浅谈煤矿井下备用电源管理系统

【摘 要】煤矿井下备用电源是矿井发生断电或安全事故后保障安全监控系统和生命保障系统正常工作的保障。其中备用电源管理系统运行的可靠性对整个备用供电系统尤为重要。

【关键词】备用电源；能量均衡；监测

1 前言

近年来，国家对煤矿井下避难硐室和救生仓建设的重视度逐渐加强，做为其配套设备，备用电源的可靠性直接影响着救生效果。本文将介召一种基于BMS的矿井备用电源管理系统的功能及组成，分析其电池组能量均衡的原理和方法。

2 备用电源管理系统现状

早期的备用电源管理系统较为简单。由于技术条件所限，为保证使用安全可靠，专用设备供电系统与蓄电池相互隔离，备用电源管理系统仅起充电和电源分配的作用，即主要负责正常供电情况下的充电和故障情况下的蓄电池向各用电设备的供配电。

随着锂电池在煤矿备用电源中越来越多的使用，锂电池管理系统的功能也越来越完善。《矿用隔爆兼本安锂离子蓄电池电源安全技术要求》中规定：锂离子电池管理系统应具有以下功能--电池组外部参数检测、与外部设备通讯功能、电池组充放电控制功能、电池状况判断和剩余电量的估计及电量均衡功能。这些功能主要是基于以下方面的考虑：

2.1 安全需要

电池（尤其是锂离子电池）工作时有一定条件限制，如充电电流限制、放电电流限制、工作温度限制、单体电压限制等。电池工作条件分“合理区域”和“临界区域”，如下图所示。当电池工作条件越过“临界区域”时，事故概率就会大增。这时，电源管理系统就必须果断采取措施，以避免事故的发生。

2.2 延长电池使用寿命

当电池工作状态位于“合理区域”时，电池寿命最大。进入“临界区域”寿命会显著降低，越过了“临界区域”有安全隐患。为了提高电池的使用寿命尽量让电池工作在“合理区域”，当电池越过“合理区域”后要给使用者报警提示，让电池回归“合理区域”。

2.3 提高电池组有效储能

在电池组中，由于单个电池间总是存在差异，储存的能量有差异。而电池的过放和过充是电池的两种极度危险状态。放电时，当某个电池达到放电下限时，即使其他电池仍有能量，放电也不得不结束。反之，充电时，当某个电池电压已经达到上限，即使其他电池尚未充足，充电不得不中止。因而，放电受限于电池组中电压最低的单个电池，充电受限于电压最高的单个电池。可见，“有效储能”小于“理论储能”。在没有电源管理系统的情况下，电池间储能差异化会越来越大，因而“有效储能”会越来越少，所能提供的供电时间也相应的缩短。

2.4 估算电池剩余能量

没有电源管理系统就无法知道电池还有多少剩余能量，也就无法预测电池组还能够提供多长时间的供电。

3 电源管理系统功能及组成

3.1 单体电压测量

电压是表征电池状况最重要的参数之一。一方面，电池充电状态SOC与电压存在一定关系，通过观测电压，可以大致了解电池的充电状态：

SOC=f（V，I，T）

这里V为电池的电压，I为充放电电流，T为电池温度，图3-1为40AH锂电的充电曲线，图3-2为40AH锂电放电曲线。

另一方面，电池电压也存在“临界工作状态”，当电池越过“临界工作状态”时，危险性大增。所以单体电池电压必须监视。

3.2 温度监测

温度过高电池就会有燃烧、爆炸的危险。温度检测一般有两种做法，一种是设固定数量的温度探头，将其分散在电池组中。一种是将探头置于电压采集线的接线鼻上，每个电池的温度都测，但其测得的温度受环境温度的影响较大，不能准确反应电池内部的温度，所以可靠性不是很高。

3.3 保护控制

从目前使用情况看，电源管理系统的保护控制应当有过充、过放、过流、过热几方面保护。控制信号分过、过放两路，或过充、过放合并成一路总控信号。

3.4 能量均衡

由于电池存在一致性差异，这种差异来自电池负极材料的浓度差异、电池负极材料晶格形态、涂布均匀差异、隔膜厚薄、隔膜细孔均匀性等诸多因素。新电池可以靠筛选（即成组配对）来实现一组电池的高度一致。但经过若干充放电循环后，这种一致性不复存在，表现在单体电池间的剩余能量相差甚大。

串联使用的电池，在充放电都一样的情况下由于电池内阻不一致造成热功率损失会有所不同，最终导致单体电池的剩余能量不一致。而要使“有效储能”达到最佳值，就必须通过某些手段，来促使各单体电池的剩余能量趋于一致，使得各单体电池基本上同时放空、同时充满，这就是所说的电源管理系统能量均衡功能。一般采用放电式能量均衡或充电式均衡即：串联恒流、并联恒压充电的方式进行主动均衡。

4 信息采集与网网络管理

备用电源管理系统的核心是网络化管理，即把单个UPS电源通过总线的方式传输至地面中心站，使地面中心站管理人员能够实时了解每个电池组的工况，包括剩余电量、充放电情况、电池组温度等。通过反馈信息可以方便快捷地进行故障处理和维护保养工作。

5 结语

矿井后备电源管理系统是井下UPS电源安全使用的保障，通过对电池组工作状况的监控，可以提高电池组工作效率，防止电池组的过充过放等造成损坏，有效延长电池组的使用寿命。

参考文献：

[1]袁晓明.煤矿车辆用蓄电池技术[J].自动化与信息工程，2011（6）.

[2]刘灵芝.锂离子电池管理系统研究[J].安庆师范学院学报，2008（2）.

[3]赵亚锋，冯广斌，张边武.蓄电池一致性配组研究[J].兵工自动化，2006（10）.