矿用铅酸蓄电池智能管理系统的研究

王 元，张全柱，陈海宇

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

0 引言

铅酸蓄电池技术广泛应用在煤矿的二次备用储能供电设备中，随着运行，电池的容量、寿命、充放电效率都会随之下降，由于煤矿井下的特殊工作环境，部分设备投入运行不到两年，就会出现因为个别的单节电池发生故障，致使整组蓄电池容量下降20%[1-3]。长期服役的铅酸蓄电池会有更多问题，如产品自然的衰减老化、偶发性故障，受各种环境因素影响等，致使电池组老化程度加速，提前报废[4,5]。

目前煤矿企业对铅酸蓄电池的检测手段，仍然需要定期对电池进行检查维护，进行充放电作业，根据电池的使用年限进行更换。此外，在检查维修过程中，蓄电池的温度、电压、内阻精准检测难，存在电池热失控隐患；电池电压巡检过程简单，不能有效反应蓄电池状态；无法做到故障信息预警、报警等[6-8]。为保障井下供电储能设备的安全高效运行，本设计提出一种低成本、高效益的铅酸蓄电池智能健康管理系统，可以实现环境感知本体预测、主动预测预警、辅助诊断决策、运行状态存储、故障安全保护等功能。

1 电池智能管理系统硬件设计

矿用铅酸蓄电池智能管理系统由从控单元、主控制单元、应用层组成。从控单元用于对电池组各单体电池运行参数进行采集；主控单元选用STM32f107微控制器，其性能高、成本低、功耗低， 实现对电池组总工作电压、电流的检测采集，并将其传到应用层，并对均衡单元和采集单元进行控制；应用层包括上位机显示，信息交互，参数存储等功能的实现。如下图2所示：

1.1 从控单元设计

从控单元负责对各个组节电池的工作电压、工作电流、环境温度进行AD采样，通过CAN总线传到主控单元。

1.1.1 电压采样电路设计

电压作为电池健康预测的一个重要参数，其所采集到数值的准确度，对电池状态分析有很大影响。AD620是一款单片仪器放大器，通过外部电阻R1实现高增益的芯片，矿用铅酸蓄电池单节电压在1.6 V到2.5 V之间变化，该芯片其具有低功耗、低输入漂移和低温漂等特性，适合矿用铅酸电池的电压检测。该芯片可在-40℃到85℃之间工作，可同时对多节电池进行检测，测量时间可在300 μs以内。

图2为电池组的电压采集电路，由于STM32具有A/D功能，需要对信号进行精确放大，使其达到V级，R1为AD620的外接电阻，由其与内阻共同确定放大倍数。设放大倍数为G，则有下式：

(1)

调理后的信号经过AD620的6脚输出，此时可直接接入A/D转换芯片，实现数据采集，使用时使输出电压与A/D转换器的测量范围相匹配即可。

图2 电池输入电压采样电路

1.1.2 电流采样电路设计

电流采样电路采用霍尔传感器实现信号采集，首先通过传感器将电流信号转化成小信号电流，再通过采样电阻转化成电压，经过电压跟随器、放大器反相后，电压在0和3.3 V之间浮动，D1、D2为钳位二极管，将输入电压稳定在0与3.3 V之间，达到ARM的IC芯片对输入电压信号的要求，最后经过排线将采集的模拟信号输送到STM32自带的AD转换器中，转化为数字量输入CPU中进行处理，完成整个电流采集的整个过程。同时ADC采样得到的信号，需要经过比较处理转化成0/1保护信号，此时需要经过整流和比较等过程。电流ADC采样电路如图3所示。

图3 电流ADC采样流程图

1.1.3 温度采集

矿用电池的温度采集因其防爆型式不同，通常在电池组和隔爆箱之间设置监测点，而不是直接在电池组内部进行温度传感器测量。本设计使用NTC 10KΩ(1002) ±1%型热敏电阻，它灵敏度高、电路简单可靠、响应时间短、测量范围大(-40～125℃)，在放置热敏电阻时需要用漆包线密封包裹，防止被电解液腐蚀。图4为NTC热敏电阻阻值随温度变化的曲线图，在常温25℃时电阻为标准10 kΩ。NTC热敏电阻温度采集电路如图5所示，并根据下式计算得：

(2)

其中，VDD为恒压源所提供的3.3 V电压；R1为4.7 k标准电压源的内电阻；RT为热敏电阻阻值，根据热敏电阻温度曲线带入计算可得，测量电路得电压范围为(0.33～3.22 V)。

图4 热敏电阻温度特性曲线

图5 温度采样电路

1.2 均衡控制电路设计

矿用铅酸蓄电池由于其工作环境的特殊性，电池组中各串联的单体电池的工作状态不一致，导致其放电效率不同，影响整个电池组的电池容量和使用时长。需要均衡控制电路对单体电池能量进行分流，常见的有能耗型均衡法和非能耗型均衡法，但矿用铅酸电池的体积大，传统均衡控制电路的电路相应时间较长，设计过于复杂，效率低下，无法及时对电池能量进行转移或分流。本设计我们使用一款成熟的双向、非功耗型均衡控制芯片LTC3300，每枚芯片可对最多6节电池进行均衡控制，通过串联扩展的形式，采用独特的电平移动SPI兼容型总线连接进行信息传送，可以对整个电池组电池能量进行均衡调控。应用任何均衡系统都必须有控制依据，我们采用电压为依据，即应用LTC6804 和 LTC3300 进行均衡控制，其拓扑结构如图6所示。

1.3 通信模块设计

系统需要从控电路、主控电路及应用层的数据进行交互传输，本设计使用CAN总线将从控采集的参数传入主控芯片，其拥有良好的实时性，较快的传输效率和较高的错误数据识别能力；使用RS485串口线用于应用层和主控电路数据交互，将数据传入上位机中进行分析显示存储，算法分析电池工作状态，由上位机将控制命令通过串口传送到控制电路中。

图7所示选用ISO1050DUBR隔离式收发器作为CAN口通信主芯片， 后接两个mSMD010-60 V自恢复型保险丝，该电路传输速率高达1 Mbit/s，主芯片具有串线、过压和接地损耗保护以及过热关断功能，U4为一个CAN通信模块的隔离电源，将3.3 V的输出转为5 V输入。图8所示选用SN64HVD3082EDR半双工型接口芯片实现上位机与STM32中主控电路的数据交互，满足TIA/EIA-485A标准要求，系统拥有良好的抗干扰性、稳定性和易扩展性。

图6 均衡控制原理拓扑图

图7 CAN通信模块电路

2 电池管理系统的软件设计

一套铅酸电池管理系统各部分功能的实现，需要参数检测采集程序、SOC电池余量估算程序、上位机显示预警存储程序、电池均衡控制程序、串口通信程序等多组程序配合完成。如图9(a)所示为ADC采样子函数流程图，ADC子函数主要是初始化ADC模块，使其能正常工作，该子程序包括初始化ADC的引脚，使其工作在ADC通道模式，使能ADC模块，SOC配置及采样通道、采样窗口、触发源设置等，配置完成后便实时等待触发源触发转换与中断。

图9(b)为电池管理系统主服务程序图，首先对各项设备进行初始化管理，包括CAN初始化，ARM系统初始化、I/O口初始化等，随后主控芯片在数据采集程序驱动下，通过CAN口发送LCD数据发送任务指令，创建ADC采样，实现电池工作参数的采集。系统会将数据传入上位机和SOC估算单元，SOC估算单元会对电池剩余电量进行估计，上位机的程序会对电池参数是否超限进行判断，而结合两个结果对电池的健康程度进行判断。若SOC估值过低或电池参数超限，上位机会有警报发出，同时启动保护程序，切断总电源进行电池均衡管理程序，将电池组各单体电池能量进行均衡调整，上位机程序负责对数据进行存储、分析和显示。

图9 主控制单元流程图

3 实验结果测试

为了直观反映本系统的运行状态和铅酸蓄电池工作状态的实时监控，在Visual Studio 2019编程环境下使用C#.net语言设计了相应的上位机监控面板，铅酸电池各组数据如图10所示，通过系统我们可以清晰的看出每组电池的运行状况和不同电池组间工作状态差异。

同时使用万用表对电池组输出电压进行测量，与上位机中显示电压进行对照，计算其测量精度，如表1所示，每组电池的电压测量误差均小于0.1%(2 mV)，能够准确的反应电池的运行状态，满足本系统的设计要求。

图10 上位机显示界面

表1 电池管理系统电压测量准确度检测

4 结论

(1) 为了更好的实现对煤矿电池储能设备的自动智能化监管，本文提出了一套矿用铅酸蓄电池智能管理系统，分别从硬件采集电路设计、软件程序实现和均衡控制策略等方面分析了该系统的具体实现方法。

(2) 下一阶段的研究将加入电池剩余电量预估算法及电池健康状态分析算法等控制策略，进一步完善该电池管理系统的功能体系。