基于礦用鋰離子蓄電池BMS的在線式UPS電源的研究

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(shí)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(diǎn)，能夠滿足大負(fù)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(shí)現(xiàn)UPS電源的不間斷供電，電源轉(zhuǎn)換時(shí)間≤4ms。并提供了RS485接口用于電源及電池狀態(tài)的遠(yuǎn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是在充電時(shí)不放電，在放電時(shí)不充電。但UPS電源的特點(diǎn)是在有外電使用外電供給負(fù)載，沒有外電時(shí)使用電池放電供給負(fù)載；若將車載BMS當(dāng)做UPS使用，即在有外電時(shí)電池的充放電同時(shí)進(jìn)行；這樣最終會達(dá)到一種極限，充電保護(hù)或放電保護(hù)，電源本身及負(fù)載會隨著保護(hù)動(dòng)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(shí)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(jì)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(hù)控制；均衡系統(tǒng)模塊，該模塊用于對鋰電池均衡保護(hù)；STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊用于實(shí)現(xiàn)在線式UPS功能。

2 礦用鋰離子蓄電池BMS的設(shè)計(jì)

礦用鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測各個(gè)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(hù)功能，即任意一節(jié)單體電壓在達(dá)到設(shè)定值后會觸發(fā)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作，關(guān)斷充放電接口。具有充電過流放電過流保護(hù)，充放電過程的電流達(dá)到設(shè)定值后觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，控制MOS管關(guān)斷充放電接口。BMS具有短路保護(hù)功能，短路設(shè)定值為額定放電電流的150%，當(dāng)電流達(dá)到該值時(shí)觸發(fā)關(guān)斷保護(hù)，所有的保護(hù)動(dòng)作均在100ms內(nèi)完成。BMS具有采集線開線保護(hù)功能及溫度保護(hù)功能；能夠準(zhǔn)確定位故障。此類故障保護(hù)，不觸發(fā)關(guān)斷。BMS具有顯示及聲光報(bào)警功能，任意故障的保護(hù)都會有現(xiàn)實(shí)并進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 均衡保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

均衡用于對鋰離子電池組的保護(hù)，延長使用壽命并保證可靠性，本系統(tǒng)采用兩種均衡保護(hù)控制，一是設(shè)計(jì)了一種恒流恒壓的大功率鋰電池充電器，其自動(dòng)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(shí)使用大電流充電，快速補(bǔ)充電能；當(dāng)管理系統(tǒng)檢測到電池組各單體電壓值較大差異時(shí)，由BMS系統(tǒng)發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)充電器采用小電流浮充，給電池組均衡留有空間，當(dāng)各單體電池差異在允許范圍內(nèi)時(shí)，充電器繼續(xù)大電流充電；當(dāng)電池接近充滿時(shí)，充電器進(jìn)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(hù)芯片與功率電阻組成，當(dāng)系統(tǒng)檢測到各單體電池間差異時(shí)，進(jìn)行限制高與放電動(dòng)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(jìn)行放電；同時(shí)對單體電壓低的電池進(jìn)行單獨(dú)充電。系統(tǒng)每個(gè)50ms讀取一次電壓值進(jìn)行比較，各單體電壓差在允許范圍內(nèi)時(shí)恢復(fù)正常充電。

4 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)

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(shí)充放所帶來的損壞，也避免逆變器長時(shí)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(xiǎn)溫度；或觸發(fā)BMS的溫度保護(hù)動(dòng)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(jìn)行控制；在有外電時(shí)，直接轉(zhuǎn)接外電進(jìn)行輸出，同時(shí)關(guān)斷逆變器輸出；當(dāng)外電掉電時(shí)，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(shí)開啟逆變器輸出；轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間；逆變器處于待機(jī)狀態(tài)對電池產(chǎn)生的消耗，可通過BMS的浮充補(bǔ)償，且有助于電池組的均衡控制。

5 整體設(shè)計(jì)

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(yàn)；且電池組應(yīng)單獨(dú)放置在一個(gè)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(fù)責(zé)檢測電池組電池狀態(tài)，負(fù)責(zé)電池充放電的保護(hù)及報(bào)警；負(fù)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(hù)時(shí)，關(guān)斷系統(tǒng)；需重新用外電激活。從而保護(hù)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(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：監(jiān)管監(jiān)察信息動(dòng)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(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證工作。