鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)的研究

曹洪奎 米繼玲 付彥杰 王江平 沈陽

【摘要】針對(duì)鎳氫電池組在礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源中應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行電壓均衡和狀態(tài)監(jiān)控管理的問題，設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)和LTC6803-1電池管理芯片為核心的鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)20節(jié)串聯(lián)鎳氫電池組的電壓均衡和單體電壓、電流、溫度的監(jiān)控管理。

【關(guān)鍵詞】鎳氫電池組；電池管理；電壓均衡；LTC6803-1

鎳氫電池具有體積小、重量輕、無污染和安全性好等優(yōu)勢(shì)，作為備用電池廣泛應(yīng)用于各種不間斷電源系統(tǒng)中。由于鎳氫電池單體電壓較低，在實(shí)際應(yīng)用中需要將多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)構(gòu)成鎳氫電池組。鎳氫電池組在循環(huán)使用中，因單體電池參數(shù)存在一定的差異而導(dǎo)致單體電壓不均等，影響儲(chǔ)能效率安全性[1-2]。礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源是井下監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)的供電設(shè)備[3]，本文設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)和電池組監(jiān)控芯片LTC6803-1為控制核心的礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源用20節(jié)鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體框架

礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源鎳氫電池組管理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由單片機(jī)模塊、液晶模塊、測(cè)量與監(jiān)控模塊、電流檢測(cè)模塊和鎳氫電池模塊組成。

圖1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖

圖2 LTC6803-1的單體電壓與溫度測(cè)量電路原理圖

1.2 單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)選用低功耗微處理器MSP430F149為控制核心。該單片機(jī)具有6個(gè)8位并行端口，且2個(gè)8位端口有中斷能力，內(nèi)置一個(gè)10位AD 轉(zhuǎn)換器和60kB的FLASH。

1.3 測(cè)量與均衡模塊

測(cè)量與均衡模塊采用Linear公司生產(chǎn)的電池組監(jiān)控芯片LTC6803-1。LTC6803-1芯片內(nèi)置一個(gè)12位ADC，一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)，一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)SPI串行接口，最多可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓[4-5]。選用兩片電池管理芯片LTC6803-1，每片LTC6803-1負(fù)責(zé)監(jiān)控10節(jié)鎳氫電池。

1.3.1 單體電壓與溫度測(cè)量電路

采用LTC6803-1的第一組鎳氫電池模塊單體電壓與溫度測(cè)量電路原理圖見圖2。LTC6803-1的C0～C12引腳可測(cè)量12節(jié)電池的電壓。S1～S12引腳為均衡放電控制引腳。在本設(shè)計(jì)中只有C0～C10引腳接有鎳氫電池。LTC6803-1的VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測(cè)引腳，采用100k負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

1.3.2 均衡電路

礦用不間斷電源鎳氫電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中的單節(jié)電池均衡電路如圖3所示。LTC6803-1的均衡放電控制引腳S（n）分別控制與每個(gè)鎳氫電池并聯(lián)的功率三極管T（n）和3.3放電均衡電阻，在充電過程中，當(dāng)某個(gè)鎳氫電池的單體電壓超過芯片配置寄存器設(shè)定的上限值時(shí)，LTC6803-1自動(dòng)控制開啟對(duì)應(yīng)的功率三極管T（n），通過均衡電阻放電，直到所有電池均達(dá)到電壓上限值時(shí)為止，達(dá)到電壓均衡的目的。

圖3 均衡電路原理圖

1.4 電流檢測(cè)模塊

電流檢測(cè)是采用高精度電流檢測(cè)芯片MAX471來實(shí)現(xiàn)的。MAX471具有優(yōu)良的I/V轉(zhuǎn)換特性、完善的高端雙向電流靈敏放大器和內(nèi)置檢流電阻。電流檢測(cè)電路如圖4所示。檢測(cè)電路輸出信號(hào)VOUT送MSP430單片機(jī)的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換和運(yùn)算后得到電流值。

圖4 電流檢測(cè)電路原理圖

1.5 顯示模塊

管理系統(tǒng)的顯示模塊采用LCD12864點(diǎn)陣液晶顯示屏，用于顯示系統(tǒng)檢測(cè)的電池單體電壓、溫度和電流等狀態(tài)信息。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是通過MSP430與LTC6803-1通信，采集電池單體電壓、電流、溫度等信息并在LCD12864上顯示出來，同時(shí)控制均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。

3.測(cè)試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)選用20節(jié)2300mAh鎳氫電池串聯(lián)構(gòu)成鎳氫電池組進(jìn)行測(cè)試。

充電均衡測(cè)試中，系統(tǒng)的均衡電壓上限設(shè)定為1.41V，電壓下限設(shè)定為1.39V，當(dāng)鎳氫電池單體電壓超過1.41V時(shí)放電功率三極管打開，啟動(dòng)電壓均衡，電壓低于1.39V時(shí)放電功率三極管關(guān)閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為500mA，最高充電電壓為28.50V。整個(gè)充電測(cè)試過程中，最大均衡電流達(dá)到300mA，均衡電路動(dòng)作偏差小于20mV。管理系統(tǒng)對(duì)20節(jié)鎳氫電池單體電壓和溫度的檢測(cè)時(shí)間約為60ms，能夠滿足對(duì)鎳氫電池組快速充、放電過程中電壓和溫度檢測(cè)速度的需要。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的以MSP430單片機(jī)和LTC6803-1芯片為核心的礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電壓均衡控制和單體電壓、電流和溫度等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、速度快、均衡效果好，確保鎳氫電池組的安全使用，提高了儲(chǔ)能效率。本系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、通信后備電源等領(lǐng)域。

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基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳基金項(xiàng)目（L2011096）、遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（2013062）資助。