基于LT6803的大容量鋰離子后備電源設計

陳宏利

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

后備電源是保證安全高效生產及通訊的重要設備，對確保煤礦安全生產起著關鍵作用[1-5]。研制、生產和推廣可用于監控系統、通信聯絡系統、人員定位系統、視頻監控、緊急避險和礦井救災等系統和設備的煤礦后備電源，在交流電網斷電后，為這些系統和設備提供持久的電力供應，并且可通過數字總線對后備電源進行遠程維護和管理[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的實際需要。目前應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、通信系統、緊急避險等系統的應用。

針對煤礦井下大功率設備的應用較多，依據國家與行業標準，設計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，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、電池電量的計算、交直流無縫切換及報警等功能。

1 電池連接方式、隔爆箱體及電氣設計

1.1 鋰離子電池連接方式

磷酸鐵鋰電池優勢：磷酸鐵鋰電池是一種正極材料為磷酸鐵鋰的鋰離子電池，與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有的優勢見表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：按照相關規定，腔體內鋰離子蓄電池應采用串聯方式連接進行成組，同時鋰離子蓄電池不允許在防爆腔體內以任何形式的并聯連接[16-20]。電池串聯：也就是電池采用首和尾相聯，即第1支電池的正極與第2支電池的負極相連接，第2支電池的正極與第3支電池的負極相連接，第3支、第4支等順次連接。電池串聯時，電流處處相等，即I0=Ia=Ib=Ic=…；電壓是各個蓄電池電壓之和，即U0=Ua+Ub+Uc+…。串聯電池組能夠在電流恒定的基礎上，增大電池組電壓進而提高輸出功率，增加負載能力。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 隔爆箱體設計

依據相關安全技術要求及GB 3836.1～4—2010的規定，后備電源的鋰離子電池組應該單獨放置在隔爆腔體內，同時隔爆腔體可以通過1.5 MPa的靜壓試驗。后備電源隔爆箱結構如圖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個腔體相互獨立，并通過腔體間的隔板上隔爆型接線端子進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。

接線腔電氣控制腔電池腔

圖2 后備電源隔爆箱結構示意圖

1.3 后備電源電氣設計

后備電源主要是由鋰離子電池組、交流變壓器、充電機、逆變器及電池管理系統等部分組成，如圖3所示。交流變壓器將不同等級的交流輸入電壓轉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，優先使用交流對外輸出，交流電源斷電時，將自動切換為鋰離子電池組對外供電，同時提供電池供電狀態信號，通過液晶顯示屏顯示供電狀態、電池信息及故障信息。

圖3 后備電源系統框

2 電池管理系統設計

2.1 電池管理系統概述

電池管理系統功能：電池管理系統是對電池進行管理的系統，一般具有檢測電池電壓及電池溫度數據的功能，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。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、報警數據處理、充放電動作的管理、電池信息及報警數據的顯示以及通信功能等功能。通過對電池電壓、溫度、電流等數據的采集，根據采集數據，判斷是否存在過充過放過流等報警情況，并及時對后備電源的充放電進行均衡，防止后備電源電池單體或電池組受損壞，提高續航能力及使用壽命。

電池管理系統組成：后備電源電池管理系統主要有主控制器、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組成

電池管理系統作用方式：后備電源電池管理系統的工作由主控制器進行協調。電池電壓采集及均衡控制單元由主控制器通過SPI總線進行電池電壓數據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據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轉換成主控制器可以識別的數字信號，根據數字信號計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行采集，通過總線RS485及信號量把信息上傳給主控制器單元。主控制器根據電壓、溫度、電流及交流狀態等數據判斷后備電源的狀態及報警，如電池單體電壓過壓欠壓報警、電池溫度過高報警、電池信息采集中斷報警及過流報警等，并發出充放電的指令給充放電控制單元。充放電控制單元根據主控制器的指令進行相應的充電或放電動作。

2.2 主控制單元設計

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內核的嵌入式微控制器，具有多種控制外設，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，時鐘頻率最高速度達72 MHz，程序存儲器容量是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計

后備電源電池電壓的準確性是整個電池管理系統的重中之重，對整個系統的穩定快速有效運行至關重要。本次選用了ADI公司生產的LTC6803-3作為電壓采集單元的采集芯片，LTC6803-3芯片可在13 ms的時間內測量多達12串電池的電壓，測量誤差小于0.25%，同時內置一路電壓基準及一個串行接口，可以驅動外部MOSFET進行均衡控制，實現了電壓測量及均衡控制為一體的電池管理。本系統將其中一片LTC6803-3的低側串行端口引腳與另一片LTC6803-3的高側串行端口引腳采用菊鏈的方法進行連接，如圖6所示。由圖6知，IC#1的正電源連接至IC#2的負電源，IC#1的串行高側端口連接至IC#2的串行低側端口，主控制器對級聯器件進行讀寫操作。

圖6 LTC6803-3菊鏈式連接示意圖

2.4 均衡單元設計

被動均衡選擇：正常情況下后備電源系統的電池一般初始容量是100%，電池在使用的過程中會因為各種原因逐漸衰減，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致的系統損失。本設計所采用的被動均衡因其成本低和電路設計簡單而被廣泛應用，通過電阻放電的方式，對電池電壓較高的電池進行放電，轉換為以熱量形式釋放電量，為其他電池爭取了更多充電時間。

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或者幾節電池電壓高于最低電池電壓50 mA，則芯片LTC6803-3的S引腳驅動一個外部N通道MOSFET對與其相串聯的放電電阻進行放電，如圖7所示。圖7中N通道MOSFET選用Si2351DS，放電電壓為33 Ω/1 W，最大均衡電流達到100 mA。

圖7 后備電源鋰電池均衡電路

電壓差值試驗：按照相關規定，單體電池最高電壓與最低電壓的差值應不大于50 mV。通過實際試驗，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 電流采集單元設計

電流采集單元電路：電流是電池電量計算的重要參數，通過計算電流的正負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，該器件可以進行雙向電流檢測，系統根據電流的方向判斷此時電池處的工作狀態。LT1999-10增益誤差小于0.5%，工作溫度-40～125 ℃，輸入失調電壓小于1.5 mA，停機模式的工作電流為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

相關參數：本電源設計的電流采集單元應用于單體電池容量60 AH的24串鋰離子串聯電池組，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%的電阻進行測量兩端電壓值，然后經過LT1999-10增益處理送入主控制器內部AD進行轉化。主控制器參考電壓的偏離值，計算出電池組電流，根據設計的充電電流為負，放電電流為正。

2.6 系統軟件設計

電壓采集線程：系統軟件線程主要包括系統上電初始化、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據實現的。

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

3 結語

本后備電源系統采用兩片LTC6803-3對電池組進行單體電壓信號的采集及均衡控制，硬件及軟件系統簡單明了，極大地提高了系統的可靠性，減少了開發設計工作量。通過實際測試，該后備電源的單體電池電壓采樣精度在±5 mV范圍內。同時本后備電源選用意法半導體(ST)集團的高性能集成芯片STM32F103C8T6作為整個系統的CPU，具有程序開發及維護簡單，研究開發周期短等優勢，值得進一步推廣。