基于ARM的矿用动力电池管理系统研究

张文山，张全柱，邓永红

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 065201)

基于ARM的矿用动力电池管理系统研究

张文山，张全柱，邓永红

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 065201)

随着矿井自动化、信息化、智能化生产的不断发展，矿用动力电池组及其管理系统在矿井下的应用前景越来越广泛。通过对动力电池管理系统和井下环境的分析，确立了电池管理系统的基本功能，设计了一款基于ARM的矿用动力电池管理系统，实验结果表明这种管理系统的有较高电压测量精度和较好的均衡效果。

煤矿井下；动力电池管理系统；电池电压监测；电池组均衡

0 引言

动力电池组管理系统在煤矿井下应用前景广泛且潜力巨大。避难硐室及逃生系统，矿用轨道牵引电机车、牵引胶轮机车、单轨吊车、运人猴车等设备，这些都是煤矿重要的运输装备，其运行状况的可靠性、耗能情况、运输成本等，直接影响着煤矿生产的安全、效率和经济效益[1-5]。如今，这些动力的能量提供还主要依靠传统的铅酸蓄电池，它存在体积能量低、质量能量密度低、污染重、设备自重大、工作效率低，可靠性差、报废率高、维护繁琐、占场地大等一系列缺点[6]。给传统的铅酸电池配备管理系统将极大改善现有铅酸蓄电池的工作效率低、可靠性差、报废率、维护繁琐等问题；应用磷酸铁锂动力电池级其管理系统可以克服铅酸电池的一系列缺点，一定程度上可以满足矿井发展节能、绿色、环保发展要求。因此，在煤矿设备上推广铅酸蓄电池及其管理系统和应用磷酸铁锂动力电池及其管理系统优势明显、潜力巨大[7-8]。本文确立了矿用动力电池的基本功能和总体结构图，对其电压的精确测量和主动均衡做了重点研究。

1 电池管理系统的基本功能

矿用动力电池主要是可循环的二次电池，目前矿井下以铅酸电池为主，锂离子动力电池的研究和应用在逐步发展。要提高矿用动力电池的供电质量、使用效率，克服使用的安全性问题，提高电池电量估算准确性和延长电池使用寿命，需要给动力电池配备管理系统。矿用动力电池管理系统是由电力电子技术、微电脑控制技术、检测技术而构成的装置，它与锂离子动力电池同步而生，同步发展，它是支撑锂离子动力电池的关键技术。设计的矿用动力电池管理系统主要包括对电池状态和工作环境的监测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理、电池信息管理，如图1所示。

2 电池管理系统硬件电路设计

矿用动力锂电池管理系统总体结构框图如2所示，主要8个部分组成， 以STM32F107为主控CPU的控制器，供电单元、采集单元、均衡单元、执行单元、存储单元、显示单元、通信单元组成。

图2 电池管理系统总体结构图

2.1 采集单元设计

采集单元主要对电池的电压、电流、温度和瓦斯浓度等进行了采样。

(1) 电压采集。LTC6804是一款完整的电池监测芯片，每片能够监测由多达12节电池串联的电池组，电池的电压测量误差小于1.2 mV,在0～30℃的范围内，电压的测量精度可以控制在1 mV以内,12节电池的测量在290 μs以内完成,单个电压的测量范围为0～5 V,能够实现对每节电池的欠压和过压条件监控,是电池管理系统中单体电池电压测量最优的芯片，LTC6804芯片如图3。

LTC6804监测12块串联的动力锂电池电压，C0、C1分别第1块电池负极和正极，C1、C2第2块电池负极和正极，以此类推检测12块动力电池的电压。

(2) 电流采集，采用霍尔电流传感器进行电流的监测，首先电流经过直流霍尔传感器，输出的电流信号，经过一个采样电阻转换成相对应的电压信号，电压信号经阻容滤波后，在经过比例放大，送入IC芯片的转换器(A/D)口。经放大器反向后在零与3.3 V之间浮动，D3、D4为钳位二极管严格保证输入给ARM的电压信号在零与3.3 V之间，达到ARM的IC芯片的转换器接口对输入信号的要求。如图4所示。

图3 LTC6804芯片

图4 直流电流采样

(3) 温度采集。NTC温度传感器因为测温精度高、响应速度快且成本低等优势被广泛应用在电池管理系统中的温度检测中，负温度系数FM51-103F343NTC5型热敏电阻探头实时监测电池表面温度变化，并且黑色漆包线水滴塑封10K1%B值3435温度传感器可对动力锂电池表面和MOS管温度进行了多点测温,NTC温度传感器信号传给ARM，进行实时温度值采集[10]，电路如图5所示。

图5 温度采样电路

(4) 瓦斯检测。采用MC113型催化元件，与其他敏感元件相比其具有以下特点：桥路输出电压呈线性；响应速度块；具有良好的重复性、选择性；元器件稳定、可靠。测试电路如图6 所示。

图6 瓦斯采样电路

2.2 均衡电路设计

因生产过程和工作环境等因素使得串联在一起的单体电池并不能达到较好的一致性，从而降低了电池组的整体有效容量和缩短了使用费寿命。因此，均衡电路对锂电池的安全、高效的工作有重要意义[12]。采用基于相邻电池能量转移的均衡控制电路进行均衡电路设计，控制了5个动力电池进行说明，如图7所示。

图7 采用基于相邻电池能量转移的均衡控制电路

某时刻，如果MCU得到信号需要由B1的电荷向B2转移，则MCU-A1产生以下控制时序，以0.1 ms时长进行高低电平交换，Q1则通过电容的高频控制信号的影响有规律的开关，由于MCU与MOS管之间有电容分割，故Q2维持关闭状态。当Q1导通，则L1处于充电状态；当Q1断开，由于电感特性，经过L1的电流不能突变，则电流沿着L1、D2、B2，对B2进行充电。由于设计是对称的，MUC可以控制相邻两个电池的相互充放电。

2.4 执行单元设计

执行单元主要来执行CPU给出的操作命令，包括充电或放电的选择、主电路的断开及闭合、电路保护等。

2.5 通信单元设计

由CAN总线实现各模块之间的信息交互，包括主控芯片和采集单元，主控芯片和通信模块(无线传输模块)等[13]。通过历史数据的分析处理来评估电池的状态，将信息传给主控芯片如图8所示。

图8 通信流程图

3 矿用动力电池管理系统软件控制

电池管理系统启动后对各模块初始化，判断环境瓦斯有无超限，进行选择充电还是放电模式，假设检测到放电状态，判断是否有人为的紧急处置，如果没有紧急指令则采集单元开始巡检电池状态和环境状态传给主控芯片进行存储、传输、显示各参数并进行SOC估值，判断单体电池是否有过压从而进行均衡控制；判断电流、温度等有无超限和单体电池有无过放，有其中任何一种情况则报警提示及上报情况继而中断放电，如果没有则继续巡检。充电情况于放电控制类似，如图9所示。

图9 系统软件流程图

4 实验结果与分析

静态情况下，应用FLUKE万用表(三位半)分别对12块单体电池进行测量，检验电池管理系统的测量精度，具体情况如表1管理系统电压测量精度检验。

实验数据表明，该电池管理系统可以较为精准的对单体电池电压进行采集，采样误差控制在0.1%(3 mV)以内,可以满足电池的容量估测。

表1 管理系统电压测量精度检验

应用均衡系统和不应用均衡系统两种模式下，电池组进行0.15C倍率放电得出的放电曲线进行对比，得出应用设计的均衡系统可以使得电池组很好地均衡放电，如图10所示。

图10 两种模式下的放电曲线

5 结语

通过对电池组进行系统的分析得出了其管理系统应该具备的功能，并且为实现这些功能进行了芯片选择和硬件电路模块的搭建，设计了系统软件流程，为更加高效、环保、节能的煤矿装备的发展研究提供了支持。

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ResearchoncoalminepowerbatteryandmanagementsystembasedonARM

ZHANG Wen-shan, ZHANG Quan-zhu, DENG Yong-hong

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

With the development of the automation, information and intelligence of mine production, power battery and its management system in the coal mine has more and more extensive application prospect. Through the analysis of power battery management system and underground environment, the basic functions of battery management system is established，an mine power battery management system based on ARM is designed. Experimental results show that this management system has a higher voltage measurement accuracy and a better balance effect.

coal mine; power battery management system; battery voltage monitoring; balanced battery pack

2017-07-15

中央高校基本科研业务费资助(3142017045, 3142013101)；河北省科技支撑项目(16274603，16214408)

张文山(1991-)，男，河北邢台人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：安全生产自动化和信息化。E-mail：570488964@qq.com

TM912

A

1672-7169(2017)05-0040-06