礦用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0融資應(yīng)用研究隨著新型導(dǎo)電材料的研究和生產(chǎn)，磷酸鐵池具有能量高、電磁性穩(wěn)定、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于動(dòng)態(tài)電源。串聯(lián)的磷酸鐵鋰電池組在使用過程中,過充電、過放電和溫度過高都會(huì)影響其使用壽命和性能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池組燃燒、爆炸［１］,因此,在實(shí)際使用過程中需要使用電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem,BMS)保護(hù)磷酸鐵鋰電池組,實(shí)現(xiàn)過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)和剩余電量估計(jì)等功能［２］。目前,BMS研究主要集中在電動(dòng)汽車行業(yè),參考文獻(xiàn)介紹了國外典型的BMS應(yīng)用,包括美國通用EV1系統(tǒng)、SmartGuard系統(tǒng)、BatOpt系統(tǒng)等;參考文獻(xiàn)介紹了中國電動(dòng)汽車BMS發(fā)展?fàn)顩r,國內(nèi)高校如清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等均在BMS領(lǐng)域取得一系列研究成果和突破。但是針對(duì)礦用BMS研究的文獻(xiàn)資料較少,而緊急避險(xiǎn)設(shè)施、監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)和井下運(yùn)輸車輛等煤礦工業(yè)應(yīng)用對(duì)大容量磷酸鐵鋰電池的需求越來越大。鑒此,結(jié)合煤礦工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求,本文設(shè)計(jì)了8節(jié)單體60A·h磷酸鐵鋰電池串聯(lián)、24V額定電壓輸出的礦用BMS,保證了礦用大容量串聯(lián)磷酸鐵鋰電池組的安全性能。1u3000基于ms的bms電氣原理煤礦井下常用的電壓包括直流5、9、12、15、18、21、24、48、60V,交流1140、660、380、220、127、36V［５］,這與電動(dòng)汽車的直流電壓(一般100V以上)區(qū)別較大,電壓等級(jí)不同決定了電動(dòng)汽車BMS和礦用BMS設(shè)計(jì)的不同。礦用大容量磷酸鐵鋰BMS電氣原理如圖1所示。當(dāng)煤礦井下有交流127、380或660V時(shí),充電器給電池組充電,并給負(fù)載供電;當(dāng)交流停電時(shí),電池組給負(fù)載供電。BMS通過電池保護(hù)模塊開啟或關(guān)斷電池組的充放電回路,實(shí)現(xiàn)電池組的保護(hù)功能,并通過微處理器采集電池組的各單體電池電壓、電池組電壓、充放電電流,估算電池組的剩余電量和總電量。當(dāng)電池組單體電池電壓過高時(shí),BMS開啟均衡充電功能,平衡各單體電池電壓。數(shù)據(jù)通信模塊與電池保護(hù)模塊通過SMBus(SystemManagementBus)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,并在數(shù)據(jù)顯示模塊上依次顯示所有單體電池電壓、表面溫度,電池組電壓、電流、電池容量等參數(shù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備或上位機(jī)可與數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行RS485或CAN通信,實(shí)時(shí)獲取電池組工作狀態(tài)參數(shù)并控制電池組充電或放電。2主要用于礦工bms的開發(fā)模塊2.1電池管理系統(tǒng)電池保護(hù)模塊必須具有單體電池過充保護(hù)、單體電池過放保護(hù)、充電過流保護(hù)、放電過流保護(hù)、輸出短路保護(hù)和溫度保護(hù)功能,從而實(shí)現(xiàn)電池組和單體電池的全面保護(hù)。目前實(shí)現(xiàn)電池全面保護(hù)的方式主要有2種:①以微處理器為核心,采用微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集電池組所有單體電池電壓、溫度和電池組電壓。該方式使用靈活,擴(kuò)展性強(qiáng),但設(shè)計(jì)較復(fù)雜,由于完全靠軟件來控制,相對(duì)可靠性低。②采用專門的集成芯片來實(shí)現(xiàn)保護(hù)［６］,其電路設(shè)計(jì)簡單,可靠性高,但存在對(duì)外電氣接口和通信方式不統(tǒng)一,不利于靈活控制的缺點(diǎn)。本文將以上2種方式相結(jié)合,利用集成芯片實(shí)現(xiàn)電池組的監(jiān)測(cè),利用微處理器擴(kuò)展各種接口對(duì)外通信,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的智能化管理,具有可靠性高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文采用微處理器配合集成芯片LTC6803設(shè)計(jì)電池組管理電路。單個(gè)LTC6803無需光耦隔離即可同時(shí)監(jiān)測(cè)12節(jié)電池電壓和溫度,并與微處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行SPI通信。當(dāng)LTC6803監(jiān)測(cè)到單體電池過壓(超過3.6V)、欠壓(低于2.8V)或電池溫度達(dá)到設(shè)定值(60°C)時(shí),微處理器會(huì)關(guān)斷外部充電MOSFET管或放電MOSFET管,斷開充放電回路。同時(shí),微處理器檢測(cè)充放電過程中電池組電流,當(dāng)充放電電流達(dá)到保護(hù)值或供電回路短路時(shí),微處理器同樣會(huì)關(guān)斷外部充電MOSFET管或放電MOSFET管,斷開充放電回路,保護(hù)電池組。LTC6803應(yīng)用原理如圖2所示。X1為SPI總線端口,CELL1—CELL8連接各單體電池,SELL1—SELL8驅(qū)動(dòng)外置均衡MOSFET管。2.2動(dòng)態(tài)估算方法電池組電量的精確估算是關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn),對(duì)電池剩余電量(StateofCharge,SOC)估算能預(yù)測(cè)電池組后續(xù)工作時(shí)間,而計(jì)算出整組電池電量能確認(rèn)當(dāng)前電池是否已老化、提示礦方是否需要更換電池。電動(dòng)汽車BMS對(duì)電量估算方法已有諸多研究,主要包括安時(shí)法、開路電壓法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法［７］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,其中安時(shí)法、開路電壓法是最常用的方法。開路電壓法利用開路電壓和SOC一定的正比關(guān)系來估算SOC,但是充放電過程中開路電壓無法準(zhǔn)確檢測(cè),因此不能用于動(dòng)態(tài)估算。本文采用安時(shí)法估算電池組SOC和總電量,電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算即電池組電量。安時(shí)法對(duì)電池組SOC和總電量的準(zhǔn)確估算關(guān)鍵在于回路電流采樣的準(zhǔn)確性,電流測(cè)量不準(zhǔn)就會(huì)造成計(jì)算誤差。電流采集電路如圖3所示,采用雙向電流檢測(cè)芯片MAX4081來檢測(cè)電池組充電電流Iｃｈａｒｇｅ或放電電流Iｌｏａｄ,電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Uｏｕｔ輸入微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器。另外,大量試驗(yàn)表明,SOC和總電量估算精度還受電池溫度的影響,尤其是低溫時(shí)電池容量會(huì)顯著變化,采用安時(shí)法結(jié)合溫度補(bǔ)償使估算誤差控制在3%以內(nèi),滿足應(yīng)用需求。2.3均衡技術(shù)類型由于電池材料差異及工藝等因素,每節(jié)磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻不完全一致,使得各單體電池的容量、電壓等參數(shù)難以保證完全相同,磷酸鐵鋰電池組裝后電池參數(shù)的不一致會(huì)對(duì)電池組的使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。電池均衡的目的就是使電池組內(nèi)所有電池的綜合性能趨于一致,充分發(fā)揮電池組的性能,保證電池在使用過程中的安全,不影響電池的壽命。目前常見的均衡技術(shù)主要分為2類:能量轉(zhuǎn)移型均衡技術(shù)和電阻分流型均衡技術(shù)。能量轉(zhuǎn)移型均衡技術(shù)利用能量轉(zhuǎn)移裝置將高能量電池的電量補(bǔ)充到低能量電池中,其主要優(yōu)點(diǎn)是降低能量損耗,但該技術(shù)復(fù)雜、成本高、實(shí)現(xiàn)困難,而且在均衡過程中不斷地對(duì)電池進(jìn)行充放電,會(huì)造成極板活性材料過早老化,影響電池壽命。電阻分流型均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單,充電時(shí)對(duì)高壓電池分流,使低壓電池盡量充滿。放電時(shí)對(duì)高壓電池放電,使整組電壓盡量一致。本著系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的原則,本文采用電阻分流型均衡技術(shù)。LTC6803內(nèi)置均衡MOSFET管,并驅(qū)動(dòng)外置MOSFET管增加均衡電流。單節(jié)電池均衡電路如圖4所示,S(n)為均衡MOSFET管驅(qū)動(dòng)信號(hào);C(n)和C(n-1)為單體電池電壓采樣信號(hào)。采用電阻分流型均衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定合適的均衡電流,均衡電流由旁路電阻決定。如果均衡電流很大,雖能達(dá)到較好的均衡效果,但損耗過大會(huì)引起B(yǎng)MS溫度升高、過熱;如果均衡電流太小,均衡效果又不明顯。試驗(yàn)證明,對(duì)于單體60A·h的磷酸鐵鋰電池組,100~200mA均衡電流較為合適。3電池組性能測(cè)