基于矿用锂离子蓄电池BMS的在线式UPS电源的研究

王皓 李国超

摘 要：由于产业政策原因，矿用UPS采用的大功率铅酸蓄电池被禁止使用，镍氢电池由于容量与体积的限制，只能用于短时间的紧急备电；矿用锂离子蓄电池具有体积小、容量大的特点，能够满足大负载系统的不间断供电。本文介绍了一种8节串联共1024Wh的不间断电源，采用基于ARM的锂电池管理系统，使用了充电均衡与管理系统内部均衡两种方式维持各单节锂电池的共性，延长使用寿命和可靠性；使用STS静态转换开关系统实现UPS电源的不间断供电，电源转换时间≤4ms。并提供了RS485接口用于电源及电池状态的远程监测。

关键词：矿用锂电；在线式UPS；均衡控制；矿用不间断电源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.192

1 概述

该电源符合安标国家中心颁布的矿用隔爆（兼本安型）锂离子蓄电池电源的要求，目前行业内多采用符合该标准的矿用BMS，其安全性能与精度能够满足煤矿井下使用；矿用BMS是在车载BMS的基础上开发而来，车载BMS的特点是在充电时不放电，在放电时不充电。但UPS电源的特点是在有外电使用外电供给负载，没有外电时使用电池放电供给负载；若将车载BMS当做UPS使用，即在有外电时电池的充放电同时进行；这样最终会达到一种极限，充电保护或放电保护，电源本身及负载会随着保护动作频繁重启，从而破坏电源的可靠性，造成不必要的系统故障；同时也会破坏各单体电池的共性状态，拉大单体电池间的差距；降低电池的使用寿命。

本文设计了一种符合UPS供电模式的采用锂电池后备的不间断电源。本电源主要包括矿用BMS模块，该模块用于锂电池的状态的监测与保护控制；均衡系统模块，该模块用于对锂电池均衡保护；STS静态转换开关模块用于实现在线式UPS功能。

2 矿用锂离子蓄电池BMS的设计

矿用锂离子蓄电池管理系统能够监测各个单体电池电压及温度，能够显示总电源电压，并且精度控制在0.5%；温度显示精度在±2℃；具有过充过放保护功能，即任意一节单体电压在达到设定值后会触发系统的保护动作，关断充放电接口。具有充电过流放电过流保护，充放电过程的电流达到设定值后触发保护动作，控制MOS管关断充放电接口。BMS具有短路保护功能，短路设定值为额定放电电流的150%，当电流达到该值时触发关断保护，所有的保护动作均在100ms内完成。BMS具有采集线开线保护功能及温度保护功能；能够准确定位故障。此类故障保护，不触发关断。BMS具有显示及声光报警功能，任意故障的保护都会有现实并进行声光报警。

3 均衡保护控制系统设计

均衡用于对锂离子电池组的保护，延长使用寿命并保证可靠性，本系统采用两种均衡保护控制，一是设计了一种恒流恒压的大功率锂电池充电器，其自动检测电池组电压，根据电池组减压自行调整充电电流；在低电量时使用大电流充电，快速补充电能；当管理系统检测到电池组各单体电压值较大差异时，由BMS系统发出控制信号，驱动充电器采用小电流浮充，给电池组均衡留有空间，当各单体电池差异在允许范围内时，充电器继续大电流充电；当电池接近充满时，充电器进入浮充状态。避免了快速充电过程拉大单体电池之间的差异。BMS内部均衡系统采用了CX系列锂电池保护芯片与功率电阻组成，当系统检测到各单体电池间差异时，进行限制高与放电动作，限高指限制对单体电压高的电池充电，并接通功率电阻对单节电池电压高的进行放电；同时对单体电压低的电池进行单独充电。系统每个50ms读取一次电压值进行比较，各单体电压差在允许范围内时恢复正常充电。

4 静态转换开关的设计

静态转换开关用于电池供电与外电供电的双路切换；避免电池同时充放所带来的损坏，也避免逆变器长时间工作所带来的温度积聚，在密闭的防爆壳体内无法有效的散热，从而产生危险温度；或触发BMS的温度保护动作使系统频繁重启。静态转换开关采用双路高速可控硅进行控制；在有外电时，直接转接外电进行输出，同时关断逆变器输出；当外电掉电时，BMS检测到掉电信号给转换开关发生切换信号，转换开关关断外电转接；同时开启逆变器输出；转换时间小于10ms，即小于?正弦波周期；从而保持不间断供电，由于转换切换外电与逆变器输出，而非外电与电池直流输出，因此不需考虑逆变器的逆变时间；逆变器处于待机状态对电池产生的消耗，可通过BMS的浮充补偿，且有助于电池组的均衡控制。

5 整体设计

电源包括密闭的防爆外壳，电池组、BMS、、均衡模块、充电器、逆变器与静态转换开关组成。密闭的防爆外壳应能承受1.5Mpa的静压试验；且电池组应单独放置在一个腔体内，且不能放置除温度和电压检测元件意外的任何元器件。BMS负责检测电池组电池状态，负责电池充放电的保护及报警；负责检测外电与静态转换开关的控制；BMS由充电器供电，外电掉电后由电池组供电，BMS检测到放电保护时，关断系统；需重新用外电激活。从而保护电池不因设备内耗产生损坏。

6 结语

通过对矿用锂离子蓄电池管理系统及工业用UPS系统的优势结合；研究了一种能够替代旧式以铅酸为后备的矿用UPS电源；符合国家产业政策及环保要求，满足煤矿安全生产及监测通信领域对不间断电源的要求。

参考文献：

[1]华尧，赵康.基于锂电池的矿用在线式不间断电源技术研究[J]. 信息化建设，2015（06）.

[2]徐钧，蔡欣荣.基于LTC6804-2的锂电池SOC应用研究[J].仪表技术，2014（06）：28-31.

基金项目：国家重点研发计划项目：监管监察信息动态采集可信保障与分析技术及装备 课题编号：2018YFC0808302

作者簡介：王皓（1990-），男，江苏徐州人，本科，助理工程师，主要从事防爆配电装置、防爆监控通信、信号设备的设计、开发、验证工作。