基于煤矿井下监控系统后备电源用锂电池管理系统的研究

摘要：文中基于煤矿井下监控系统后备电源用锂电池管理系统，主要进行了以下研究：煤矿安全监测监控系统的内涵和作用的分析；在后备电池管理系统的结构及工作原理中探讨了硼酸铁锂蓄电池状态的检测、电池的充放电控制管理以及SOC的估算方法。这一研究对于煤矿安全监控的改进具有一定的借鉴意义。

关键词：煤矿；井下监控系统；后备电源；电池管理系统；SOC估算

引言

煤矿安全监控系统是指对煤矿的环境参数和生产、运输、提升、排水等机电设备工作状态进行监测和控制，并用微机分析处理取得数据的一种系统。他是二到三级分布式集散系统，井下分站作为系统中重要配套部件，连续监测矿井的各种环境参数，如：瓦斯、一氧化碳、风速、负压等。文中从安全监控角度探讨了煤矿井下监控系统后备电源用锂电池管理系统。这一研究对于煤矿安全监控的改进具有一定的借鉴意义。

1煤矿安全监测监控系统的内涵和作用

在矿井安全生产监控领域中，由传感器、信息传输、计算机应用、电气防爆以及控制等多种技术衍生出一种新系统，即矿井安全监测监控系统，它在很大程度上可以保证煤矿生产的安全性，除此之外，还能使生产效率与机电设备的有效利用得到提高。该系统一般由中心站、信息传输装置、传感器和执行装置三部分构成，其中计算机、应用软件与设备属于中心站部分，传输端口、传输线与接线盒属于信息传输装置。总体来说，该系统是监测与控制机电设备某些环节与所处环境的运行状态，环境参数包括一氧化碳、风速、烟雾、温度等；环节包括运输、排水、生产等；并通过计算机进行分析与处理，最终获得数据。该系统可以将环境安全参数信息的动态呈现给各级相关部门，第一时间将现场情况与信息提供给生产指挥部门，从而可以实现采取相应预防措施。此外，通过分析与对比所测参数，该系统还能自动报警、切断电源以及与外界隔离，以防事态进一步发展与扩大；若事故发生，该系统还能在第一时间将救灾与避灾线路提供给现场人员，帮助抢救人员做适当的决定。

2后备电池管理系统的结构及工作原理

电池管理系统主要由五个部分组成，包括中央处理器、充放电控制模块、数据存储模块、显示单元以及电池状态检测模块，其中电流、温度以及电压三个检测模块构成电池状态检测模块。下图为该系统的原理框架图。中央处理器所使用的单片机是ATmega128，多数指令的完成只需要一个时钟周期，所以它的数据吞吐率非常高，最高可以达到1 MIPS/MHz。

2.1 硼酸铁锂蓄电池状态的检测

1） 温度的检测。该模块所使用的是DS18B20型号的数字式温度传感器，检测的温度范围为零下55度至125度，分辨率可以达到约0.06度，一条数据传输总线上可以有多个传感器，正因为这种结构特点，能够使系统的抗干扰性得到提高。

2） 电压的检测。该模块对芯片的采集使用的是专用电压，它可以同时对十二个电池的电压进行测量，其工作温度的范围为零下40度至85度，符合井下作业的环境要求，测量误差控制在0.25%以下，使用特定的电平移位串行接口，可以将多个芯片进行串联，不用采取任何隔离措施，从而对多电池组中的单个电池进行电压监控，它们能够同时一起运行，这样测量多电池组中单个电池电压的时间均能控制在13毫秒的范围内。硼酸铁锂电池有特定的充放电控制电路和保护电路板，通过检测的电压防止电池的过充以及过放现象的发生，以保护电池。

3） 电流的检测。该模块使用的是闭环霍尔传感器，额定输出电压为2.5±2V，额定输入电流不超过6A，响应速度非常快，且具有较强的抗干扰性。该模块不仅能够对电流方向进行检测，还可以在整个范围内进行等精度测量。输出信号与电流实现完全电气隔离，对调整和处理传感器的输出信号有一定的帮助，使整个系统的稳定性得到提高。

2.2电池的充放电控制管理

由于井下作业环境比较复杂，哪怕电池是置于隔爆箱内，还是要采取措施保护电池的充电与放电过程，在进行充电过程中，根据对每节电池电压、电池组充电电流的检测情况来进行以下判断：1、充电是否还要继续；2、充电电流有无超出额定值；只要其中一节电池的电压或电流比所规定的最大充电电压或电流大就要马上停止充电，避免电池发生过充电。而在放电过程中，根据对每节电池电压、电池组放电电流的检测情况来判断否超过其额定值，只要其中一节电池的电压或电流低于规定的最低放电截止电压或大于规定的最大放电电流，就要马上将放电回路保护电池断开，避免出现过放电。

2.3 SOC的估算方法

单片机进行参数的采集是通过AD转换来实现的，处理过后再向显示模块发送，根据存储在对应模块中的数据对荷电状态进行计算，为了确保能获得较为精确的SOC。SOC所反映的是电池剩余部分电量所占总电量的比值，是对电池剩余电量的一种描述。锂电池的容量取决于多种因素，其中最关键的估算参数就是实时的放电电流，根据其系统所获取的数据，使用累计电量以及开路电压测试的方法对锂电池的SOC进行评估，即在放电时间段使用实时变化工作电流累计，再将该电量等价换算成一定电流下的放电电量，得到的值就是目前电池已经消耗的电量，然后通过电池的剩余电量对SOC进行计算。

3.结语

电池管理系统的核心为ATmega128，能够采集到电池组的电压与温度信号以及电源系统的电流与电压，除此之外还可以保护每节电池的充放电电压与电流，最大可能的保护电池组，使锂电池的生命周期得到延长，从而使井下监控系统的后备电源得到保障。

参考文献：

[1]钱建生，蔡利梅. 煤矿井下斜巷轨道运输综合监控系统[J]. 煤矿安全，2009，S1：133-135.

[2]刘艳兵，杨维，王曙光，李林涛. 煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现[J]. 湖南科技大学学报（自然科学版），2009，04：16-20.

[3]宫贵家，黄金波，王德伟. 煤矿井下防爆视频监控系统的设计[J]. 工矿自动化，2010，08：107-109.

[4]付文俊，何明刚. 煤矿井下监控系统在线检测技术的探讨[J]. 煤矿安全，2011，05：151-152+156.

[5]张英梅，汤宏颖. 基于LabVIEW的煤矿井下排水监控系统的设计[J]. 煤炭科学技术，2008，02：68-70+77.

[6]刘建中，王永红，靳宝全. 煤矿井下电力监控系统研究[J]. 山西科技，2012，05：71-73.

[7]郑淑丽. 煤矿井下通风监控系统的研究[J]. 煤矿机电，2004，06：24-26.