矿用锂电池电源设计及性能试验研究

摘要

随着锂电池性能的逐渐提升以及成组技术的不断完善，使其成为煤矿设备动力电源以及后备电源蓄电池的首选。但是，目前对矿用锂电池电源的研究较少，设计一套符合煤矿特殊应用背景的锂电池电源，不仅能够为其它矿用电源设计提供经验，同时为煤矿设备提供可靠、稳定、高效的电源输入，对保证人身和财产安全具有重要意义。
　　本文选用磷酸铁锂电池作为后备电源蓄电池，设计了煤矿监测通信设备用锂电池电源，主要研究内容包括：（1）在研究矿用后备电源应用背景的基础上，确定了锂电池电源的技术参数，并对电源设计要点进行分析；（2）设计了以STM32为控制核心的电池管理系统，采用了专用锂电池管理芯片AD7280A监测电池状态，完成了单总线温度采集电路、霍尔隔离大电流检测电路、精密采样电阻小电流检测电路以及输入输出控制电路等BMS硬件电路设计；BMS软件移植了μC/OS II嵌入式操作系统，将电池监测设计成各类任务，合理分配各任务执行时间，保证BMS高效运行；设计BMS性能测试上位机，采用LabVIEW完成可视化界面设计，具有电池监测、数据查询、参数配置以及RUL预测等功能；通过设计PCB四层板、软件滤波、变量管理以及上位机优化，提高BMS抗干扰能力，保证系统稳定运行；（3）采用基于Ah积分法和负载电压法的混合模型完成SOC实时估计，分析Ah积分法估计的各影响因素，并制定了相应补偿策略；混合模型加入并联加权反馈结构，通过电池状态判断，自适应选取混合模型加权值，将两种方法有效融合，并完成混合模型的嵌入式应用；试验结果表明，混合模型较单一算法具有更好的SOC估计效果；（4）采用高斯过程回归模型进行RUL预测，通过LabVIEW、Access以及Matlab混合编程完成上位机RUL预测模块设计；对比不同长度的训练数据预测效果，结果验证了GPR模型具有良好的矿用锂电池RUL预测性能；（5）采用了多个测试平台进行电源性能试验；对磷酸铁锂电池性能进行测试，得到电池参数理论基础；完成BMS总体性能测试，包括锂电池电源监测精度、SOC估计、RUL预测以及可靠性等测试，并根据试验结果进行改进；最终，后备电源满足煤矿要求，并得到了实际工程应用。

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变量注释表

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题主要研究内容

2 基于锂电池的矿用后备电源设计需求分析

2.1 矿用后备电源应用背景介绍

2.2 矿用锂电池后备电源设计要点

2.3 本章小结

3 锂电池电源管理系统设计

3.1 矿用BMS总体架构

3.2 BMS硬件电路设计

3.3 下位机软件设计

3.4 上位机性能测试软件设计

3.5 BMS抗干扰与可靠性设计

3.6 本章小结

4 矿用锂电池SOC实时估计策略研究

4.1 本矿用锂电池SOC估计背景分析

4.2 基于Ah积分法的SOC估计

4.3 基于负载电压法的SOC估计

4.4 矿用锂电池SOC在线实时估计实现

4.5 本章小结

5 基于高斯过程回归的锂电池RUL预测研究

5.1 高斯过程原理分析

5.2 基于高斯过程回归的RUL预测模型

5.3 矿用锂电池RUL预测实现

5.4 本章小结

6 矿用锂电池电源性能试验研究

6.1 性能试验测试平台

6.2 电源性能试验项目及结果分析

6.3 性能试验中遇到的问题及解决方案

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

作者简历

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