专利名称：一种用于煤矿救生舱电池的采样管理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于矿用储能系统电源领域，尤其涉及一种救生舱用的锂离子电池采样管理系统。
背景技术：
目前，救生舱用二次备用电池都用镍氢电池和铅酸电池，不涉及到电池组串并联使用保护的情况。考虑到某些特殊适用场合(如煤矿)的要求，救生舱用备用电源将采用锂离子可充电电池，并要求电池连接方式为先串联再并联方式。用于煤矿救生舱的多个锂离子可充电电池，需要对他们的充放电过程进行监测和控制，保证电池运行在健康状态。否则可能会导致锂离子可充电电池在多次充放电后，出现不平衡或者保护失效，这将会大大影响救生舱的动力供给甚至导致救生舱断电造成重大事故。因此，在电池组工作状态下采样管理系统要实时监测电池组中各节电池的运行状态及健康状态，包括电池组电压、单体电池电压、 单体电池温度、电池组电流、电池组容量等，并向主控系统动态上传所监测的各项内容并接受主控系统的命令。在已有的技术中，电池采样管理系统只需要监控电池组的电压和温度， 各组采样板之间为串联的形式，不能满足现在矿用救生舱电池的电源管理。本单位所创新研制的这种采样管理系统，就是结合煤矿救生舱对电池的特定要求而成功的实现对矿用锂离子可充电电池的采样管理。
发明内容
本发明为了克服通常锂电池管理系统不能实现先并后串、不能检测并控制每个单体电池的运行情况、功耗大不能持续放电100小时等问题，提供一种智能型模块式多功能锂离子电池采样管理系统。一种用于煤矿救生舱备用电池的采样管理系统，所述的用于煤矿救生舱备用电池为相互并联的若干电池组，每个电池组中包括若干个依次串联电池，即电池连接方式为先串联再并联，所述的采样管理系统对应其中一个电池组，且包括a)主控模块用于对各个与其连接(包括直接和间接的相连)的其他模块的监控和管理，并提供通讯接口 ；本发明主控模块采用了 DSP单片机，可实现对电池组的健康状态监控、保护功能管理。b)采样管理控制模块包括并行的第一保护电路和第二保护电路。所述的第一保护电路接入所述的主控模块，用于对电池组中每节电池进行参数 (电压、电流和温度)采样和均衡控制，当电池的参数超出预设值时，通过主控模块发出指令对电池进行断路保护；所述的第二保护电路用于对电池组中每节电池进行电压采样，当电压超出预设值时，对电池进行断路保护；所述的第二保护电路中设定的电压的预设值范围大于所述的第一保护电路中设定的电压的预设值范围，当第一保护电路功能失效时第二保护电路仍可以对每个电池实现保护功能。根据断路保护的时机不同，一般可包括对电池的过充保护、过放保护、过流保护和短路保护。c)功率控制模块，分别与第二保护电路和主控模块相连，用于接收第二保护电路或主控模块的信号，而后输出开关控制信号；d)M0S开关，用于根据功率控制模块的开关控制信号，控制电池组主回路的通断， 实现所述的断路保护。作为优选，所述的采样管理系统还包括e)电源模块，接入主控模块，用于向各个用电模块供电；f)通讯模块用于主控模块与上位机之间的通讯。作为进一步的优选，所述的采样管理系统还包括g)应急模块接入主控模块，在特殊情况下通过主控模块使第一保护电路中的过放保护功能失效，延长电池的放电时间满足煤矿用的特殊要求，即通过应急模块向主控模块输入信号，使MOS开关处于导通状态，将来自第一保护电路的有关于MOS开关的信号屏蔽或忽略。应急模块采用按键触发，即应急键，主要用于特殊状态的保护。电源正常工作时不开启使用，当出现必须延长电池使用时间，例如救生舱电源不够但是受困人员还在救生舱里等待救援时，按下应急键使电池组的过放保护功能失效，延长电池组放电时间。h)电流检测模块用于采集电池组主回路上的电流，并传输至主控模块；所述的电流检测模块主要由BQ3060电量专用芯片通过外围电路和检流电阻来对每个电池组的电流进行积分计算，通过对电流的算法来确定电池组的S0C(state of charge)禾口 SOH(state of health)0作为更进一步的优选，所述的采样管理系统中的电源模块还包括复位键电路。当电池组出现故障时，整个电源系统断电，只有通过手动按钮触发复位键电路，使整个采样管理系统复位并进入正常工作状态。更符合煤矿救生舱用电池的要求，增加了电池的安全性和可靠性。在所述的采样管理控制模块中，所述的第一保护电路可以采用锂离子电池专业智能IC，包括用于采集电池的参数的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与所述的主控模块连接；用于对电池进行均衡控制的均衡电路，均衡电路的控制信号输入端与采样芯片连接，其控制信号来自主控模块。采样芯片将根据采样电路的信号传递至主控模块，通过主控模块对电池进行保护和均衡控制。采样芯片还将采样电路信号与预设值比较，将比较结果传送至主控模块，当超出预设值范围时，主控模块通过所述的功率控制模块向所述的MOS开关发送开关控制信号， 对电池进行断路保护。所述的第一保护电路中的采样芯片可以采用BQ76PL536芯片，采样电路作为采样芯片的外围电路接入采样芯片对应的接口。；
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作为优选，第一保护电路中的采样芯片采用两个采样芯片级联，电池组中一部分电池的采样电路和均衡电路接入第一采样芯片，另一部分电池的采样电路和均衡电路接入第二采样芯片。例如采用两个BQ76PL536芯片级联。所述的第二保护电路包括用于对电池组中每节电池进行电压采样的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与所述的功率控制模块连接。采样芯片将采样电路信号与预设值进行对比，当电池电压超出预设值时，通过所述的功率控制模块向所述的MOS开关发送开关控制信号，对电池进行断路保护。所述的第二保护电路中的采样芯片采用低功耗锂电池专用芯片S拟61，采样电路为采样芯片的外围电路接入采样芯片对应的接口。整个煤矿救生舱备用电池为相互并联的若干电池组，那么就对应的设置若干采样管理系统，每个采样管理系统对应其中一个电池组。本发明的有益效果是，该电池采样管理系统通过采样管理控制模块的双重保护电路，以及应急模块、电流检测模块和复位键电路等来实现检测并控制每个单体电池的运行情况、低功耗、多功能特性、高安全性和可靠性，完全符合煤矿救生舱用电池的要求。适合煤矿救生舱锂离子电池的应用。
图1为本发明用于煤矿救生舱的电池采样管理系统的结构框图；图2为第一保护电路与电池连接关系的示意框图；图3为图2中均衡电路的示意图。
具体实施例方式参见附图，整个煤矿救生舱备用电池为相互并联的若干电池组，每个电池组中包括八个依次串联电池，每个电池组对应的设置一套采样管理系统，各个采样管理系统通过各自的通讯模块接入上位机。就单个采样管理系统而言，包括
a)主控模块用于对各个与其连接的其他模块的监控和管理；本发明主控模块采用了 DSP单片机，可实现对电池组的健康状态监控、保护功能管理。b)采样管理控制模块包括并行的第一保护电路和第二保护电路。第一保护电路采用锂离子电池专业智能IC，包括用于采集电池的参数的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与主控模块连接；采样芯片可以采用两个BQ76PL536芯片(即图2中的第一采样芯片和第二采样芯片)级联， 通过采样电路对八个串联的单体电池进行八路电压采样和八路电流采样；用于对电池进行均衡控制的均衡电路。每个电池分别对应一个采样电路和一个均衡电路，均衡电路的控制信号输入端与第一保护电路的采样芯片连接，即其控制信号来自采样芯片。八个串联的单体电池中，其中四个电池的采样电路和均衡电路接入第一采样芯片，而另外四个电池的采样电路和均衡电
5路接入第二采样芯片。采样芯片根据采样电路信号对电池进行保护和均衡控制，另外采样芯片将电池的参数与预设值进行比较，并将比较结果传递至主控模块，电池参数超出预设值范围时，由主控模块对电池进行断路保护。参见图3，以其中两个串联的电池1和电池2为例，分别对应均衡电路5和均衡电路6，所有的均衡电路依次连接，均衡电路5的接线端4和均衡电路6的接线端3分别用于连接相邻的均衡电路。电池2 —端接入均衡电路6，另一端与电池1和均衡电路5连接，而电池1 一端与电池2和均衡电路5连接，另一端不仅与另一相邻的电池连接，且通过接线端7连接入与均衡电路5相邻的均衡电路。第二保护电路用于对电池组中每节电池进行电压采样，当电压超出预设值时，对电池进行断路保护；第二保护电路包括用于对电池组中每节电池进行电压采样的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与功率控制模块连接。采样芯片采用低功耗锂电池专用芯片S拟61，将采样电路信号与预设值进行对比，当电池电压超出预设值时，通过功率控制模块向MOS开关发送开关控制信号，对电池进行断路保护。c)功率控制模块，分别与第二保护电路和主控模块相连，用于接收第二保护电路或主控模块的信号，而后输出开关控制信号；d)M0S开关，用于根据功率控制模块的开关控制信号，控制电池组主回路的通断， 实现对电池的断路保护。e)电源模块，接入主控模块，用于向各个用电模块供电；电源模块还包括复位键电路，当电池组出现故障时，整个电源系统断电，只有通过手动按钮触发复位键电路，使整个采样管理系统复位并进入正常工作状态，更符合煤矿救生舱用电池的要求，增加了电池的安全性和可靠性。f)通讯模块用于主控模块与上位机之间的通讯。g)应急模块接入主控模块，在特殊情况下通过主控模块使第一保护电路中的过放保护功能失效，延长电池的放电时间满足煤矿用的特殊要求，即通过应急模块向主控模块输入信号，使MOS开关处于导通状态，将来自第一保护电路的有关于MOS开关的信号屏蔽或忽略。应急模块采用按键触发，即应急键，主要用于特殊状态的保护，电源正常工作时不开启使用，当出现必须延长电池使用时间，例如救生舱电源不够但是受困人员还在救生舱里等待救援时，按下应急键使电池组的过放保护功能失效，延长电池组放电时间。h)电流检测模块用于采集电池组主回路上的电流，并传输至主控模块；电流检测模块主要由BQ3060电量专用芯片通过外围电路和检流电阻来对每个电池组的电流进行积分计算，通过对电流的算法来确定电池组的S0C(state of charge)和SOH(state of health)。本发明采样管理系统中的采样管理控制模块采用软件保护和硬件保护兼容的双重保护电路，在第一保护电路中主要由软件控制芯片通过外围电路对每个单体电池的电压和温度进行采样、比较，再上传给主控模块，并接受主控模块的指令对单体电池进行处理， 包括均衡和电气保护；而第二保护电路则采用硬件保护的方式，由精工芯片S8261对每节电池的电压进行检测，并且设定的保护值比第一保护电路的设定范围略大，这样当第一保护电路功能失效时第二保护电路仍然能对每个单体电池实现保护功能，包括过充保护、过放保护、过流保护和短路保护。
权利要求
1.一种用于煤矿救生舱备用电池的采样管理系统，所述的用于煤矿救生舱备用电池为相互并联的若干电池组，每个电池组中包括若干个依次串联电池，其特征在于，所述的采样管理系统对应其中一个电池组，且包括a)主控模块用于对各个与其连接的其他模块的监控和管理；b)采样管理控制模块包括并行的第一保护电路和第二保护电路；所述的第一保护电路接入所述的主控模块，用于对电池组中每节电池进行参数采样和均衡控制，当电池的参数超出预设值时，对电池进行断路保护；所述的第二保护电路用于对电池组中每节电池进行电压采样，当电压超出预设值时， 对电池进行断路保护；所述的第二保护电路中设定的电压的预设值范围大于所述的第一保护电路中设定的电压的预设值范围；c)功率控制模块，分别与第二保护电路和主控模块相连，用于接收第二保护电路或主控模块的信号，而后输出开关控制信号；d)MOS开关，用于根据功率控制模块的开关控制信号，控制电池组主回路的通断，实现所述的断路保护。
2.如权利要求1所述的采样管理系统，其特征在于，包括e)电源模块，接入主控模块，用于向各个用电模块供电；f)通讯模块用于主控模块与上位机之间的通讯。
3.如权利要求2所述的采样管理系统，其特征在于，包括g)应急模块接入主控模块，用于向主控模块输入信号，使MOS开关处于导通状态，将来自第一保护电路的有关于MOS开关的信号屏蔽或忽略；h)电流检测模块用于采集电池组主回路上的电流，并传输至主控模块。
4.如权利要求3所述的采样管理系统，其特征在于，包括所述的采样管理系统中的电源模块还包括复位键电路。
5.如权利要求4所述的采样管理系统，其特征在于，所述的第二保护电路包括用于对电池组中每节电池进行电压采样的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与所述的功率控制模块连接；采样芯片将采样电路信号与预设值进行对比，当电池电压超出预设值时，通过所述的功率控制模块向所述的MOS开关发送开关控制信号，对电池进行断路保护。
6.如权利要求5所述的采样管理系统，其特征在于，所述的第一保护电路包括用于采集电池的参数的采样电路；用于接收采样电路信号，并进行处理的采样芯片，该采样芯片与所述的主控模块连接；用于对电池进行均衡控制的均衡电路，均衡电路的控制信号输入端与采样芯片连接。
7.如权利要求6所述的采样管理系统，其特征在于，所述的第一保护电路中的采样芯片采用两个采样芯片级联，电池组中一部分电池的采样电路和均衡电路接入第一采样芯片，另一部分电池的采样电路和均衡电路接入第二采样芯片。
全文摘要
本发明公开了一种用于煤矿救生舱备用电池的采样管理系统，包括a)主控模块用于对各个与其连接的其他模块的监控和管理；b)采样管理控制模块包括并行的第一保护电路和第二保护电路；c)功率控制模块，分别与第二保护电路和主控模块相连，用于接收第二保护电路或主控模块的信号，而后输出开关控制信号；d)MOS开关，用于根据功率控制模块的开关控制信号，控制电池组主回路的通断，实现所述的断路保护。本发明电池采样管理系统通过采样管理控制模块的双重保护电路，以及应急模块、电流检测模块和复位键电路等来实现检测并控制每个单体电池的运行情况、低功耗、多功能特性、高安全性和可靠性，完全符合煤矿救生舱用电池的要求。
文档编号H02J7/00GK102355024SQ201110302438
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者严玲玲, 于申军 申请人:杭州万好万家动力电池有限公司