矿用动力电池智能管理系统研究

发布时间：2020-09-07 13:59

　　近年来,随着电动汽车的快速发展和动力电池储能装备的广泛应用,动力电池及其应用技术得到了快速发展,尤其动力电池本质安全、动力电池管理和动力电池快充等技术的发展~([1-5])。因此,动力电池的应用越来越安全、可靠、高效和方便,其在煤矿应用的潜力越来越受关注。避难硐室及逃生系统,矿用轨道牵引电机车、胶轮电机车和单轨吊车等设备主要依靠传统的铅酸蓄电池提供能量,给传统的铅酸电池配备管理系统将极大改善现有铅酸电池工作效率低,可靠性差、报废率高、维护繁琐等一系列问题~([6-8])。此外,研究表明:在煤矿设备上应用磷酸铁锂动力电池及其管理系统还可以克服铅蓄电池质量能量密度低、污染重和占地大等缺点,其应用优势明显、潜力巨大,是未来煤矿动力电池的重点研究和发展方向。目前,矿用动力电池及其应用存在两个主要问题:第一,矿用动力电池的选择。市场上动力电池种类繁多且制造质量参差不齐,有的电池厂家同批次动力电池的一致性都得不到保障;第二,矿用动力电池管理系统的研制。市面上动力电池管理系统五花八门,往往没有针对一种电池特性及其应用去开发管理系统的,尤其煤矿井下。所以,往往出现管理系统与电池特性不匹配等问题。动力电池煤矿应用的关键技术在于找出一款适合于煤矿应用的动力电池,并且为它提供管理系统,保障动力电池安全、可靠、高效的运行,进一步提升煤矿装备技术,降低煤矿安全生产的风险和成本。首先,找出一款适合煤矿应用的动力电池。通过对现有动力电池性能的研究和分析,选取磷酸铁锂动力电池作为研究对象。研究了它的工作原理和充放电特性,总结了影响SOC估算的因素,确定了需要监测和管理的量,为它的建模与管理提供方向和依据;其次,进行了建模与分析。通过该动力电池充放电特性和常用动力电池模型的研究,找到了一种适合磷酸铁锂动力电池的模型。应用MATLAB/Simulink建模与仿真,通过与实际实验数据进行对比,验证了动力电池模型的准确性;最后,设计了动力电池管理系统。根据动力电池特性和相关标准,结合煤矿井下实际环境,确立了矿用动力电池管理的基本功能,重点详细研究了单体电池电压的精确监测;动力电池SOC的准确估计;动力电池的均衡管理;动力电池的安全防护等。研究表明,该矿用动力电池及其管理系统基本可以达到设计目的。
【学位单位】：华北科技学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD605;TM912
【部分图文】：

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工程硕士专业学位论文铁锂电池的工作原理和特点（Working Pristics of Lithium Iron Phosphate Battery）铁锂电池的工作原理锂动力电池的内部结构图，如 2-1 所示，由图中可得：LiF铝箔连接，石墨组成的电池负极和铜箔连接，聚合物隔膜把池电解质均匀分布在电池内部，最后这些再被金属外壳密闭

磷酸铁锂,电池,基本性能,放电电流

图 2-2 磷酸铁锂电池Figure 2-2Lithium iron phosphate battery表 2-2 GC2770170EJ-25Ah 磷酸铁锂电池基本性能 2-2 Basic properties of GC2770170EJ-25Ah phosphate iron lithium性能项目 h) ≥25.0 标准充电电流（C） ) 3.2 标准充电电压（V） ≤1.0 标准充电截止电流（C） 680±30 标准放电方式 27.60*70.40*170 标准放电电流（C） ℃） -20 - 40 标准放电终止电压（V）温度（℃） 23±5 0-50℃充电电流（C）度 60±100％RH -20-5℃放电电流（C）气压力 86-106KPa 10-40℃最大放电电流（C）式CC/CV(恒流/恒≤30S 的放电峰值（C）

容量曲线,放电倍率,电压,充放电效率

实验数据表明：在不同的温度和充放电倍率下，动力电池的充放电效率整体平稳，充放电效率基本在 90%以上；在相同充放电倍率下，20℃左右其充放电效率最高。2.3.4 放电电流和温度对放电电压与容量曲线关系的影响动力电池放电能力的强弱直接影响其放电功率的大小[51]。在一定的温度范围内，环境温度越高，电池内物质的活性越大，相同剩余电量条件下所能放出的电流越大；在相同的温度下，电池剩余电荷量越多，电池电动势越高，内阻越小，所支持放出的最大电流越大。验证其放电能力强弱意义重大，以胶轮电机车的应用为例，若动力电池管理系统掌握了动力电池各个工况下的最大输出功率，便可用来计算其负荷、爬坡、提速能力，进行合理的行程规划。在对容量测定和充放电效率测试的同时，还可以得到温度和放电倍率对放电电压与容量的曲线关系的影响。在相同的温度（25±2℃）和不同的放电倍率下，得出放电倍率对放电电压与容量曲线关系的影响，如图 2-3 所示；在 3C 的放电倍率和不同的温度下，得出温度对放电电压与容量曲线关系的影响，如图 2-4 所示。

【参考文献】