流及交流狀態(tài)等數(shù)據(jù)判斷后備電源的狀態(tài)及報(bào)警，如電池單體電壓過壓欠壓報(bào)警、電池溫度過高報(bào)警、電池信息采集中斷報(bào)警及過流報(bào)警等，并發(fā)出充放電的指令給充放電控制單元。充放電控制單元根據(jù)主控制器的指令進(jìn)行相應(yīng)的充電或放電動(dòng)作。

2.2 主控制單元設(shè)計(jì)

主控制器采用高性能、低成本、低功耗的STM32F103C8T6。該控制器是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的嵌入式微控制器，具有多種控制外設(shè)，片上含有12位ADC、CAN接口、USART接口、SPI接口等資源，總線寬度為32位，時(shí)鐘頻率最高速度達(dá)72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量是64 kB，工作度范圍為-40～85 ℃，工作電壓范圍為2～3.6 V，采用LQFP64的封裝，圖5為STM32F103C8T6引腳圖。

圖5 STM32F103C8T6引腳圖

2.3 電池電壓采集及均衡控制單元設(shè)計(jì)

后備電源電池電壓的準(zhǔn)確性是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的重中之重，對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定快速有效運(yùn)行至關(guān)重要。本次選用了ADI公司生產(chǎn)的LTC6803-3作為電壓采集單元的采集芯片，LTC6803-3芯片可在13 ms的時(shí)間內(nèi)測量多達(dá)12串電池的電壓，測量誤差小于0.25%，同時(shí)內(nèi)置一路電壓基準(zhǔn)及一個(gè)串行接口，可以驅(qū)動(dòng)外部MOSFET進(jìn)行均衡控制，實(shí)現(xiàn)了電壓測量及均衡控制為一體的電池管理。本系統(tǒng)將其中一片LTC6803-3的低側(cè)串行端口引腳與另一片LTC6803-3的高側(cè)串行端口引腳采用菊鏈的方法進(jìn)行連接，如圖6所示。由圖6知，IC#1的正電源連接至IC#2的負(fù)電源，IC#1的串行高側(cè)端口連接至IC#2的串行低側(cè)端口，主控制器對級(jí)聯(lián)器件進(jìn)行讀寫操作。

圖6 LTC6803-3菊鏈?zhǔn)竭B接示意圖

2.4 均衡單元設(shè)計(jì)

被動(dòng)均衡選擇：正常情況下后備電源系統(tǒng)的電池一般初始容量是100%，電池在使用的過程中會(huì)因?yàn)楦鞣N原因逐漸衰減，這是鋰電池的自身特性。這部分的衰減無法通過均衡挽回，造成后備電源系統(tǒng)容量衰減而下降的最重要的原因是電池的容量不均衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)損失。本設(shè)計(jì)所采用的被動(dòng)均衡因其成本低和電路設(shè)計(jì)簡單而被廣泛應(yīng)用，通過電阻放電的方式，對電池電壓較高的電池進(jìn)行放電，轉(zhuǎn)換為以熱量形式釋放電量，為其他電池爭取了更多充電時(shí)間。

集成芯片及均衡電路：本后備電源使用集成芯片LTC6803-2完成被動(dòng)均衡。芯片LTC6803-3的S1至S12引腳用于平衡電池組的電池，如圖7所示。在電池組中如果其中一節(jié)或者幾節(jié)電池電壓高于最低電池電壓50 mA，則芯片LTC6803-3的S引腳驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部N通道MOSFET對與其相串聯(lián)的放電電阻進(jìn)行放電，如圖7所示。圖7中N通道MOSFET選用Si2351DS，放電電壓為33 Ω/1 W，最大均衡電流達(dá)到100 mA。

圖7 后備電源鋰電池均衡電路

電壓差值試驗(yàn)：按照相關(guān)規(guī)定，單體電池最高電壓與最低電壓的差值應(yīng)不大于50 mV。通過實(shí)際試驗(yàn)，單體電池最高電壓與最低電壓的最大差值為32 mV，符合要求。

2.5 電流采集單元設(shè)計(jì)

電流采集單元電路：電流是電池電量計(jì)算的重要參數(shù)，通過計(jì)算電流的正負(fù)和大小可以確定電流的方向及是否過流。本后備電源的電流采集單元采用ADI公司推出的高壓放大器LT1999-10，該器件可以進(jìn)行雙向電流檢測，系統(tǒng)根據(jù)電流的方向判斷此時(shí)電池處的工作狀態(tài)。LT1999-10增益誤差小于0.5%，工作溫度-40～125 ℃，輸入失調(diào)電壓小于1.5 mA，停機(jī)模式的工作電流為10 μA。電流采集單元電路圖如圖8所示。

圖8 電流采集電路圖

相關(guān)參數(shù)：本電源設(shè)計(jì)的電流采集單元應(yīng)用于單體電池容量60 AH的24串鋰離子串聯(lián)電池組，最大放電電流30 A，最大充電電流6 A。RSENSE選用阻值為5 mΩ，功率為2 W，精度為0.5%的電阻進(jìn)行測量兩端電壓值，然后經(jīng)過LT1999-10增益處理送入主控制器內(nèi)部AD進(jìn)行轉(zhuǎn)化。主控制器參考電壓的偏離值，計(jì)算出電池組電流，根據(jù)設(shè)計(jì)的充電電流為負(fù)，放電電流為正。

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電壓采集線程：系統(tǒng)軟件線程主要包括系統(tǒng)上電初始化、電壓采集、溫度采集、電流采集、顯示、RS 485通信、電池充放電控制等線程，本次主要介紹電壓采集線程。電壓采集線程通過主控制器與兩片LTC6803-3通信獲取各單體鋰離子電池的電壓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。

讀取過程：主控制器STM32F103C8T6與兩片LTC6803-3之間的SPI通信讀取電池電壓的線程如圖9所示。

圖9 電壓采集流程圖

充放電測試：對后備電源進(jìn)行充放電測試，通過測量數(shù)據(jù)對比，后備電源24串60AH磷酸鐵鋰電池單體電壓精度誤差<0.016%。

3 結(jié)語

本后備電源系統(tǒng)采用兩片LTC6803-3對電池組進(jìn)行單體電壓信號(hào)的采集及均衡控制，硬件及軟件系統(tǒng)簡單明了，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了開發(fā)設(shè)計(jì)工作量。通過實(shí)際測試，該后備電源的單體電池電壓采樣精度在±5 mV范圍內(nèi)。同時(shí)本后備電源選用意法半導(dǎo)體(ST)集團(tuán)的高性能集成芯片STM32F103C8T6作為整個(gè)系統(tǒng)的CPU，具有程序開發(fā)及維護(hù)簡單，研究開發(fā)周期短等優(yōu)勢，值得進(jìn)一步推廣。