矿用磷酸铁锂电池管理系统应用研究

随着矿山设备自动化水平的提高和电池制造技术的进步,锂电池在煤矿监测通讯系统、应急避险设施、储备待用应急救援设备的电源系统中得到普遍应用。锂电池的安全、可靠、稳定运行直接影响设备性能发挥和井下工作人员的生命财产安全。本文针对矿用磷酸铁锂电池管理系统中的荷电状态估计、均衡控制管理和故障自诊断功能进行了重点研究,以实现对电池的状态监测、能量控制和安全防护,改善单体电池之间的不一致性和电源系统运行过程中存在的安全性问题。本文的研究工作主要从以下几个方面展开:一、分析研究磷酸铁锂电池的工作原理、特性及其在煤矿中应用时存在的特殊问题。对矿用电池管理系统的主要功能及其在煤矿特殊工况下应用时应注意的问题进行研究。二、采用开路电压(OCV)法和安时积分法相结合的方法对电池荷电状态(SOC)进行估计。对影响电池实际容量的温度、充放电倍率、老化程度等因素进行分析,确定了各种因素对容量的校正系数。同时,为了减小估计过程中累积误差对估计结果的影响,在充放电的关键时期,利用电池端电压代替开路电压,通过SOC-OCV曲线对SOC估计值进行修正。三、针对串联电池组中各单体电池之间的不一致性问题,并结合矿用锂电池组的具体运行工况,采用电阻被动均衡控制方案,在充电过程中对各单体电池进行均衡控制。通过控制各均衡控制开关的导通时间使得各单体电池可以同时达到均衡。针对被动均衡不适用于放电状态和静置状态均衡控制的局限性,采取剩余容量监测和补充充电措施加以改善。四、电池管理系统是电池安全可靠运行的重要保障,其包含的元器件较多、结构复杂、故障机率高,因此,由于其自身故障而引发的危害比单纯的电池故障更大。对电池管理系统中常见的各种故障类型,从系统、模块、零部件层面进行分层。对故障树的基本理论和特性进行分析,构造出电池管理系统的故障树模型,建立起电池管理系统故障表现与故障原因之间的联系。由于电池管理系统的故障多为复杂不确定性事件,而故障树在分析不确定性问题时存在局限性。因此,建造了更适合解决不确定性问题的多层贝叶斯诊断网络。同时针对贝叶斯网络模型建造困难的缺点,利用故障树与贝叶斯网络之间的内在联系,由故障树模型向贝叶斯诊断网络模型转化,以减少贝叶斯网络模型建造的难度。