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矿用防爆电池管理方案

　　评论：　更新日期：2015年07月23日

一、项目基本情况概述

煤矿井下紧急救生舱是一个密封式逃生避难场所。可供井下在灾变时期井下人员避险之用，是一种与外界隔离、提供维持生命的安全环境空间，意在为井下的矿工在逃生不可能的情况下避难，以便让他们脱险或等待救援。该产品能提供避难人员至少96小时所需的氧气、水、食物，以及所需的救生包、卫生设施、通信设备、环境气体监测设备等。为了保证救生舱内人员的健康生存，它具有氧气提供装置、一氧化碳和二氧化碳吸收装置、除湿降温空调系统。该装置系统属于逃生避难的一种先进的高新技术装备。该救生舱主要应用于煤矿井下，同时也可用于非煤矿山、核电站、地铁、地下停车场等场所广泛使用。

矿用避难硐室和矿用可移动救生舱是国家"十一五"科技支撑计划"矿井重大应急救援关键技术研发"项目，（2006年国家科技部批准主项，项目编号：2006BAK25B00-4K），是一项关于矿业生产安全的重点国家项目，也是一项"人命关天"的民生项目，该项目系统庞大，配套复杂，要求安全性、可靠性、功能性、适用性和可操作性标准高。

二、电源系统介绍

1. 系统以3.2V/60Ah的磷酸铁锂单体电池为基础器件，通过针对煤矿救生舱电源领域的特殊要求配套开发的BMS模块将16个3.2V/60Ah的电池串联组合成48V/60Ah的电池组。

2. 以带BMS系统的48V/60Ah电池组为子系统，通过同级级联通讯，8并组合成48V/480Ah的电池组。

每个电池组子系统为独立的系统，电池管理系统，显示屏和LED状态指示，组网数据通讯接口，如果需要设置修改参数，采取上位机软件直接编辑模式（系统调试大都在井上进行）。

3. 采用公用的充电模块，用直流继电器控制每个电池箱的充放电，以降低成本和功耗。

电池管理系统的布局如图2所示，整个系统采用一种主从式的结构连接，以24路的集中式BMS作为主机和第1个电池包的采集单元，其他每个电池包配置一个24路的从机（采集模块），通过CAN通讯协议将采集的数据传送给主机。主机对所有采集的数据进行分析和计算，对于在警戒值以外的电池包报警，对超过保护值的电池包通过级电器实行保护操作。

三、电池管理系统的功能

1. 将系统按照示意图分别接到负载端，井下交流电源端和集中控制端口。

2. 当电池管理系统监测到电池组系统电压或单节电池电压低于设定的值，系统开始进入充电模式，在充电过程中电池管理系统会监控电池单电压、充电电流、电池的温度，但发现异常时先发出警告性报警，然后会切断充电回路，停止充电，但电池管理系统发现电池之间不均衡会自动启动均衡装置，保证每节电池都会充满。

3. 当接到放电指令后，电池组开始向负载放电，直到电池组内单节电芯到达放电截止条件，在放电过程中电池管理系统会对电池的电压、温度，放电电流监测，一旦发现异常系统会立即中止放电。I/O模块通过采集个子系统的信息，计算出电源管理系统的充、放电状态，充、放电电流，电池组（剩余）容量。

4. 当电池管理系统监测到单节电池温度低于或者高于电池组工作的极限温度时，启动保护功能。

5. 当系统既不充电也不放电时，系统进入睡眠模式，系统只需要很小的能量维持芯片的供电。

6. 电池管理系统有自检功能，当发现电池管理系统的感知部分、信号采集电路、供电和保护线路异常时，系统也会报警。

7. 电源系统的运行信息和故障信息会通过LED灯指示或通过液晶屏定量地显示出来。液晶屏显示的信息会没两秒钟刷新一次。

8. 用户可使用专用的软件设置电源系统的工作条件、报警条件和保护条件。

9. 电池管理系统具备输出短路保护功能和电池信息采集线开路功能。

功能	项目	功能描述
数据采集/计算	电压检测	利用专用电压测量芯片，内含12位A/D转换器使测量有效位达到8mv，电池巡检周期达到20ms。从而精确及时监控电池在使用过程中的状态及变化，有效地防止电池的不正当使用。单体电压测量回路在待机或休眠模式下，漏电不超过 50uA
	温度采集	温度控制包括温度测量和电池箱加热、风冷控制。根据电池箱内部温度场典型分布安装，针对电池管理系统自身温度，进风口、出风口等温度点等进行测量，并实时判断电池箱过温、低温或温差过大等故障，根据电池箱温度情况进行加热或风冷控制.
	电流检测	电流检测包括电流测量，并实时判断电池组过流报警保护
	绝缘检测	支持绝缘检测功能，按照国家电动汽车相关标准进行绝缘状态检测
	SOC估算	实时计算电池组SOC以及电池组可提供的瞬时充放电功率（电流）
通讯功能	CAN通讯	CAN通讯保持与整车的通信，根据整车制定的CAN协议，通过高速的CAN向整车实时提供动力蓄电池各工作状态及电池管理系统工作状态
均衡功能	放电均衡	可以按照协定的均衡管理控制策略对电芯进行均衡管理功能，进而减少电池在使用过程的不一致性，提高整组电池的使用性能
自检功能	系统自检	BMS设置了强大的系统自检功能，系统上电后对电压、温度、通讯、存储器等部件进行检测，保证系统自身的工作正常
报警功能	系统监测	BMS对整车电池的离散性进行分析并根据不同故障类型进行报警，同时对电池充放电次数以及历史数据进行记录，以便进行系统诊断及性能优化。

图表3 BMS功能列表

三、系统特点

1) 全方位显示救生舱各功能区电源状态。

2) 全面满足各功能区电能消耗

3) 全电源系统实施本安保护

4) 全系统电器元件实施"双八五"检测

5) 全系统实施模块化组合

6) 全过程实施标准化管理

四、主要技术参数

BMS锂电池管理系统具有监视和控制功能，可用于锂电池组或铅酸蓄电池组，最多可监控24串电池，提供电池组监控、SOC估算、充放电保护、电池组均衡、温度控制等功能，并提供CAN和RS485两种通讯方式。

项目	技术参数
工作电压	DC 48V (36V~72V)
功耗	6-10W
工作温度	-20℃~85℃
储存温度	-40℃~125℃
通讯	CAN2.0B/RS232/RS485
24路集中式BMS	284.510240 mm
24路采集模块	163.510033mm

图表4 BMS工作参数

工作状态	报警名称	报警值
均充状态	均充电压过高	＞59V
	均充电压过低	＜35V
	均衡开启电流	3.35±0.05V
	过流保护
	单体过充保护	3.8±0.05V
	单电压高	＞3.3V
	电流	10A(0.20C)
	均充时间过长	＞24h
	充电量	0.1C
放电状态	低电池电压	＜2.4V
	过放保护电压	2.2±0.1V
	低总电压	＜51.2V
	电流	0.1C 5A
	放出容量	放电时间＞15min
	循环次数	超过10%C10放电次数
温度告警	环境温度高	＞45℃
	电池温度高	＞60℃
	环境温度低	＜5℃
	电池温差	＞5℃

图表5 BMS的告警和保护参数

说明：以上保护参数可现场通过上位机设置。

项目	技术参数及精度
总电压	0-1000V 0.3% FSR
电流	0-800A 1% FSR
温度	±0.5℃(-10~85 ℃)，±2℃(-55~-10℃, 85~125℃)
单体电压	0-5V 0.3% FSR
SOC	SOC≥80% 精度≤3% 80%＞SOC＞20% 精度≤5% SOC≤20% 精度≤3%

图表6 BMS的测量精度

五、系统配置

序号	型号	数量	单位	备注
1	BMS24路集中式	1	PCS	主机及24路采集功能
2	BMS24路从机	N	PCS	每个从控盒最多可监控24节电池,.
3	集中式线束	1	套
4	从机盒线束	N	套
6	分流器300A	1	PCS	根据使用选择相应的量程
7	温度传感器	16（1+N）	PCS	每个电池均需配置