摘 要： 為了滿足井下復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境及井下避難硐室對電池電源運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、大電流輸出等關(guān)鍵要求，結(jié)合MAX17830芯片的特點，提出一種全新的電池電源管理系統(tǒng)構(gòu)架和硬件解決方案。系統(tǒng)以MAX17830為核心，采用飛思卡爾的Kinets系列中的k10處理器，集成了uC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，以高靈活性和高可靠性的方式提供了一套電池電源管理方案，具有電池管理所需要的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、安全管理、均衡管理和通信等各種功能。
關(guān)鍵詞： MAX17830；飛思卡爾Kinetis；電源管理
我國是一個煤礦事故多發(fā)的國家，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、澳大利亞、南非等國家成功的經(jīng)驗和做法，2010年，國家把建設(shè)煤礦井下避難硐室應(yīng)用試點列入了煤礦安全改造項目重點支持方向。
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。整個電池電源管理系統(tǒng)共設(shè)有4對接線口：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
2.1 器件選擇及布局
本礦用電池電源管理系統(tǒng)設(shè)計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，對器件進(jìn)行布局設(shè)計，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芯片由美國的美信半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，包含12路電壓檢測通道、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 電池電壓采集與過充保護(hù)電路
此電路圍繞著MAX17830而設(shè)計，負(fù)責(zé)整個電池組單體電池的電壓采集、過充保護(hù)、平衡管理等，其電路設(shè)計的原理圖如3所示。
3 電池電源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
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)計電池電源管理系統(tǒng)軟件的基本功能如下[5]：
（1）動態(tài)信息的采樣，對單體電壓、單體溫度、電池組電流、電池組電壓進(jìn)行采樣；
（2）電管理，根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)對充電過程、放電過程、短路情況進(jìn)行報警、主動保護(hù)多級管理措施；
（3）熱管理，電池單體高于或低于指定界限時電池電源管理系統(tǒng)將采取保護(hù)措施并報警；
（4）均衡管理，充、放電過程中可對單體電池持續(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；
（5）數(shù)據(jù)管理，使用CAN/485通信協(xié)議可實時讀取、調(diào)用系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)及管理系統(tǒng)工作狀態(tài)。詳實記錄過流、過壓、過溫等報警信息，作為系統(tǒng)診斷的依據(jù)；
（6）電量評估，長時間精準(zhǔn)剩余電量估計，實驗室SoC估計精度在97%以上（-40 ℃～75 ℃）；
（7）系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)上電時對信息采集、通信、控制等功能進(jìn)行全面自檢，簡化電池系統(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)阻的方法來對SoC進(jìn)行估計[6]。
3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用?滋C/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)[7-8]，其軟件可以劃分成6個功能模塊：開機(jī)自檢與初始化；電池電壓、電流檢測；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小時的連續(xù)測試，在測試期間系統(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)計需求。但當(dāng)系統(tǒng)在大電流運(yùn)行時電池電量估計出現(xiàn)偏差、電量估計不準(zhǔn)確，在后續(xù)的工作中還需改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 駱華敏.嵌入式電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2004，23（4）：79-80.
[2] 胡建紅.基于MC9S12DP512與CAN總線的電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2008：68-72.
[3] 湯競南.沈國琴.C語言單片機(jī)開發(fā)與實例[M].北京：人民郵電出版社，2008：227-243.
[4] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)?滋C/OS-II（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[5] 韓春立.基于XC164CS單片機(jī)的混合動力汽車電池管理系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009：41-44.
[6] 潘雙夏.基于能量守恒和四線法的SOC估算策略研究[J].汽車工程，2007，29（5）：415-452.
[7] K10 Sub-Family Reference Manual[Z].飛思卡爾官方數(shù)據(jù)手冊，2011，6.
[8] MAX17830 Data Sheet[Z] .美信官方數(shù)據(jù)手冊，2011，2.