矿用车载型锂离子电源管理系统设计

李 博

(煤炭科学研究总院，北京 100013)

·机电与自动化·

矿用车载型锂离子电源管理系统设计

李 博

(煤炭科学研究总院，北京 100013)

针对大容量锂离子电池电源开始在煤矿推广和应用的发展趋势，设计出一种适于矿用机车电控系统的车载锂离子电源管理系统。在CAN总线上实现对各单体电源的分布式控制管理和保护，依据相关锂离子蓄电池电源矿用安全标准暂行规定及锂离子电池本身使用需要，进行过流、过载、温度及过充和过放保护，确保锂离子电池电源在煤矿井下环境的安全使用，并通过智能及人工控制实现锂离子电池的健康充电和快速充电，提高车载电源的实用性。同时，通过采用主动均衡的方式，对电压较低的单体电池进行均衡充电，使整组锂离子电池性能一致。试验和工业应用结果表明：该系统的应用，可以更好地保障锂离子电源有效容量并有效延长锂离子电源的使用寿命。

锂离子电池 电池管理系统 主动均衡 CAN总线

大容量锂离子电池于2012年5月开始被正式允许在煤矿井下使用。依据现有的锂离子电池电源煤矿安全标准暂行规定，同时也从使用安全性和实用性出发，20 Ah以上的大容量锂离子蓄电池电源都需要配置电源管理系统，而矿用电动机车由于动力及储能的需求，需要配置较大容量的锂离子电池电源。因此开发一种安全可靠的矿用车载锂离子电池电源管理系统是锂离子电池在煤矿这一特殊环境下安全使用的关键[1]。

1 车载电源管理系统功能及结构

1.1 矿用车载电源管理系统结构

依据现行安全标准的限制，单体电池容量不得超过100 Ah，单箱体内允许最大串联电池数为16节的规定，决定了矿用电动车动力系统必须由多组电源箱共同提供动力，总线式分布控制是实现对多组电源箱同步控制的最好方式。

整个系统采用图1所示总线式结构，通过CAN总线把各单体电源箱整合在电源管理系统网络内，统一管理及分布式控制，最后以箱体外串联的方式提高电压等级进行动力输出[2]。

图1 车载电源管理系统网络结构Fig.1 Vehicle power management system network structure

单体锂离子电池电源结构详见图2所示，该管理系统主要包括单体电池信息采集系统、自检系统、SOC估计系统、电池组主动均衡管理系统、数据通讯系统、数据显示系统和网络管理系统组成并通过采用大功率MOS管进行开关控制。

图2 单体锂离子电源结构Fig.2 Lithium ion power structure

1.2 矿用车载锂离子电源管理系统功能

电源管理系统一般是利用车上已有的电控网络装置，如车身控制模块(BCM)、发动机控制模块(ECM)、仪表相关控制模块等，通过车载局域网(CAN总线网络)[3]，形成一个闭环控制系统。在煤矿环境下，锂离子电源管理系统的主要功能如下。

(1)全面监锂离子电池组各项参数，主要包含电池的充电与放电电流、单体电池电压、电池组SOC、锂离子电池实时表面温度等。

(2)具备低容量监测报警，确保车载电源具备能起动发动机的容量，对用电负荷采取多级放电管理方式，完成直流电源系统的控制保护功能及过流、过压、欠压保护功能。

(3)实现快速充电和健康充电及均衡充电相结合，有效保证电池组的一致性，并延长蓄电池使用寿命。

(4)在CAN总线网络内实现对各电源箱的分布式管理，可以更有效地实现故障诊断和功能保护并时时反馈到车载计算机中。

2 主要功能模块设计

2.1 信息采集控制通讯摸快

在单体锂离子电源中，管理系统监测参数主要包括设备工作状态、电池组电压、单体电池电压、充电电流、输出电流、电池组环境温度等，通过相应的传感器时时采集数据信息并通过A/D转换为数字信号反馈到CPU中(如图3所示为温度采集单元，把8路温度模拟信号采集到A/D转换器的ADG609B中，并转换为数字信号传输到CPU)[4]，对信息进行综合处理，为各种保护动作提供数据支持。

图3 温度采集电路Fig.3 Temperature acquisition circuit

同时，管理系统根据各信息采集单元的数据进行保护和输出控制等操作，主要保护功能包括单体电池过压充电保护、单体电池过放电压保护、充电过流保护、放电过流保护、电池温度保护、对外输出控制及输出短路保护和在锂离子电源处于长期静置状态时对其进行自检保障电源的可靠性等。其中对电源控制功能，即对整车电力网络的断开和接合控制采用大功率MOS管，确保断电复电的迅速可靠[5]，实测断电保护相应时间为2～2.5 ms。

2.2 快速充电

由于车载使用环境的因素，需要锂离子电源既要具备快速充电能力，又要兼顾在防爆箱体密封腔体中的散热需求，通过多次模拟实验在该系统中采用1C充电(1 h完成1次充电)，使箱体温度平衡在1个锂离子电池可以安全使用的温度范围内测试数据，充电截止电压3.5 V，确保锂离子电源的安全充电，充电电路如图4所示[6]。

2.3 主动均衡充电

由于目前锂离子电池制作生产工艺的限制，各单体电池不能完全一致，存在电压、内阻、容量等的差异，从而导致串联电池组上各单体电池的自放电率不一致。随着电池组多次循环不一致性逐步累加，如果长时间处于该状态下，会对电池组的的放电效率和使用寿命有较大影响[7]。因此对锂离子电池组需要进行均衡管理，降低各单体电池间的差异。在该系统中采用主动均衡方式对电池组进行均衡管理，在主充电机或充电桩完成充电后，通过智能判断对电压低的单体电池采用均衡充电电路进行小电流主动充电补偿，达到串联的各单体电池性能趋近一致[8]。该种方法均衡效率高，均衡动作可以主动控制，有益于延长电池组的使用寿命、保证电池组的容量[9]。主动均衡电路如图5所示，通过电压采集通道对锂离子电池组进行100 mA小电流充电。

图4 锂离子电池充电电路Fig.4 Lithium ion battery charging circuit

图5 锂离子电池组主动均衡电路Fig.5 Lithium ion battery active equalization circuit

3 电源管理系统应用

研制的使用该管理系统的矿用隔爆型锂离子电池电源样机已经应用于矿用电力机车中，并进行模拟实验和多次现场测试，验证了该管理系统设计及参数设定的可行性。如图6所示为该样机在环境温度为25 ℃下连续工作中锂电池表面的温度曲线，从图6曲线可以分析出，该管理系统可以很好地保证锂离子电池在一个相对安全的温度环境下正常工作(通常锂离子电池在超过55 ℃的环境中工作存在爆炸的风险)。图7为锂离子电池组均衡管理过程中的电压曲线，Y1～Y4为锂离子电池充电过程中的电压变化曲线，Y1和Y3～Y4为性能接近一致的锂离子电池充电曲线，曲线Y2为存在一定差异性的单体电池充电曲线。如放任其差异，该组电池一致性将随着充放电次数的累加越来越差，严重影响锂离子电池电源的使用寿命，电池容量也会受到较大损失[10]。通过20 h的健康充电及4 h的均衡充电，使该组锂离子电池性能趋近一致。

图6 连续工作下锂离子电源腔内温度曲线Fig.6 Continuous temperature curve of lithium ion power cavity

图7 锂离子电池组均衡管理过程中的电压曲线Fig.7 The voltage curve of lithium ion battery equalization management process

4 结 论

(1)根据功能需求及防爆标准中分腔的要求，将系统分为网络管理控制、单体电源箱管理控制、保护控制及显示终端4个系统，优化了控制结构，提高了整个管理系统的可靠性。

(2)对车载电源的输出端采用电流开关主动控制及多级保护智能控制，提高了机车的动力性能和在煤矿井下遇到故障后的防爆安全性能。

(3)在对外控制上采用以大功率MOS管为核心的电控开关代替传统继电器开关模式，把开关状态监控，自恢复等功能集于一体，同时消除了开关火花，提高在煤矿井下使用的安全性。

(4)通过主动的均衡充电管理，充分激活各单体电池电解质，最大效率地使用锂离子电池组的容量并延长了锂离子电池的寿命。

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(责任编辑 徐志宏)

Design of Mine Vehicle-type Lithium Ion Power Management System

Li Bo

(CoalScientificResearchInstitute，Beijing100013，China)

In view of large-capacity Lithium ion battery being widely applied in coal mine，a power management system with mine vehicle lithium ion battery for mine electric control system was designed.Based on CAN bus，the distributed control management and protection for each single power is realized.According to the interim provisions on mine safety standards for the lithium-ion batteries and the facts that lithium-ion battery itself needs the protections of over-current，overload，extreme temperature and overcharge and over discharge to ensure the safe utilization of the lithium-ion battery power in coal mine environment.It realizes the health charging and fast charging of lithium ion battery by intelligent or manual control to improve the practicability of vehicle power.Meanwhile，the monomer of low voltage battery is charged by the way of active equalization，which made the whole lithium ion battery consistent in performance.The tests and the industrial application showed that this system can better guarantee the effective capacity of lithium-ion power and effectively extend the service life of lithium-ion power supply.

Lithium ion battery，Battery management system，Active equalization，CAN bus

2014-03-01

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2013BAK06B05)。

李 博(1982—)男，工程师，硕士。

TD611

A

1001-1250(2014)-05-134-04