礦用防爆電池管理方案

　　評論：　更新日期：2015年07月23日

一、項目基本情況概述

煤礦井下緊急救生艙是一個密封式逃生避難場所。可供井下在災變時期井下人員避險之用，是一種與外界隔離、提供維持生命的安全環(huán)境空間，意在為井下的礦工在逃生不可能的情況下避難，以便讓他們脫險或等待救援。該產(chǎn)品能提供避難人員至少96小時所需的氧氣、水、食物，以及所需的救生包、衛(wèi)生設施、通信設備、環(huán)境氣體監(jiān)測設備等。為了保證救生艙內人員的健康生存，它具有氧氣提供裝置、一氧化碳和二氧化碳吸收裝置、除濕降溫空調系統(tǒng)。該裝置系統(tǒng)屬于逃生避難的一種先進的高新技術裝備。該救生艙主要應用于煤礦井下，同時也可用于非煤礦山、核電站、地鐵、地下停車場等場所廣泛使用。

礦用避難硐室和礦用可移動救生艙是國家"十一五"科技支撐計劃"礦井重大應急救援關鍵技術研發(fā)"項目，（2006年國家科技部批準主項，項目編號：2006BAK25B00-4K），是一項關于礦業(yè)生產(chǎn)安全的重點國家項目，也是一項"人命關天"的民生項目，該項目系統(tǒng)龐大，配套復雜，要求安全性、可靠性、功能性、適用性和可操作性標準高。

二、電源系統(tǒng)介紹

1. 系統(tǒng)以3.2V/60Ah的磷酸鐵鋰單體電池為基礎器件，通過針對煤礦救生艙電源領域的特殊要求配套開發(fā)的BMS模塊將16個3.2V/60Ah的電池串聯(lián)組合成48V/60Ah的電池組。

2. 以帶BMS系統(tǒng)的48V/60Ah電池組為子系統(tǒng)，通過同級級聯(lián)通訊，8并組合成48V/480Ah的電池組。

每個電池組子系統(tǒng)為獨立的系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)，顯示屏和LED狀態(tài)指示，組網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接口，如果需要設置修改參數(shù)，采取上位機軟件直接編輯模式（系統(tǒng)調試大都在井上進行）。

3. 采用公用的充電模塊，用直流繼電器控制每個電池箱的充放電，以降低成本和功耗。

電池管理系統(tǒng)的布局如圖2所示，整個系統(tǒng)采用一種主從式的結構連接，以24路的集中式BMS作為主機和第1個電池包的采集單元，其他每個電池包配置一個24路的從機（采集模塊），通過CAN通訊協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送給主機。主機對所有采集的數(shù)據(jù)進行分析和計算，對于在警戒值以外的電池包報警，對超過保護值的電池包通過級電器實行保護操作。

三、電池管理系統(tǒng)的功能

1. 將系統(tǒng)按照示意圖分別接到負載端，井下交流電源端和集中控制端口。

2. 當電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到電池組系統(tǒng)電壓或單節(jié)電池電壓低于設定的值，系統(tǒng)開始進入充電模式，在充電過程中電池管理系統(tǒng)會監(jiān)控電池單電壓、充電電流、電池的溫度，但發(fā)現(xiàn)異常時先發(fā)出警告性報警，然后會切斷充電回路，停止充電，但電池管理系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池之間不均衡會自動啟動均衡裝置，保證每節(jié)電池都會充滿。

3. 當接到放電指令后，電池組開始向負載放電，直到電池組內單節(jié)電芯到達放電截止條件，在放電過程中電池管理系統(tǒng)會對電池的電壓、溫度，放電電流監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常系統(tǒng)會立即中止放電。I/O模塊通過采集個子系統(tǒng)的信息，計算出電源管理系統(tǒng)的充、放電狀態(tài)，充、放電電流，電池組（剩余）容量。

4. 當電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到單節(jié)電池溫度低于或者高于電池組工作的極限溫度時，啟動保護功能。

5. 當系統(tǒng)既不充電也不放電時，系統(tǒng)進入睡眠模式，系統(tǒng)只需要很小的能量維持芯片的供電。

6. 電池管理系統(tǒng)有自檢功能，當發(fā)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的感知部分、信號采集電路、供電和保護線路異常時，系統(tǒng)也會報警。

7. 電源系統(tǒng)的運行信息和故障信息會通過LED燈指示或通過液晶屏定量地顯示出來。液晶屏顯示的信息會沒兩秒鐘刷新一次。

8. 用戶可使用專用的軟件設置電源系統(tǒng)的工作條件、報警條件和保護條件。

9. 電池管理系統(tǒng)具備輸出短路保護功能和電池信息采集線開路功能。

功能	項目	功能描述
數(shù)據(jù)采集/計算	電壓檢測	利用專用電壓測量芯片，內含12位A/D轉換器使測量有效位達到8mv，電池巡檢周期達到20ms。從而精確及時監(jiān)控電池在使用過程中的狀態(tài)及變化，有效地防止電池的不正當使用。單體電壓測量回路在待機或休眠模式下，漏電不超過 50uA
	溫度采集	溫度控制包括溫度測量和電池箱加熱、風冷控制。根據(jù)電池箱內部溫度場典型分布安裝，針對電池管理系統(tǒng)自身溫度，進風口、出風口等溫度點等進行測量，并實時判斷電池箱過溫、低溫或溫差過大等故障，根據(jù)電池箱溫度情況進行加熱或風冷控制.
	電流檢測	電流檢測包括電流測量，并實時判斷電池組過流報警保護
	絕緣檢測	支持絕緣檢測功能，按照國家電動汽車相關標準進行絕緣狀態(tài)檢測
	SOC估算	實時計算電池組SOC以及電池組可提供的瞬時充放電功率（電流）
通訊功能	CAN通訊	CAN通訊保持與整車的通信，根據(jù)整車制定的CAN協(xié)議，通過高速的CAN向整車實時提供動力蓄電池各工作狀態(tài)及電池管理系統(tǒng)工作狀態(tài)
均衡功能	放電均衡	可以按照協(xié)定的均衡管理控制策略對電芯進行均衡管理功能，進而減少電池在使用過程的不一致性，提高整組電池的使用性能
自檢功能	系統(tǒng)自檢	BMS設置了強大的系統(tǒng)自檢功能，系統(tǒng)上電后對電壓、溫度、通訊、存儲器等部件進行檢測，保證系統(tǒng)自身的工作正常
報警功能	系統(tǒng)監(jiān)測	BMS對整車電池的離散性進行分析并根據(jù)不同故障類型進行報警，同時對電池充放電次數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)進行記錄，以便進行系統(tǒng)診斷及性能優(yōu)化。

圖表3 BMS功能列表

三、系統(tǒng)特點

1) 全方位顯示救生艙各功能區(qū)電源狀態(tài)。

2) 全面滿足各功能區(qū)電能消耗

3) 全電源系統(tǒng)實施本安保護

4) 全系統(tǒng)電器元件實施"雙八五"檢測

5) 全系統(tǒng)實施模塊化組合

6) 全過程實施標準化管理

四、主要技術參數(shù)

BMS鋰電池管理系統(tǒng)具有監(jiān)視和控制功能，可用于鋰電池組或鉛酸蓄電池組，最多可監(jiān)控24串電池，提供電池組監(jiān)控、SOC估算、充放電保護、電池組均衡、溫度控制等功能，并提供CAN和RS485兩種通訊方式。

項目	技術參數(shù)
工作電壓	DC 48V (36V~72V)
功耗	6-10W
工作溫度	-20℃~85℃
儲存溫度	-40℃~125℃
通訊	CAN2.0B/RS232/RS485
24路集中式BMS	284.510240 mm
24路采集模塊	163.510033mm

圖表4 BMS工作參數(shù)

工作狀態(tài)	報警名稱	報警值
均充狀態(tài)	均充電壓過高	＞59V
	均充電壓過低	＜35V
	均衡開啟電流	3.35±0.05V
	過流保護
	單體過充保護	3.8±0.05V
	單電壓高	＞3.3V
	電流	10A(0.20C)
	均充時間過長	＞24h
	充電量	0.1C
放電狀態(tài)	低電池電壓	＜2.4V
	過放保護電壓	2.2±0.1V
	低總電壓	＜51.2V
	電流	0.1C 5A
	放出容量	放電時間＞15min
	循環(huán)次數(shù)	超過10%C10放電次數(shù)
溫度告警	環(huán)境溫度高	＞45℃
	電池溫度高	＞60℃
	環(huán)境溫度低	＜5℃
	電池溫差	＞5℃

圖表5 BMS的告警和保護參數(shù)

說明：以上保護參數(shù)可現(xiàn)場通過上位機設置。

項目	技術參數(shù)及精度
總電壓	0-1000V 0.3% FSR
電流	0-800A 1% FSR
溫度	±0.5℃(-10~85 ℃)，±2℃(-55~-10℃, 85~125℃)
單體電壓	0-5V 0.3% FSR
SOC	SOC≥80% 精度≤3% 80%＞SOC＞20% 精度≤5% SOC≤20% 精度≤3%

圖表6 BMS的測量精度

五、系統(tǒng)配置

序號	型號	數(shù)量	單位	備注
1	BMS24路集中式	1	PCS	主機及24路采集功能
2	BMS24路從機	N	PCS	每個從控盒最多可監(jiān)控24節(jié)電池,.
3	集中式線束	1	套
4	從機盒線束	N	套
6	分流器300A	1	PCS	根據(jù)使用選擇相應的量程
7	溫度傳感器	16（1+N）	PCS	每個電池均需配置