摘 要： 為了滿足井下復雜的運行環境及井下避難硐室對電池電源運行穩定、安全可靠、大電流輸出等關鍵要求，結合MAX17830芯片的特點，提出一種全新的電池電源管理系統構架和硬件解決方案。系統以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，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據采集、狀態監控、安全管理、均衡管理和通信等各種功能。
關鍵詞： MAX17830；飛思卡爾Kinetis；電源管理
我國是一個煤礦事故多發的國家，為進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驗和做法，2010年，國家把建設煤礦井下避難硐室應用試點列入了煤礦安全改造項目重點支持方向。
為了滿足井下復雜的運行環境及井下避難硐室對電池電源運行穩定、安全可靠、大電流輸出等關鍵要求，研發了基于MAX17830的礦用電池電源管理系統。
1 總體技術方案
根據煤礦井下的環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。整個電池電源管理系統共設有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，對器件進行布局設計，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，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個單體電池的電壓并使用IIC通信協議與CPU通信，將采集的數據發送給CPU，接受CPU的控制[3-4]。
2.2.2 電池電壓采集與過充保護電路
此電路圍繞著MAX17830而設計，負責整個電池組單體電池的電壓采集、過充保護、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]：
（1）動態信息的采樣，對單體電壓、單體溫度、電池組電流、電池組電壓進行采樣；
（2）電管理，根據系統動態參數對充電過程、放電過程、短路情況進行報警、主動保護多級管理措施；
（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將采取保護措施并報警；
（4）均衡管理，充、放電過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；
（5）數據管理，使用CAN/485通信協議可實時讀取、調用系統存儲的數據及管理系統工作狀態。詳實記錄過流、過壓、過溫等報警信息，作為系統診斷的依據；
（6）電量評估，長時間精準剩余電量估計，實驗室SoC估計精度在97%以上（-40 ℃～75 ℃）；
（7）系統自檢，系統上電時對信息采集、通信、控制等功能進行全面自檢，簡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對SoC進行估計[6]。
3.3 系統軟件設計
穩定，本系統采用?滋C/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統[7-8]，其軟件可以劃分成6個功能模塊：開機自檢與初始化；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行了96小時的連續測試，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，滿足設計需求。但當系統在大電流運行時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。
參考文獻
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