煤礦井下UPS電源網絡化電池管理系統設計*

李博

（煤炭科學研究總院）

0 前言

煤礦井下 UPS電源是煤礦發生臨時斷電或安全事故后確保相關安全監控和生命保障裝置運行的重要設備，生命保障設備能否持續、可靠運行，是遇險井下工作人員的重要生存依仗。所以，研制一套符合煤礦安全規程要求、適合災變環境使用的動力供應系統勢在必行。

1 礦用電池管理系統技術現狀

鋰電池的電池管理技術主要開始于本世紀初期，現處于剛起步階段。早期電池管理系統一般只具有監測電池電壓、溫度、電流以及保護等簡單功能。隨著電池在各行業的廣泛應用，使用環境的復雜多樣和使用技術要求的不斷提高，使得電池管理技術得到了極大的發展。而根據煤礦井下的實際需求和相關行業標準要求，礦用大容量電池的管理系統主要具備以下幾個功能：電池外部環境信息監測系統、電池容量估計系統、電池組性能自檢系統、電池均衡系統等。目前煤礦井下的電池管理的大部分技術都相對比較成熟，其技術核心在于：

1) 電池組充、放電均衡的技術；

2) 電池組中單體電池性能變化的快速識別技術；

3) 電池組整體容量、性能衰減判定技術；

4) 電量管理由于受煤礦井下電源箱體的限制，不具備散熱條件，電源箱體內的溫度需要精確控制；

5) SOC的估計算法；

6) 網絡化智能管理技術的突破。

2 系統組成與功能

煤礦井下 UPS電源電池管理系統主要由：單體電池監測、保護系統、充放電控制系統、SOC估計系統、電池均衡管理系統、數據通訊系統、顯示系統和網絡管理系統組成。系統采用圖1所示總線式結構。

2.1 充放電控制系統

由于鋰電池本身安全性及維護需要，鋰電池的充電電壓要控制在3.5 V～3.6 V，如果充電電壓過高會產生安全隱患；同時鋰電池放電電壓也不能過低，如果過放，對鋰電池性能有嚴重影響。該系統可精確進行充放電控制，確保鋰離子電池組使用的安全、可靠[1]。

2.2 單體電源監測、保護系統

單體電源管理系統監測參數主要包括：設備工作狀態、電池組電壓、單體電池電壓、充電電流、輸出電流、電池組環境溫度等，實時采集并顯示即時監測數據及故障報警信息[2]。

保護功能主要包括：輸出短路保護、環境溫度保護（圖2為隔爆箱內充電時箱體內部溫度曲線）、信息采集線開路保護，以應對各種非正常使用狀態下對UPS電源本身及負載的保護，并定期對UPS電源進行自檢，檢測電池的電量以及電源整體的性能[3]。

圖2 單體UPS電源箱內溫度變化曲線

2.3 均衡管理系統

由于鋰離子電池制作工藝限制，單體電池之間存在電壓、內阻、容量等差異，從而導致單體電池的自放電率不一致。隨著電池組多次循環不一致性的逐步累積，將嚴重影響電池組的放電效率和使用壽命。因此需要對鋰離子電池組進行均衡管理，降低各單體電池間的差異。目前鋰離子電池均衡管理的方法主要為被動均衡型和主動補償型[4]。

被動均衡型是將電池組中電壓高于平均電壓的電池釋放部分能量，使其電壓接近平均值，即整個電池組之間進行簡單的能量交換，將電池組中電壓高的單體電池多余的能量釋放，使電池組均衡。該方法雖然簡單、穩定，但存在能量損耗和散熱問題[5]。

主動補償型是在充電系統中設計一個均衡充電電路，在主充電機完成充電后，通過智能判斷對電壓低的單體電池通過均衡充電電路進行小電流主動充電補償，達到電池組均衡的目的。這種方法均衡效率高，均衡動作可以控制、可增加電池組的使用壽命，保證電池組的容量，但控制電路相對復雜。該系統中采用主動補償方式進行均衡管理。

2.4 SOC估計系統

SOC估算時，充分考慮到由于內阻因素造成的電量損失和庫倫效率，并采用目前電動汽車常用的SOC估計方法—安時計算法為原理，見式（1），通過負載電流的積分估計SOC，并結合在各種溫度工況條件下鋰離子電池的活性進行溫度補償并根據庫倫效率因素進行非線性處理，擬合SOC變化的真實曲線[6]。

式中：η表示庫倫效率；CA為電池可用容量；SOC0為初始SOC。

2.5 網絡管理系統

整個系統的核心就是把網絡技術應用到煤礦井下UPS電源管理系統中，在CAN總線上實現對每個單體 UPS電源的智能管理和電量的網絡分配。在總線網絡中根據工況自動生成主機或根據實際需要設定主機，在網絡上對每個單體 UPS電源進行巡檢。在 UPS電源系統啟動后，根據每個電源箱電量的消耗和輸出功率的大小，進行智能切換，一方面確保生命保障設備的不間斷運轉；另一方面避免對單個UPS電源箱過載輸出和儲存電量最大限度使用。同時由于電源管理系統采用總線環網式控制，任一單體電源箱損壞都不影響整個 UPS電源系統使用和電源管理系統對整個網絡的智能控制。并且在輸出穩壓電路中，通過優化設計提高了由儲能到電源輸出的轉換效率，使整體UPS電源使用率達99%以上[7]。

通過CAN總線網絡，實時上傳UPS電源的數據到地面上位機中，使調度中心人員能及時了解每個單體 UPS電源箱的剩余電量、輸出電流、充電電流、電極溫度、電池組平衡情況、設備工況等信息，以及整個 UPS電源網絡的狀態，便于維護、故障及時檢修。同時在遇險情況下，使地面對煤礦井下避難硐室或其他避險設備的可持續生命保障能力有更詳細地了解。

3 結語

電池管理系統通過自動控制方式在整個UPS電源網絡中實現智能管理，有效提高了 UPS電源的使用效率，由于通過紅外的方式進行人機交互，相對于隔爆按鍵方式既豐富了系統的功能，同時也增加了對系統的可操作性，解決了煤礦井下受防爆標準限制人機互動的難題。同時整個網絡中任意主備機的主從互換，增加了 UPS電源系統供電的可靠性，并通過對鋰離子電池組的有效管理，保障了鋰離子電池組的安全、可靠使用，為鋰離子電池進入煤礦領域提供了技術儲備和安全保障。

[1] 麻又良,陳全世,齊占寧.電動汽車用電池SOC定義與監測方法[J].清華大學學報,2001,41(11):95-97,105.

[2] 蔣新華,馮毅,解晶瑩.電壓檢測電路對鋰離子電池組的影響[J].電池,2005,35(2):135-136.

[3] 李樹靖,林凌,李剛.串聯電池組電池電壓測量方法的研究[J].儀器儀表學報,2003,24(增1):212-215.

[4] 王震坡,孫逢春,林程.不一致性對動力電池組使用壽命影響的分析[J].北京理工大學學報,2006,26(7):577-580.

[5] 胡銀全,劉和平,張毅,等.磷酸鐵鋰動力電池組容量損耗分析[J].武漢理工大學學報,2011,33(9):130-134.

[6] 史忠科.最優估計的計算方法[M].北京:科學出版社,2001.

[7] 吳又宇,尹葉丹.基于CAN總線的分布式動力電池管理系統[J].汽車工程,2004,26(5):530-533.