基于MAX17830的礦用電池電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　我國(guó)是一個(gè)煤礦事故多發(fā)的國(guó)家，為進(jìn)一步提高煤礦安全防護(hù)能力和應(yīng)急救援水平，借鑒美國(guó)、澳大利亞、南非等國(guó)家成功的經(jīng)驗(yàn)和做法，2010年，國(guó)家把建設(shè)煤礦井下避難硐室應(yīng)用試點(diǎn)列入了煤礦安全改造項(xiàng)目重點(diǎn)支持方向。
　為了滿足井下復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境及井下避難硐室對(duì)電池電源運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、大電流輸出等關(guān)鍵要求，研發(fā)了基于MAX17830的礦用電池電源管理系統(tǒng)。
1 總體技術(shù)方案
　根據(jù)煤礦井下的環(huán)境及井下避難硐室對(duì)電池電源運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、大電流輸出等關(guān)鍵要求，結(jié)合磷酸鐵鋰電池的特性，采用MAX17830作為礦用電池管理系統(tǒng)的采集與保護(hù)芯片。
本礦用電池電源管理系統(tǒng)由五部分組成，分別為顯示模塊、管理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電池組、防爆殼。整個(gè)電池電源管理系統(tǒng)共設(shè)有4對(duì)接線口：24 V直流輸出端口、24 V直流充電端口、485通信端口和CAN通信端口[1-2]。
　本礦用電池電源管理系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

2 電池電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 器件選擇及布局
　本礦用電池電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的主要器件如表1所示。
按照器件的功能及電池管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)器件進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，器件布局情況如圖2所示。

2.2 核心電路解析
2.2.1 MAX17830介紹
　MAX17830芯片由美國(guó)的美信半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，包含12路電壓檢測(cè)通道、12路平衡電路控制引腳及2路NTC溫度傳感器。在本電池電源管理系統(tǒng)中使用了8路電壓檢測(cè)通道、8路平衡電路控制引腳和2路NTC溫度傳感器。MAX17830采集8個(gè)單體電池的電壓并使用IIC通信協(xié)議與CPU通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU，接受CPU的控制[3-4]。
2.2.2 電池電壓采集與過(guò)充保護(hù)電路
　此電路圍繞著MAX17830而設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)整個(gè)電池組單體電池的電壓采集、過(guò)充保護(hù)、平衡管理等，其電路設(shè)計(jì)的原理圖如3所示。

3 電池電源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件基本功能
　為了保證電池電源系統(tǒng)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)電池電源管理系統(tǒng)軟件的基本功能如下[5]：
?。?）動(dòng)態(tài)信息的采樣，對(duì)單體電壓、單體溫度、電池組電流、電池組電壓進(jìn)行采樣；
?。?）電管理，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)充電過(guò)程、放電過(guò)程、短路情況進(jìn)行報(bào)警、主動(dòng)保護(hù)多級(jí)管理措施；
?。?）熱管理，電池單體高于或低于指定界限時(shí)電池電源管理系統(tǒng)將采取保護(hù)措施并報(bào)警；
　（4）均衡管理，充、放電過(guò)程中可對(duì)單體電池持續(xù)有效地提供高達(dá)70 mA的均衡電流，每塊單體電池設(shè)有一路均衡電路；
?。?）數(shù)據(jù)管理，使用CAN/485通信協(xié)議可實(shí)時(shí)讀取、調(diào)用系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及管理系統(tǒng)工作狀態(tài)。詳實(shí)記錄過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等報(bào)警信息，作為系統(tǒng)診斷的依據(jù)；
　（6）電量評(píng)估，長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)剩余電量估計(jì)，實(shí)驗(yàn)室SoC估計(jì)精度在97%以上（-40 ℃～75 ℃）；
　（7）系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)信息采集、通信、控制等功能進(jìn)行全面自檢，簡(jiǎn)化電池系統(tǒng)維護(hù)工作。
3.2 電池電量估算
　電池電量的估算方法有很多，如電流積分法、電壓法等，本系統(tǒng)采用能量守恒定律和電池內(nèi)阻的方法來(lái)對(duì)SoC進(jìn)行估計(jì)[6]。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用?滋C/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7-8]，其軟件可以劃分成6個(gè)功能模塊：開(kāi)機(jī)自檢與初始化；電池電壓、電流檢測(cè)；電池平衡管理與保護(hù)；系統(tǒng)充、放電管理；通信、顯示管理；電池剩余電量計(jì)算。其軟件工作流程如下圖4所示。

　本文利用MAX17830電池管理芯片，并借助飛思卡爾公司生產(chǎn)的Kinetis系列中的K10芯片設(shè)計(jì)了一種礦用電池電源管理系統(tǒng)，在硬件和軟件調(diào)試成功之后進(jìn)行了96小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，在測(cè)試期間系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地為可以外部用電設(shè)備提供大電流輸出，滿足設(shè)計(jì)需求。但當(dāng)系統(tǒng)在大電流運(yùn)行時(shí)電池電量估計(jì)出現(xiàn)偏差、電量估計(jì)不準(zhǔn)確，在后續(xù)的工作中還需改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
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