煤矿井下UPS电源网络化电池管理系统设计*

李博

（煤炭科学研究总院）

0 前言

煤矿井下 UPS电源是煤矿发生临时断电或安全事故后确保相关安全监控和生命保障装置运行的重要设备，生命保障设备能否持续、可靠运行，是遇险井下工作人员的重要生存依仗。所以，研制一套符合煤矿安全规程要求、适合灾变环境使用的动力供应系统势在必行。

1 矿用电池管理系统技术现状

锂电池的电池管理技术主要开始于本世纪初期，现处于刚起步阶段。早期电池管理系统一般只具有监测电池电压、温度、电流以及保护等简单功能。随着电池在各行业的广泛应用，使用环境的复杂多样和使用技术要求的不断提高，使得电池管理技术得到了极大的发展。而根据煤矿井下的实际需求和相关行业标准要求，矿用大容量电池的管理系统主要具备以下几个功能：电池外部环境信息监测系统、电池容量估计系统、电池组性能自检系统、电池均衡系统等。目前煤矿井下的电池管理的大部分技术都相对比较成熟，其技术核心在于：

1) 电池组充、放电均衡的技术；

2) 电池组中单体电池性能变化的快速识别技术；

3) 电池组整体容量、性能衰减判定技术；

4) 电量管理由于受煤矿井下电源箱体的限制，不具备散热条件，电源箱体内的温度需要精确控制；

5) SOC的估计算法；

6) 网络化智能管理技术的突破。

2 系统组成与功能

煤矿井下 UPS电源电池管理系统主要由：单体电池监测、保护系统、充放电控制系统、SOC估计系统、电池均衡管理系统、数据通讯系统、显示系统和网络管理系统组成。系统采用图1所示总线式结构。

2.1 充放电控制系统

由于锂电池本身安全性及维护需要，锂电池的充电电压要控制在3.5 V～3.6 V，如果充电电压过高会产生安全隐患；同时锂电池放电电压也不能过低，如果过放，对锂电池性能有严重影响。该系统可精确进行充放电控制，确保锂离子电池组使用的安全、可靠[1]。

2.2 单体电源监测、保护系统

单体电源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，实时采集并显示即时监测数据及故障报警信息[2]。

保护功能主要包括：输出短路保护、环境温度保护（图2为隔爆箱内充电时箱体内部温度曲线）、信息采集线开路保护，以应对各种非正常使用状态下对UPS电源本身及负载的保护，并定期对UPS电源进行自检，检测电池的电量以及电源整体的性能[3]。

图2 单体UPS电源箱内温度变化曲线

2.3 均衡管理系统

由于锂离子电池制作工艺限制，单体电池之间存在电压、内阻、容量等差异，从而导致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的逐步累积，将严重影响电池组的放电效率和使用寿命。因此需要对锂离子电池组进行均衡管理，降低各单体电池间的差异。目前锂离子电池均衡管理的方法主要为被动均衡型和主动补偿型[4]。

被动均衡型是将电池组中电压高于平均电压的电池释放部分能量，使其电压接近平均值，即整个电池组之间进行简单的能量交换，将电池组中电压高的单体电池多余的能量释放，使电池组均衡。该方法虽然简单、稳定，但存在能量损耗和散热问题[5]。

主动补偿型是在充电系统中设计一个均衡充电电路，在主充电机完成充电后，通过智能判断对电压低的单体电池通过均衡充电电路进行小电流主动充电补偿，达到电池组均衡的目的。这种方法均衡效率高，均衡动作可以控制、可增加电池组的使用寿命，保证电池组的容量，但控制电路相对复杂。该系统中采用主动补偿方式进行均衡管理。

2.4 SOC估计系统

SOC估算时，充分考虑到由于内阻因素造成的电量损失和库伦效率，并采用目前电动汽车常用的SOC估计方法—安时计算法为原理，见式（1），通过负载电流的积分估计SOC，并结合在各种温度工况条件下锂离子电池的活性进行温度补偿并根据库伦效率因素进行非线性处理，拟合SOC变化的真实曲线[6]。

式中：η表示库伦效率；CA为电池可用容量；SOC0为初始SOC。

2.5 网络管理系统

整个系统的核心就是把网络技术应用到煤矿井下UPS电源管理系统中，在CAN总线上实现对每个单体 UPS电源的智能管理和电量的网络分配。在总线网络中根据工况自动生成主机或根据实际需要设定主机，在网络上对每个单体 UPS电源进行巡检。在 UPS电源系统启动后，根据每个电源箱电量的消耗和输出功率的大小，进行智能切换，一方面确保生命保障设备的不间断运转；另一方面避免对单个UPS电源箱过载输出和储存电量最大限度使用。同时由于电源管理系统采用总线环网式控制，任一单体电源箱损坏都不影响整个 UPS电源系统使用和电源管理系统对整个网络的智能控制。并且在输出稳压电路中，通过优化设计提高了由储能到电源输出的转换效率，使整体UPS电源使用率达99%以上[7]。

通过CAN总线网络，实时上传UPS电源的数据到地面上位机中，使调度中心人员能及时了解每个单体 UPS电源箱的剩余电量、输出电流、充电电流、电极温度、电池组平衡情况、设备工况等信息，以及整个 UPS电源网络的状态，便于维护、故障及时检修。同时在遇险情况下，使地面对煤矿井下避难硐室或其他避险设备的可持续生命保障能力有更详细地了解。

3 结语

电池管理系统通过自动控制方式在整个UPS电源网络中实现智能管理，有效提高了 UPS电源的使用效率，由于通过红外的方式进行人机交互，相对于隔爆按键方式既丰富了系统的功能，同时也增加了对系统的可操作性，解决了煤矿井下受防爆标准限制人机互动的难题。同时整个网络中任意主备机的主从互换，增加了 UPS电源系统供电的可靠性，并通过对锂离子电池组的有效管理，保障了锂离子电池组的安全、可靠使用，为锂离子电池进入煤矿领域提供了技术储备和安全保障。

[1] 麻又良,陈全世,齐占宁.电动汽车用电池SOC定义与监测方法[J].清华大学学报,2001,41(11):95-97,105.

[2] 蒋新华,冯毅,解晶莹.电压检测电路对锂离子电池组的影响[J].电池,2005,35(2):135-136.

[3] 李树靖,林凌,李刚.串联电池组电池电压测量方法的研究[J].仪器仪表学报,2003,24(增1):212-215.

[4] 王震坡,孙逢春,林程.不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析[J].北京理工大学学报,2006,26(7):577-580.

[5] 胡银全,刘和平,张毅,等.磷酸铁锂动力电池组容量损耗分析[J].武汉理工大学学报,2011,33(9):130-134.

[6] 史忠科.最优估计的计算方法[M].北京:科学出版社,2001.

[7] 吴又宇,尹叶丹.基于CAN总线的分布式动力电池管理系统[J].汽车工程,2004,26(5):530-533.