基于MAX17830的礦用電池電源管理系統設計

　我國是一個(gè)煤礦事故多發(fā)的國家，為進(jìn)一步提高煤礦安全防護能力和應急救援水平，借鑒美國、澳大利亞、南非等國家成功的經(jīng)驗和做法，2010年，國家把建設煤礦井下避難硐室應用試點(diǎn)列入了煤礦安全改造項目重點(diǎn)支持方向。
　為了滿(mǎn)足井下復雜的運行環(huán)境及井下避難硐室對電池電源運行穩定、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。
1 總體技術(shù)方案
　根據煤礦井下的環(huán)境及井下避難硐室對電池電源運行穩定、安全可靠、大電流輸出等關(guān)鍵要求，結合磷酸鐵鋰電池的特性，采用MAX17830作為礦用電池管理系統的采集與保護芯片。
本礦用電池電源管理系統由五部分組成，分別為顯示模塊、管理模塊、執行機構、電池組、防爆殼。整個(gè)電池電源管理系統共設有4對接線(xiàn)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的工作流程如圖1所示。

2 電池電源管理系統硬件設計
2.1 器件選擇及布局
　本礦用電池電源管理系統設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的特點(diǎn)，對器件進(jìn)行布局設計，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(gè)單體電池的電壓并使用IIC通信協(xié)議與CPU通信，將采集的數據發(fā)送給CPU，接受CPU的控制[3-4]。
2.2.2 電池電壓采集與過(guò)充保護電路
　此電路圍繞著(zhù)MAX17830而設計，負責整個(gè)電池組單體電池的電壓采集、過(guò)充保護、平衡管理等，其電路設計的原理圖如3所示。

3 電池電源管理系統軟件設計
3.1 軟件基本功能
　為了保證電池電源系統的穩定，設計電池電源管理系統軟件的基本功能如下[5]：
?。?）動(dòng)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；
?。?）電管理，根據系統動(dòng)態(tài)參數對充電過(guò)程、放電過(guò)程、短路情況進(jìn)行報警、主動(dòng)保護多級管理措施；
?。?）熱管理，電池單體高于或低于指定界限時(shí)電池電源管理系統將采取保護措施并報警；
?。?）均衡管理，充、放電過(guò)程中可對單體電池持續有效地提供高達70 mA的均衡電流，每塊單體電池設有一路均衡電路；
?。?）數據管理，使用CAN/485通信協(xié)議可實(shí)時(shí)讀取、調用系統存儲的數據及管理系統工作狀態(tài)。詳實(shí)記錄過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等報警信息，作為系統診斷的依據；
?。?）電量評估，長(cháng)時(shí)間精準剩余電量估計，實(shí)驗室SoC估計精度在97%以上（-40 ℃～75 ℃）；
?。?）系統自檢，系統上電時(shí)對信息采集、通信、控制等功能進(jìn)行全面自檢，簡(jiǎn)化電池系統維護工作。
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，本系統采用能量守恒定律和電池內阻的方法來(lái)對SoC進(jìn)行估計[6]。

3.3 系統軟件設計
　穩定，本系統采用?滋C/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統[7-8]，其軟件可以劃分成6個(gè)功能模塊：開(kāi)機自檢與初始化；電池電壓、電流檢測；電池平衡管理與保護；系統充、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芯片設計了一種礦用電池電源管理系統，在硬件和軟件調試成功之后進(jìn)行了96小時(shí)的連續測試，在測試期間系統可以安全、穩定地為可以外部用電設備提供大電流輸出，滿(mǎn)足設計需求。但當系統在大電流運行時(shí)電池電量估計出現偏差、電量估計不準確，在后續的工作中還需改進(jìn)。
參考文獻
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[7] K10 Sub-Family Reference Manual[Z].飛思卡爾官方數據手冊，2011，6.
[8] MAX17830 Data Sheet[Z] .美信官方數據手冊，2011，2.